DE102021127647A1

DE102021127647A1 - Leiterplatte und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102021127647A1
Application number: DE102021127647.0A
Authority: DE
Inventors: Uwe Waltrich; Stanley BUCHERT
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2021-10-25
Filing date: 2021-10-25
Publication date: 2023-04-27
Also published as: EP4424119A1; WO2023072682A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte, die eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Leiterplattenlagen (10) aufweist, wobei in die Leiterplatte (1) Durchgangsbohrungen (15) integriert sind, die geeignet sind zur Aufnahme von Metallschrauben (2), die die Leiterplatte (1) mit einem Kühlkörper (4) verschrauben. Es ist vorgesehen, dass in die Leiterplatte (1) Isolationshülsen (6) aus einem Isolationsmaterial integriert sind, wobei die Durchgangsbohrungen im Bereich der Isolationshülsen (6) in der Leiterplatte (1) ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leiterplatte.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Es ist bekannt, Leiterplatten in einem Lagenaufbau aus einer Vielzahl an Prepregs, ggf. Leiterplatten-Kernen („PCB-cores“) und Kupferlagen herzustellen, die durch Laminier- und Ätzprozesse miteinander verbunden und strukturiert werden. Prepregs sind dabei mit Epoxid getränkte Glasfasermatten (Prepreg = „preimpregnated fibers“, deutsch: „vorimprägnierte Fasern“). Als Leiterplatten-Kerne werden vorverpresste Schichtungen mit einer Kupferfolie - Prepreg - Kupferfolie Abfolge bezeichnet.
Gemäß der Norm EN IEC 60664-1, die die Auslegung von Luft- und Kriechstrecken betrifft, kann zwischen einzelnen Prepreg-Lagen von einer Feststoffisolierung ausgegangen werden, weshalb hier keine Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden müssen. Entlang einer Prepreglage können jedoch diverse Ausfallerscheinungen auftreten (z.B. eine Delamination der Prepreglagen), so dass nicht von einer Feststoffisolierung zwischen zwei Potentialen innerhalb einer Lage ausgegangen werden darf, sondern gemäß der genannten Norm eine Kriechstrecke anzunehmen ist. Eine Kriechstrecke ist dabei die kürzeste erlaubte Entfernung entlang der Oberfläche eines Isolierstoffes zwischen zwei leitenden Teilen.
Dabei müssen Kriechstrecken in den Lagen einer Leiterplatte auch zum Rand der Leiterplatte und damit auch zur Mantelfläche von Durchgangsbohrungen in der Leiterplatte eingehalten werden. Insbesondere ist es üblich, in Durchgangsbohrungen der Leiterplatte Metallschrauben einzusetzen, die die Leiterplatte an einen Kühlkörper anbinden und die damit auf dem Kühlkörperpotential liegen. Dementsprechend ist es erforderlich, in den Innenlagen und Außenlagen um die Durchgangsbohrungen umlaufend Kriechstrecken vorzusehen, die eine gewisse Kriechstrecke einhalten.
Das Einhalten von Kriechstrecken in den Lagen einer Leiterplatte zu Durchgangsbohrungen in der Leiterplatte führt nachteilig zu relativ großen elektrisch ungenutzten Bereichen der Leiterplatte. Da die Schraubverbindungen und damit die Durchgangsbohrungen nahe an den aktiven Bauelementen einer Leiterplattenanordnung liegen müssen, um diese sinnvoll an die Kühlfläche des Kühlkörpers anpressen zu können, stellt jede Durchgangsbohrung und Schraubverbindung nahe der aktiven Bauelemente eine signifikante Beeinflussung der elektrischen Performance der Leiterplatte dar, die zu einer limitierten Stromtragfähigkeit bzw. einem reduzierten Kupferquerschnitt sowie durch den reduzierten Kupferquerschnitt zu einer zusätzlichen parasitären elektrischen Induktivität und einem zusätzlichen Widerstand führen.
Dieses Problem wird weiter verschärft durch den Umstand, dass die Durchgangsbohrungen in der Leiterplatte typischerweise durch eine ringförmige KupferLage auf der Oberfläche der Leiterplatte sowie zusätzliche Kupfervias verstärkt werden. Eine Verstärkung der Durchgangsbohrung ist dabei sinnvoll, da der Schraubkopf der Metallschrauben ansonsten in das eher weiche Prepreg-Material der obersten Lage der Leiterplatte einsinken und die Leiterplatte beschädigen könnte. Durch die Verwendung solcher zusätzlicher Kupferlagen und Kupfervias sind die in den einzelnen Leiterplattenlagen für die Realisierung der Kriechstrecke bereitzustellenden Abstände zur Durchgangsbohrung noch erhöht, so dass die ungenutzten Bereiche der Leiterplatte weiter zu nehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplatte bereitzustellen, die eine effektive Nutzung auch derjenigen Bereiche einer Leiterplatte ermöglicht, die an Durchgangsbohrungen in der Leiterplatte angrenzen.
Diese Aufgabe wird durch eine Leiterplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach betrachtet die Erfindung in einem ersten Erfindungsaspekt eine Leiterplatte, die eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Leiterplattenlagen aufweist. In die Leiterplatte sind Durchgangsbohrungen integriert, die der Aufnahme von Metallschrauben dienen, die die Leiterplatte mit einem Kühlkörper verschrauben. Es ist vorgesehen, dass in die Leiterplatte Isolationshülsen aus einem Isolationsmaterial integriert sind, wobei die Durchgangsbohrungen im Bereich der Isolationshülsen in der Leiterplatte ausgebildet sind.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die nutzbaren Bereiche einer Leiterplatte zu erhöhen, indem in den Durchgangsbohrungen der Leiterplatte ausgebildete Kupfervias vermieden und stattdessen jeweils durch eine Isolationshülse ersetzt werden, wobei die Durchgangsbohrungen in den Isolationshülsen ausgebildet sind. Durch die Vermeidung von Kupfervias ist es möglich, dass die Metalllagen der Leiterplatte unter Einhaltung der erforderlichen Kriechstrecken näher an die Durchgangsbohrungen herangeführt werden. Die Erfindung ermöglicht somit eine bessere Ausnutzung von Leiterplattenflächen im Bereich der Befestigungsbohrungen. Gleichzeitig wird durch die Isolationshülsen eine ausreichende mechanische Festigkeit im Bereich der Durchgangsbohrungen bereitgestellt, wobei die Durchgangsbohrungen durch die Isolationshülsen verstärkt werden.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht dabei, die Abstände sowohl der Metallinnenlagen als auch der Metallaußenlagen der Leiterplatte zur Durchgangsbohrung zu verringern.
Ein weiterer, mit der vorliegenden Erfindung verbundener Vorteil besteht in der Ermöglichung eines erhöhten Kupferquerschnitts innerhalb der Leiterplatte, da eine Kupferlage sich weiter zu den Durchgangsbohrungen erstrecken kann und dementsprechend eine größere Gesamtfläche bildet. Dies wiederum ermöglicht eine erhöhte Leistungsdichte, eine verbesserte Miniaturisierung gegenüber Befestigungen der Leiterplatte an einem Kühlkörper gemäß dem Stand der Technik und eine Verbesserung der thermischen Anbindung durch Erhöhung des Kupferanteils in der Leiterplatte.
Ein Isolationsmaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jeder Nichtleiter und damit jedes Material, dessen elektrische Leitfähigkeit bei 20°C bei weniger als 10^-8 S·cm^-1 liegt (bzw. das bei 20°C einen spezifischen Widerstand von über 10⁸ Ω·cm aufweist). Dabei ist „S“ die Maßeinheit des elektrischen Leitwerts. Ausgestaltungen sehen vor, dass die durch das Isolationsmaterial bereitgestellt Kriechstromfestigkeit einen CTI-Wert (CTI = „Comparative Tracking Index“) aufweist, der bei mindestens 175 und insbesondere im Bereich zwischen 175 und 600, insbesondere im Bereich zwischen 400 und 600 liegt. Damit stellt das Isolationsmaterial eine hohe elektrische Isolation bereit.
Weitere Parameter des Isolationsmaterials betreffen seine thermo-mechanische Festigkeit und seinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. So kann eine hohe thermo-mechanische Festigkeit vorgesehen sein, um die Anpresskräfte aufzunehmen, die einerseits von dem Schraubenkopf einer in die Durchgangsöffnung eingesetzten Metallschraube und andererseits von einem angepressten Kühlkörper übertragen werden. Weiter kann das Isolationsmaterial einen thermischen Ausdehnungskoeffizient besitzen, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Leiterplattenmaterials entspricht, so dass bei Temperaturänderungen keine Spalte oder Spannungen zwischen dem Isolationsmaterial und dem Leiterplattenmaterial entstehen. Das Leiterplattenmaterial ist wie bereits ausgeführt insbesondere durch Prepreg-Lagen (z.B. aus FR-4) als nicht leitendendem Trägermaterial sowie Metalllagen, insbesondere Kupferlagen gebildet.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Isolationshülse eine mechanische Druckfestigkeit aufweist, die größer ist als die mechanische Druckfestigkeit des nichtleitenden Materials der Leiterplattenlagen, also der beispielsweise aus FR 4-bestehenden Prepreg-Lagen. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Isolationshülsen die Durchgangsbohrungen der Leiterplatte mechanisch verstärken, ohne dass eine Verstärkung durch Kupfervias erforderlich wäre.
Das Isolationsmaterial kann aus einer breiten Anzahl von elektrische isolierenden Materialien gewählt werden. Ausgestaltungen sehen vor, dass das Isolationsmaterial durch einen Kunststoff oder glasfaserverstärkten Kunststoff oder eine Keramik gebildet ist. Beispiele für geeignete Keramiken sind Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirconium(IV)-oxid (ZrO₂) und Siliciumnitrid (Si₃N₄). Beispiele für geeignete glasfaserverstärkte Kunststoffe sind mit Glasfasern gefüllte Polyamide (z.B. PA GF30) und mit Glasfasern gefüllte Polycarbonate (z.B. PC GF30).
Wie bereits angemerkt, weist das Isolationsmaterial bevorzugt einen CTI-Wert der Kriechstromfestigkeit von mindestens 175, insbesondere im Bereich zwischen 175 und 600, insbesondere im Bereich zwischen 400 und 600 auf (CTI = „Comparative Tracking Index“).
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Isolationshülsen in eine eingefräste Kavität der Leiterplatte eingebettet sind. Hierdurch lassen sich die Isolationshülsen in einfacher Weise nachträglich in die Leiterplatten integrieren. Die Isolationshülsen werden dabei aus dem Isolationsmaterial vorgefertigt und in die eingefräste Kavität eingesetzt.
Weiter kann vorgesehen sein, dass eine Zwischenschicht aus Kunststoff zwischen der Isolationshülse und der Leiterplatte ausgebildet ist, wobei die Zwischenschicht eine Außenhülse bildet, die die Isolationshülse umgibt. Eine solche Zwischenschicht kann beispielsweise durch ein Epoxidharz oder ein Silikon gebildet sein. Die Ausbildung einer Zwischenschicht ermöglicht es, die Isolationshülse ohne Spalte in der Leiterplatte anzuordnen. So kann die Zwischenschicht nach Einsetzen der Isolationshülse in eine eingefräste Kavität in ein gegebenenfalls vorhandenes freies Volumen zwischen der Isolationshülse und dem Rand der Kavität eingepresst werden.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Isolationshülse durch eine oberste Leiterplattenlage und/oder eine unterste Leiterplattenlage der Leiterplatte abgedeckt ist. Hierdurch ist die Isolationshülse vollständig in die Leiterplatte integriert. Grundsätzlich ist es jedoch alternativ möglich, dass die Isolationshülse sich bis in die äußersten Leiterplattenlagen der Leiterplatte erstreckt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass an der Oberseite und/oder der Unterseite der Leiterplatte oberhalb bzw. unterhalb der Isolationshülse eine zusätzliche Metallfläche (insbesondere Kupferfläche) ausgebildet ist. Diese zusätzliche Metallfläche stellt eine zusätzliche mechanische Steifigkeit an der Oberseite der Leiterplatte in dem Bereich, an dem der Schraubenkopf der Metallschraube auf der Leiterplatte aufliegt, und/oder an der Unterseite der Leiterplatte in dem Bereich, der an einen Kühlkörper angepresst wird, bereit.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die zusätzliche Metallfläche auf der obersten Leiterplattenlage und/oder auf der untersten Leiterplattenlage ausgebildet ist und sich zusätzlich in Mikrobohrungen der jeweiligen Leiterplattenlage erstreckt, wodurch eine zusätzliche Metallisierung der obersten bzw. untersten Leiterplattenlage im Bereich der Durchgangsbohrung bereitstellt wird, um die Steifigkeit der Leiterplatte in diesem Bereich weitergehend zu verstärken. Die Mikrobohrungen können als Sacklöcher ausgebildet sein.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest einige der in der Leiterplatte vorhandenen Metalllagen sich bis an den Außenrand der Isolationshülse erstrecken, wobei bei in die Durchgangsbohrung eingeschraubter Metallschraube durch die Isolationshülse eine ausreichende Kriechstrecke zwischen der jeweiligen Metalllage und der Metallschraube realisiert ist. Die Abmessungen der Isolationshülse sind somit derart, dass die Metalllagen bis an die Isolationshülse heranragen können, so dass die an die Durchgangsbohrungen heranreichenden Bereiche der Leiterplattenlagen optimal genutzt werden können.
Die Bezeichnung der Isolationshülse als „Hülse“ erfolgt lediglich insofern, als die Isolationshülse die Durchgangsbohrung umgibt und insofern für die Durchgangsbohrung eine Hülse darstellt. Der Form der Isolationshülse ist jedoch nicht auf eine Zylinderform bzw. - nach Ausbildung der Durchgangsbohrung in der Isolationshülse - eine hohlzylindrische Form beschränkt (die im Sinne der vorliegenden Erfindung ebenfalls als zylindrisch bezeichnet wird). Beispielsweise kann die Isolationshülse quaderförmig (mit rechteckigem Querschnitt) ausgebildet sein. Grundsätzlich kann die Isolationshülse auch andere Formen annehmen, beispielsweise als Konus ausgebildet sein.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte gemäß Anspruch 1. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Bereitstellen einer Leiterplatte, die eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Leiterplattenlagen aufweist,
- Einfräsen einer Kavität in die Leiterplatte, wobei die Kavität zumindest einige der Leiterplattenlagen der Leiterplatte erfasst (d.h. durchgreift),
- Einsetzen einer Isolationshülse aus einem Isolationsmaterial in die Kavität,
- Auffüllen eines freien Volumens in der Kavität, das sich zwischen der eingesetzten Isolationshülse und dem Rand der Kavität erstreckt, mit einem Kunststoff, sofern ein solches freies Volumen nach dem Einsetzen der Isolationshülse vorhanden ist, und
- Bohren einer Durchgangsbohrung durch die Isolationshülse.

Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass beim Einfräsen einer Kavität in die Leiterplatte die Kavität oberhalb der untersten Leiterplattenlage der Leiterplatte endet, so dass die Kavität keine Durchgangsbohrung, sondern eine Sackbohrung in der Leiterplatte bildet. Dies erleichtert es, im nachfolgenden Schritt die Isolationshülse in die Kavität einzusetzen.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Leiterplatte nach dem Einsetzen der Isolationshülse und dem Auffüllen des freien Volumens in der Kavität an ihrer Oberseite mit einer nichtleitenden Leiterplattenlage versehen wird, die die Isolationshülse oben abdeckt. Hierdurch wird die Isolationshülse nach außen vollständig abgedeckt und die Handhabung der Einbringung einer Metallschraube kann in an sich bekannter Weise auf einer üblichen Leiterplattenlage erfolgen.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass an der Oberseite und/oder der Unterseite der Leiterplatte oberhalb bzw. unterhalb der Isolationshülse eine zusätzliche Metallfläche bzw. Kupferfläche ausgebildet wird. Dies erhöht die mechanische Steifigkeit an der Oberseite bzw. der Unterseite der Leiterplatte. Dabei kann vorgesehen sein, dass die zusätzliche Metallfläche sich im Bereich der obersten Leiterplattenlage und/oder im Bereich der untersten Leiterplattenlage zusätzlich in Mikrobohrungen in der jeweiligen Leiterplattenlage erstreckt, um die jeweilige Leiterplattenlage lokal mechanisch zu stärken.
Das Auffüllen eines freien Volumens in der Kavität mit einem Kunststoff kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass in einem Pressvorgang das freie Volumen mit Epoxidharz aufgefüllt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch in einer Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte, in die eine Isolationshülse aus einem Isolationsmaterial integriert ist, wobei eine Durchgangsbohrung im Bereich der Isolationshülse ausgebildet ist;
2a-2c schematisch Verfahrensschritte zur Herstellung einer Leiterplatte gemäß 1;
3 eine Abwandlung der Leiterplatte der 1, wobei an der Oberseite und/oder der Unterseite der Leiterplatte eine zusätzliche Metallfläche ausgebildet ist;
4 eine Leiterplatte gemäß dem Stand der Technik, wobei die Leiterplatte mittels Metallschrauben mit einem metallischen Kühlkörper verschraubt ist;
5 eine Leiterplatte gemäß der 4, wobei die Durchgangsbohrung in der Leiterplatte durch eine ringförmige Kupferlage auf der Oberfläche der Leiterplatte sowie eine Durchkontaktierung aus Kupfer (Kupfervia) verstärkt ist;
6 schematisch die Darstellung von erforderlichen Abständen zwischen Metalllagen der Leiterplatte, wenn die Durchgangsbohrung entsprechend der 5 mit zusätzlichen Kupferlagen versehen ist; und
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Leiterplatte.

Zum besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine Leiterplattenanordnung gemäß dem Stand der Technik anhand der 4 beschrieben.
Die 4 zeigt eine Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte 1 und einen metallischen Kühlkörper 4 umfasst. Die Leiterplatte 1 besteht aus einer Vielzahl von Leiterplattenlagen 10, die übereinander angeordnet sind. Dabei bildet eine oberste Leiterplattenlage 11 eine Oberseite der Leiterplatte 1 und eine unterste Leiterplattenlage 12 eine Unterseite der Leiterplatte 1.
Die Leiterplatte 1 ist über Metallschrauben 2 mit dem Kühlkörper 4 verschraubt. Die Metallschrauben 2 sind dabei in Durchgangsbohrungen 15 in die Leiterplatte eingesetzt und erstrecken sich in eine entsprechende Öffnung 45 des Kühlkörpers, die beispielsweise mit einem nicht dargestellten Innengewinde versehen ist. Die Metallschrauben 2 weisen dabei einen Schraubenkopf 2 und einen Schraubenschaft 22 auf, wobei der Schraubenkopf 2 über eine metallische Unterlegscheibe 3 auf der Oberseite der Leiterplatte 1 aufliegt und der Schraubenschaft 22 durch die Durchgangsbohrung 15 der Leiterplatte 1 in die Öffnung 45 des Kühlkörpers 4 eingeschraubt ist.
Durch die Schrauben 2 wird die Unterseite der Leiterplatte 1 an die Oberfläche 40 des Kühlkörpers 4 zur Bereitstellung eines guten thermischen Übergangs angepresst.
Der Kühlkörper 4 besteht aus einem Metall wie zum Beispiel Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und ist somit elektrisch leitend. Er liegt typischerweise auf dem Erdpotenzial oder alternativ einem anderen Potenzial. Dies bedeutet, dass die mit dem Kühlkörper 4 in Kontakt tretende Metallschraube 2 ebenfalls mit dem Erdpotenzial oder dem anderen Potenzial des Kühlkörpers 4 beaufschlagt ist.
Die einzelnen Leiterplattenlagen 10 der Leiterplatte 1 sind beispielsweise durch Prepreg-Lagen, d.h. mit Epoxid getränkte Glasfasermatten, und Kupferlagen gebildet, die in an sich bekannter Weise durch Laminier- und Ätzprozesse miteinander verbunden und strukturiert sind. Die Leiterplatte 1 kann auch Leiterplatten-Kerne („PCB-cores“) enthalten. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird zwischen Prepreg-Lagen und Leiterplatten-Kernen nicht unterschieden. Die Konturen der Leiterplatte 1 werden mit Fräs- und Bohrprozessen realisiert. Gemäß der Norm EN IEC 60664-1 zur Auslegung von Luft- und Kriechstrecken wird zwischen einzelnen Prepreg-Lagen (in vertikaler Richtung der 6) von einer Feststoffisolierung ausgegangen, so dass zwischen Prepreg-Lagen keine Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden müssen. Entlang einer Prepreg-Lage (horizontale Ebene der 6) besteht jedoch die Gefahr von Ausfallerscheinungen zum Beispiel durch Delamination der Prepreg-Lagen, so dass nicht von einer Feststoffisolierung zwischen zwei Potentialen innerhalb einer Lage ausgegangen werden darf. Dementsprechend sind innerhalb einer Prepreg-Lage Kriechstrecken zu berücksichtigen, die die kürzeste erlaubte Entfernung entlang der Oberfläche zwischen zwei leitenden Teilen angeben.
Da wie erläutert die Schrauben 2 mit dem Erdpotenzial (oder einem anderen Potenzial des Kühlkörpers 4) beaufschlagt sind, sind dabei auch innerhalb der Prepreg-Lagen 10 Kriechstrecken bereitzustellen. Eine solche Kriechstrecke 72 ist in der 6 dargestellt. Eine weitere Kriechstrecke 71 bezieht sich auf den Abstand zwischen einer Kupferlage und der Unterlegscheibe 3 auf der Oberseite der Leiterplatte 1. Die Notwendigkeit der Bereitstellung von Kriechstrecke 72 in den einzelnen Prepreg-Lagen führt zu ungenutzten Randbereichen um die Durchgangsbohrungen 15 herum. Hierdurch wird der Kupferquerschnitt bei jedem Befestigungspunkt reduziert und die elektrische Performance der Leiterplatte 1 beeinträchtigt.
Die 5 zeigt eine Variante der Leiterplatte der 4 gemäß dem Stand der Technik, bei der eine Durchkontaktierung (Via) 51 aus Kupfer in der Durchgangsbohrung 15 der Leiterplatte 1 ausgebildet ist, um die Durchgangsbohrung 15, die das Schraubloch für die Metallschraube 15 darstellt, zu verstärken. Um die Verbindung und Haftfestigkeit der Durchkontaktierung 51 in der Durchgangsbohrung 15 zu sichern, sind dabei weitere Kupferstrukturen vorgesehen, nämlich zum einen Kupferlagen 52 auf der Oberseite bzw. Unterseite der Leiterplatte sowie Kupferkanäle 53, die sich beabstandet zur Durchgangsbohrung 50 senkrecht in der Leiterplatte 1 erstrecken. Des Weiteren kann eine zusätzliche ringförmige Kupferlage 54 beispielsweise zwischen Unterlegscheibe 3 und Schraubenkopf 21 vorgesehen sein (oder umgekehrt).
Die 6 verdeutlicht, was solche zusätzlichen Kupferstrukturen 51-53 zur Bereitstellung einer Durchkontaktierung für die Kriechstrecken und damit die Mindestabstände der Kupferlagen der Leiterplatte zur Durchgangsbohrung 15 bedeuten. So sind Kriechstrecken 73, 74 auf der Oberseite und in den Innenlagen zwischen den Kupferstrukturen 53 und den Kupferlagen 10, 11 einzuhalten. Der insgesamt nicht nutzbare Bereich auf der Oberseite der Leiterplatte 1 um die Durchgangsbohrung 15 herum ist dabei als d1 gekennzeichnet. Er liegt beispielsweise im Bereich zwischen 12 mm und 20 mm.
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte 1. Der in der 4 dargestellte Kühlkörper 4 ist nicht mehr dargestellt und kann entsprechend der 4 oder in anderer Weise ausgebildet sein.
Die Leiterplatte 1 umfasst eine Vielzahl von Leiterplattenlagen 10, die übereinander angeordnet sind. Dabei bildet eine oberste Leiterplattenlage 11 eine Oberseite der Leiterplatte 1 und eine unterste Leiterplattenlage 12 eine Unterseite der Leiterplatte 1. Zur Ausbildung der Leiterplattenlagen 10 wird auf die Beschreibung der 4 hingewiesen. Die Leiterplattenlagen 10 werden somit beispielsweise durch Prepreg-Lagen und Kupferlagen gebildet. Auch können eine oder mehrere der Leiterplattenlagen 10-12 durch eine Prepreg-Lage und eine oder mehrere Kupferlagen gemeinsam gebildet sein. So ist zum Beispiel bei der 1 die oberste Lage durch eine Prepeg-Lage 11a (zum Beispiel aus FP-4) und eine darauf noch ausgebildete Kupferlage 11b gebildet.
Die Leiterplatte 1 weist eine Durchgangsbohrung 15 auf, die dazu dient, zusammen mit weiteren entsprechenden Durchgangsbohrungen 15 die Leiterplatte 1 mittels Metallschrauben an einem Kühlkörper festzuschreiben. Dabei ist vorgesehen, dass in die Leiterplatte 1 im Bereich der Durchgangsbohrung 15 eine Isolationshülse 6 integriert ist. Die Isolationshülse 6 erstreckt sich im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen der obersten Lage 11 a und der untersten Lage 12, wird durch diese somit abgedeckt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Isolationshülse 6 sich bis zur jeweiligen Oberfläche und damit auch durch die oberste Lage 11 a und die unterste Lage 12 erstreckt.
Die Durchgangsbohrung 15 erstreckt sich durch die Isolationshülse 6. Sie ist somit als Bohrung durch die oberste Leiterplattenlage 11a, die Isolationshülse 6 und die unterste Leiterplattenlage 12 ausgebildet. Sofern sich gemäß dem genannten alternativen Ausführungsbeispiel die Isolationshülse 6 bis zur jeweiligen Oberfläche der Leiterplatte 1 erstreckt, ist die Durchgangsbohrung 15 ausschließlich in der Isolationshülse 6 ausgebildet.
Die Isolationshülse 6 besteht aus einem Isolationsmaterial, das grundsätzlich durch einen beliebigen Nichtleiter gebildet sein kann. Es wird beispielsweise durch einen glasfaserverstärkten Kunststoff oder eine Keramik gebildet. Beispiele für geeignete Isolationsmaterialien sind Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirconium(IV)-oxid (ZrO₂), Siliciumnitrid (Si₃N₄), mit Glasfasern gefüllte Polyamide (z.B. PA GF30) und mit Glasfasern gefüllte Polycarbonate (z.B. PC GF30).
Das Material der Isolationshülse 6 ist härter und weist eine höhere mechanische Druckfestigkeit als das nichtleitende Material der Leiterplatte 1 auf, so dass durch die Isolationshülse 6 eine mechanische Stabilität für die Durchgangsbohrung 15 bereitgestellt wird, die es erlaubt, von der Ausbildung von Durchkontaktierungen und zusätzlichen Kupferlagen auf der Oberfläche der Leiterplatte gemäß den 5 und 6 zur Verstärkung der Durchgangsbohrung 15 abzusehen. Der insgesamt nicht nutzbare Bereich auf der Oberseite der Leiterplatte 1 um die Durchgangsbohrung 15 herum reduziert sich dabei auf einen Durchmesser d2, der kleiner ist als der Durchmesser d1 der 6 und beispielsweise im Bereich zwischen 6 mm und 10 mm liegt.
Weiter kann vorgesehen sein, dass das Isolationsmaterial einen CTI-Wert der Kriechstromfestigkeit von mindestens 175, insbesondere im Bereich zwischen 175 und 600, insbesondere im Bereich zwischen 400 und 600 auf. Das Isolationsmaterial weist somit eine hohe elektrische Festigkeit auf.
Darüberhinaus besitzt das Isolationsmaterial bevorzugt auch eine hohe thermo-mechanische Festigkeit, um die Anpresskräfte aufzunehmen, die auftreten, wenn ein Schraubenkopf Kräfte in die Leiterplatte 1 einleitet und diese an einen Kühlkörper angepresst wird.
Das Isolationsmaterial besitzt bevorzugt des Weiteren einen thermischen Ausdehnungskoeffizient, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des nicht leitenden Materials der Leiterplatte (also der Prepreg-Lagen) entspricht oder von diesem nicht substantiell abweicht (beispielsweise maximal 20 % bezogen auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Prepreg-Lagen). Hierdurch wird sichergestellt, dass es bei Temperaturänderungen nicht zu einem Auftreten von Spannungen oder Spalten zwischen der Isolationshülse und dem Leiterplattenmaterial kommt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Isolationshülse 6 in der 1 derart bemessen ist, dass die Kupferinnenlagen 10 (also die Kupferlagen der inneren Leiterplattenlagen) im Wesentlichen bis an die Isolationshülse 6 heranragen können. Damit können die Metalllagen der Leiterplatte unter Einhaltung der erforderlichen Kriechstrecken möglichst nah an die Durchgangsbohrung 15 herangeführt werden.
Die 2a bis 2e zeigen beispielhaft ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte gemäß der 1. Gemäß der 2a wird in einer Leiterplatte 1 eine Kavität 7 ausgebildet. Diese wird beispielsweise von oben in die Leiterplatte 1 eingefräst. Dabei ist im dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Kavität 7 oberhalb der untersten Leiterplattenlage 12 endet, so dass diese einen Aufnahmeboden für eine einzusetzende Isolationshülse bildet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Kavität 7 sich vollständig durch die Leiterplatte 1 erstreckt, für welchen Fall unterhalb der Leiterplatte 1 eine temporäre Unterlage zur Abstützung der Isolationshülse bereitzustellen ist.
Gemäß der 2b wird anschließend die Isolationshülse 6 in die Kavität 7 eingesetzt. Dabei kann vorgesehen sein, dass sich zwischen der Außenfläche der Isolationshülse 6 und dem Rand der Kavität 7 ein freies Volumen 71 erstreckt. Ob dies der Fall ist oder nicht hängt naturgemäß von den Abmessungen der einzusetzenden Isolationshülse 6 ab. Wenn die Isolationshülse 6 beispielsweise mit einem Presssitz in die Kavität 7 eingesetzt wird, entfällt das freie Volumen 71.
Sofern entsprechend der 2b ein freies Volumen 71 vorliegt, wird dieses gemäß der 2c mit einem Kunststoff 60 gefüllt. Hierzu wird beispielsweise ein Epoxidharz 60 in das freie Volumen 71 eingepresst. Der Kunststoff 60 kann dabei ebenfalls eine größere Härte und mechanische Druckfestigkeit als das nichtleitende Material der Leiterplatte 1 aufweisen. Die Zwischenschicht 60 bildet dabei eine Außenhülse für die Isolationshülse 6. Sie kann als Teil einer Isolationshülse 6 angesehen werden, die aus zwei in radialer Richtung aufeinanderfolgenden Schichten besteht.
Gemäß der 2d wird anschließend eine obere Leiterplattenlage (Prepreg-Lage) 11a auf die Leiterplatte 1 aufgebracht, die die Isolationshülse 6 oben abdeckt. Weiter können zusätzliche Kupferlagen 11b auf der Oberseite der Leiterplatte 1 ausgebildet werden. Abschließend wird gemäß der 2e die Durchgangsbohrung 15 eingebracht, die sich durch die Isolationshülse 6 erstreckt.
Die 7 zeigt zusammenfassend ein Ablaufdiagramm eines solchen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung. Gemäß Schritt 701 wird zunächst eine Leiterplatte bereitgestellt, die eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Leiterplattenlagen aufweist. Gemäß Schritt 702 wird eine Kavität in die Leiterplatte eingefräst, wobei die Kavität zumindest einige der Leiterplattenlagen der Leiterplatte erfasst. Anschließend wird gemäß Schritt 703 eine Isolationshülse aus einem Isolationsmaterial in die Kavität eingesetzt.
Sofern vorhanden, wird in Schritt 704 ein freies Volumen in der Kavität, das sich zwischen der eingesetzten Isolationshülse und dem Rand der Kavität erstreckt, mit einem Kunststoff, beispielsweise einem Epoxidharz aufgefüllt. Abschließend wird in Schritt 705 eine Durchgangsbohrung durch die Isolationshülse gebohrt.
Die 3 zeigt eine Abwandlung der Leiterplatte der 1, bei der zusätzlich oberhalb und unterhalb der Isolationshülse 6 eine zusätzliche Kupferfläche 81, 82 auf die oberste bzw. unterste Leiterplattenlage 11a, 12 aufgebracht ist. Dabei ist vorgesehen, dass sich die zusätzliche Kupferfläche 81, 82 in Mikrobohrungen 810, 820 der jeweiligen Leiterplatte 11a, 12 erstreckt. Durch die zusätzlichen Kupferflächen 81, 82 und die Mikrobohrungen 810, 820 werden eine zusätzliche mechanische Steifigkeit der obersten Leiterplattenlage 11a unterhalb des Schraubenkopfs (siehe Schraubenkopf 21 der 4) und der untersten Leiterplattenlage 12 angrenzend an einen Kühlkörper bereitgestellt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Leiterplatte 1 in den Figuren nur schematisch und beispielhaft dargestellt ist. Zum Beispiel kann eine wesentlich größere Anzahl an Leiterplattenlagen vorgesehen sein. Auch weist die Leiterplatte 1 eine Mehrzahl von Durchgangsbohrungen 15 zur Aufnahme von Schrauben auf. Weiter können nicht dargestellte aktive Bauelemente auf der Leiterplatte 1 angeordnet und/oder in diese integriert sein.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.

Claims

Leiterplatte, die aufweist: - eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Leiterplattenlagen (10), - wobei in die Leiterplatte (1) Durchgangsbohrungen (15) integriert sind, die geeignet sind zur Aufnahme von Metallschrauben (2), die die Leiterplatte (1) mit einem Kühlkörper (4) verschrauben, dadurch gekennzeichnet, dass in die Leiterplatte (1) Isolationshülsen (6) aus einem Isolationsmaterial integriert sind, wobei die Durchgangsbohrungen (15) im Bereich der Isolationshülsen (6) in der Leiterplatte (1) ausgebildet sind.
Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationshülsen (6) eine mechanische Druckfestigkeit aufweisen, die größer ist als die mechanische Druckfestigkeit des nichtleitenden Materials der Leiterplatte (1).
Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial durch einen Kunststoff oder glasfaserverstärkten Kunststoff oder eine Keramik gebildet ist.
Leiterplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial einen CTI-Wert der Kriechstromfestigkeit von mindestens 175, insbesondere im Bereich zwischen 400 und 600 aufweist.
Leiterplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationshülsen (6) in eine eingefräste Kavität (7) der Leiterplatte (1) eingebettet sind.
Leiterplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenschicht (60) aus Kunststoff zwischen der Isolationshülse (6) und der Leiterplatte (1) ausgebildet ist, wobei die Zwischenschicht (60) eine Außenhülse bildet, die die Isolationshülse (6) umgibt.
Leiterplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (60) aus einem Epoxidharz oder Silikon gebildet ist.
Leiterplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationshülse (6) durch eine oberste Leiterplattenlage (11a) und/oder eine unterste Leiterplattenlage (12) der Leiterplatte (1) abgedeckt ist.
Leiterplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberseite und/oder der Unterseite der Leiterplatte (1) oberhalb bzw. unterhalb der Isolationshülse (6) eine zusätzliche Metallfläche (81, 82) ausgebildet ist.
Leiterplatte nach Anspruch 9, soweit rückbezogen auf Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Metallfläche (81, 82) auf der obersten Leiterplattenlage (11a) und/oder der untersten Leiterplattenlage (12) angeordnet ist und sich zusätzlich in Mikrobohrungen (810, 820) der jeweiligen Leiterplattenlage (11a, 12) erstreckt.
Leiterplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige von in der Leiterplatte (1) vorhandenen Metalllagen sich bis an den Außenrand der Isolationshülse (6) erstrecken, wobei die Isolationshülse (6) derart bemessen ist, dass bei in die Durchgangsbohrung (15) eingeschraubter Metallschraube (2) durch die Isolationshülse (6) eine ausreichende Kriechstrecke zwischen der jeweiligen Metalllage und der Metallschraube (2) realisiert ist.
Leiterplatte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationshülse (6) zylindrisch oder quaderförmig ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte gemäß Anspruch 1, mit den Schritten: - Bereitstellen einer Leiterplatte (1), die eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Leiterplattenlagen (10) aufweist, - Einfräsen einer Kavität (7) in die Leiterplatte (1), wobei die Kavität (7) zumindest einige der Leiterplattenlagen (10) der Leiterplatte (1) erfasst, - Einsetzen einer Isolationshülse (6) aus einem Isolationsmaterial in die Kavität (7), - Auffüllen eines freien Volumens (71) in der Kavität (7), das sich zwischen der eingesetzten Isolationshülse (6) und dem Rand der Kavität (7) erstreckt, mit einem Kunststoff (60), sofern ein solches freies Volumen nach dem Einsetzen der Isolationshülse (6) vorhanden ist, und - Bohren einer Durchgangsbohrung (15) durch die Isolationshülse (6).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfräsen einer Kavität (7) in die Leiterplatte (1) umfasst, dass die Kavität (7) oberhalb der untersten Leiterplattenlage (12) der Leiterplatte (1) endet.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (1) nach dem Einsetzen der Isolationshülse (6) und dem Auffüllen des freien Volumens in der Kavität (7) an ihrer Oberseite mit einer nichtleitenden Leiterplattenlage (11a) versehen wird, die die Isolationshülse (6) oben abdeckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberseite und/oder der Unterseite der Leiterplatte (1) oberhalb bzw. unterhalb der Isolationshülse (6) eine zusätzliche Metallfläche (81, 82) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Auffüllen eines freien Volumens in der Kavität (7) mit einem Kunststoff (60) erfolgt, indem das freie Volumen in einem Pressvorgang mit Epoxidharz aufgefüllt wird.