DE102022120294A1

DE102022120294A1 - Leiterplattenanordnung

Info

Publication number: DE102022120294A1
Application number: DE102022120294.1A
Authority: DE
Inventors: Uwe Waltrich; Stanley BUCHERT; Marco Bohlländer
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2022-08-11
Filing date: 2022-08-11
Publication date: 2024-02-22
Also published as: WO2024033302A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte mit einer Oberseite (11), einer Unterseite (12), mehreren Metalllagen (13) und mehreren elektrisch isolierenden Lagen (14) aufweist. Die Leiterplattenanordnung umfasst des Weiteren einen metallischen Kühlkörper (3), auf dem die Leiterplatte (1) mit ihrer Unterseite (12) zumindest bereichsweise aufliegt, wobei der metallischen Kühlkörper (3) ein Kühlkörperpotenzial (φK) aufweist. Es ist vorgesehen, dass die unterste Metalllage (131) der Leiterplatte (1) auf das Kühlkörperpotenzial (φK) gelegt ist, während die anderen Metalllagen (132) der Leiterplatte (1) ein davon abweichendes elektrisches Potenzial aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es sind leiterplattenbasierte Leistungselektronikbaugruppen bekannt, bei denen Leistungshalbleiter eingebettet in elektrische Module an die Unterseite einer mehrlagigen Leiterplatte bzw. Trägerplatine gelötet und damit elektrisch kontaktiert sind. Die jeweils mit einem Leistungshalbleiter versehenen elektrischen Module werden auch als Prepackage-Module bezeichnet. Zur Kühlung der Prepackage-Module ist es bekannt, dass die Prepackage-Module in Kavitäten eines Kühlkörpers hineinragen und über ein thermisches Schnittstellenmaterial TIM (TIM = „Thermal Interface Material“) an den Kühlkörper gepresst werden. Seitlich dieser Kavitäten liegt die Trägerplatine auf dem Kühlkörper auf, so dass auch die Trägerplatine selbst durch den Kühlkörper gekühlt wird.
Eine mehrlagige Leiterplatte bzw. Trägerplatine umfasst Metalllagen und elektrisch isolierende Lagen. Bei den Metalllagen handelt es sich beispielsweise um Kupferlagen. Bei den elektrisch isolierenden Lagen handelt es sich beispielsweise um Lagen aus FR4 Material, die aus Epoxidharz und Glasfasergewebe bestehen. Wenn wie vorliegend betrachtet Prepackage-Module mit Leistungshalbleitern an einer Trägerplatine angeordnet werden, liegen die internen Kupferlagen der Trägerplatine auf einen Hochvoltpotenzial, das beispielsweise etwa 1000 V beträgt. Die elektrisch isolierenden Lagen der Trägerplatine sowie ein thermisches Schnittstellenmaterial, das typischerweise zwischen der Trägerplatine und dem Kühlkörper angeordnet ist, sorgen für eine elektrische Isolation zwischen den metallischen Lagen der Trägerplatine und dem elektrischen Potenzial des Kühlkörpers, das beispielsweise bei 0 V liegt.
Es besteht allerdings das Problem, dass es nicht zu vermeiden ist, dass das thermische Schnittstellenmaterial Lufteinschlüsse umfasst. So sind entweder im thermischen Schnittstellenmaterial selbst Lufteinschlüsse enthalten oder entstehen diese an der Schnittstelle zwischen dem thermischen Schnittstellenmaterial und der Leiterplatte. Da Luft im Vergleich zu den elektrisch isolierenden Lagen der Trägerplatine (z.B. FR4) eine deutlich geringere Permittivität aufweist, stellt sich in den Lufteinschlüssen ein deutlich stärkeres elektrisches Feld ein als in den isolierenden Lagen der Trägerplatine. Gleichzeitig besitzt Luft eine geringe Durchschlagfestigkeit, so dass Lufteinschlüsse die erhebliche Gefahr von Teilentladungen mit sich bringen. Teilentladungen führen zu einer Degradation des Leiterplattenmaterials und damit zu einer Verringerung der Isolationseigenschaften sowie der Lebensdauer der Leiterplatte. Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, die elektrisch isolierenden Lagen der Trägerplatine dicker auszugestalten oder die Trägerplatine beabstandet zum Kühlkörper anzuordnen. Hierdurch verschlechtert sich jedoch die thermische Anbindung der Trägerplatine an den Kühlkörper und werden die Raumerfordernisse und Materialkosten erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplattenanordnung mit einer elektrischen Leiterplatte und einem Kühlkörper bereitzustellen, die eine effektive elektrische Isolierung zwischen den Metalllagen der Leiterplatte und dem Kühlkörper bereitstellt, bei der die Gefahr von elektrischen Teilentladungen reduziert ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach betrachtet die Erfindung eine Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte mit einer Oberseite und einer Unterseite, mehreren Metalllagen und mehreren elektrisch isolierenden Lagen umfasst. Die Leiterplattenanordnung weist des Weiteren einen metallischen Kühlkörper auf, auf dem die Leiterplatte mit ihrer Unterseite zumindest bereichsweise aufliegt. Dabei weist der metallische Kühlkörper ein definiertes elektrisches Potential auf, das im Kontext der vorliegenden Erfindung als Kühlkörperpotenzial bezeichnet wird.
Es ist vorgesehen, dass die unterste Metalllage der Leiterplatte auf das Kühlkörperpotenzial gelegt ist, während die anderen Metalllagen der Leiterplatte ein davon abweichendes elektrisches Potenzial aufweisen.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Gedanken, die Potenzialdifferenz zwischen dem Kühlkörperpotenzial und dem Hochvoltpotenzial der Metalllagen in die Leiterplatte zu verlagern, nämlich zwischen die unterste Metalllage der Leiterplatte und die darüber angeordneten Metalllagen. Dies wird dadurch erreicht, dass die unterste Metalllage der Leiterplatte auf das gleiche Potenzial wie der Kühlkörper gelegt wird. Dabei dient die unterste Metalllage der Leiterplatte als Schirmung, wobei das elektrische Feld, das mit der Potenzialdifferenz einhergeht, innerhalb der Leiterplatte bleibt. Dementsprechend dient die elektrisch isolierende Lage (zum Beispiel FR4 Material) zwischen der untersten Metalllage und der sich daran anschließenden Metalllage als einzige Isolationslage zur Isolation der Trägerplatine gegenüber dem Kühlkörper. Im Gegensatz zu Luft besitzt die elektrisch isolierende Lage der Leiterplatte aber eine deutlich höhere Durchschlagfestigkeit, weshalb die Gefahr von Teilladungen minimiert wird.
Zwischen der untersten Metalllage der Leiterplatte und dem Kühlkörper besteht dagegen keine Potentialdifferenz bzw. elektrische Spannung, so dass die Gefahr von Teilentladungen in den Kühlkörper nicht besteht. Die erfindungsgemäße Lösung reduziert somit die Gefahr von Teilentladungen und verbessert damit die Isolationseigenschaften und die Lebensdauer der Leiterplatte bzw. der Trägerplatine.
Ein weiterer, mit der Erfindung verbundener Vorteil besteht darin, dass aufgrund des Umstandes, dass die Gefahr von Teilentladungen zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper vermieden wird, geringere Anforderungen an ein thermisches Schnittstellenmaterial zu stellen sind, das zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper zur thermischen Anbindung angeordnet ist. Insbesondere ist es unschädlich, wenn in einem solchen thermischen Schnittstellenmaterial Lufteinschlüsse vorhanden sind. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht damit auch eine effektive thermische Anbindung der Leiterplatte an den Kühlkörper und eine Verbesserung der Kühlung von Komponenten, die auf der Oberseite der Leiterplatte angeordnet sind.
Es wird darauf hingewiesen, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung stets diejenige Seite der Leiterplatte, die dem Kühlkörper zugewandt ist, als Unterseite der Leiterplatte bezeichnet wird, unabhängig von der räumlichen Orientierung der Leiterplatte und des Kühlkörpers.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die unterste Metalllage eine untere Außenlage der Leiterplatte ist. Bei dieser Ausgestaltung wird somit die unterste Lage der Leiterplatte, die die untere Außenlage darstellt, durch eine Metalllage gebildet. Diese untere Außenlage ist auf das Kühlkörperpotenzial gelegt.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die unterste Metalllage der Leiterplatte durch eine Innenlage gebildet wird. In diesem Fall ist die unterste Metalllage die unterste Innenlage der Metalllagen der Leiterplatte. Diese ist bei dieser Ausführungsvariante auf das Kühlkörperpotenzial gelegt.
Allgemein wird darauf hingewiesen, dass die weiteren Metalllagen der Leiterplatte, die nicht auf dem Kühlkörperpotenzial liegen, auf dem gleichen oder auf unterschiedlichen Potenzialen liegen können. Beispielsweise liegen sie auf einem Hochvoltpotenzial.
Damit die unterste Metalllage der Leiterplatte auf dem Potenzial des Kühlkörpers liegt, sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die unterste Metalllage und der Kühlkörper durch eine Kurzschlussstrecke miteinander verbunden sind, die einen elektrischen Kurzschluss zwischen der untersten Metalllage und dem Kühlkörper bereitstellt.
Eine Ausgestaltung sieht hierzu mindestens eine Schraubverbindung vor, die dazu vorgesehen und eingerichtet sind, die Leiterplatte gegen den Kühlkörper zu drücken. Dabei kann vorgesehen sein, dass die unterste Metalllage der Leiterplatte über die Schraubverbindung auf das Kühlkörperpotenzial gelegt ist. Die Schraubverbindung stellt dabei einen elektrischen Kurzschluss zwischen dem Kühlkörper und der untersten Metalllage bereit.
Das Legen der untersten Metalllage auf das Potenzial des Kühlkörpers mittels einer oder mehrerer Schraubverbindungen erfolgt in einer Ausgestaltung dadurch, dass

- die Schraubverbindung eine Metallschraube umfasst, die sich durch eine Montagebohrung der Leiterplatte erstreckt und in den metallischen Kühlkörper eingeschraubt ist,
- die Montagebohrung in der Leiterplattenebene, in der die unterste Metalllage ausgebildet ist, eine umlaufende Metallisierung aufweist, und
- die umlaufende Metallisierung in elektrischem Kontakt mit der untersten Metalllage steht oder durch diese gebildet ist.

Dabei wird die unterste Metalllage über die umlaufende Metallisierung und die Metallschraube auf das Potenzial des Kühlkörpers gelegt. Die umlaufende Metallisierung und die Metallschraube bilden eine Kurzschlussstrecke zwischen dem Kühlkörper und der untersten Metalllage.
Bei dem Potenzial des Kühlkörpers handelt es sich beispielsweise um das Massepotenzial, beispielsweise das geerdete Massepotenzial. Grundsätzlich kann der Kühlkörper jedoch auch ein anderes Potenzial aufweisen, wobei es lediglich erforderlich ist, dass die weiteren Metalllagen der Leiterplatte sich in ihrem Potenzial vom Potenzial des Kühlkörpers unterscheiden. Die anderen Metalllagen der Leiterplatte, die nicht mit dem Kühlkörperpotenzial beaufschlagt sind, sind beispielsweise mit einem Hochvoltpotenzial beaufschlagt. Trotz des großen Potenzialunterschiedes zwischen den aneinander angrenzenden Metalllagen ist die Gefahr von Teilentladungen minimiert, da die zwischen diesen Metalllagen angeordnete elektrisch isolierende Lage (z.B. FR4) eine deutlich höhere Durchschlagsfestigkeit als Luft besitzt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die unterste Metalllage mindestens 2/3, beispielsweise mindestens ¾ oder mindestens 4/5 der Leiterplattenfläche abdeckt. Je größer die prozentuale flächige Abdeckung der Leiterplatte durch die untere Metalllage, desto besser die bereitgestellte Schirmung und Sicherheit gegen Teilentladungen.
Eine weitere Ausgestaltung sieht mindestens ein elektrisches Modul vor, das an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist, wobei der Kühlkörper eine Kavität aufweist, in die das elektrische Modul hineinragt und wobei die Leiterplatte angrenzend an die Kavität auf dem Kühlkörper aufliegt. Hierdurch wird ein besonders effektiver Aufbau bereitgestellt, bei dem eine effektive Kühlung der elektrischen Module erfolgt, die seitlich der Kavität über ein thermisches Schnittstellenmaterial auf dem Kühlkörper aufliegende Leiterplatte ebenfalls eine Kühlung erfährt und gleichzeitig die Gefahr von Teilentladungen minimiert ist.
Eine Ausführungsvariante hierzu sieht vor, dass das elektrische Modul umfasst:

- einen keramischen Schaltungsträger, der eine isolierende Keramikschicht und eine auf der Oberseite der Keramikschicht angeordnete obere Metallisierungsschicht aufweist,
- ein elektrisches Bauelement, das auf der Oberseite der oberen Metallisierungsschicht angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist,
- eine Oberseite des elektrischen Moduls, die an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist, und
- eine Unterseite des elektrischen Moduls.

Dabei ist die Unterseite des elektrischen Moduls beispielsweise über ein thermisches Schnittstellenmaterial thermisch an den Kühlkörper angekoppelt.
Bei dem elektrischen Bauelement handelt es sich beispielsweise um den eigentlichen Leistungshalbleiter wie z.B. einen Leistungs-MOSFETs oder ein IGBT-Bauteil. Der keramische Schaltungsträger dient der elektrischen Isolation des elektrischen Bauelements zum Kühlkörper und gleichzeitig der thermischen Anbindung an den Kühlkörper. Der keramische Schaltungsträger bildet dabei zusammen mit dem Halbleiterbauelement und einer Umhüllung z.B. aus Vergussmaterial das elektrische Modul, das über an seiner Oberfläche ausgebildete Kontakte mit der Leiterplatte bzw. einer Trägerplatine verbindbar ist. Ein solches elektrisches Modul wird auch als Prepackage-Modul bezeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte, an der Unterseite der Leiterplatte angeordnete elektrische Module und einen Kühlkörper aufweist, wobei die Leiterplatte an ihrer Unterseite bereichsweise an dem Kühlkörper aufliegt und eine unterste Metalllage der Leiterplatte auf das elektrische Potenzial des Kühlkörpers gelegt ist;
2 einen Ausschnitt aus einer Leiterplattenanordnung gemäß der 1, in dem die Leiterplatte über ein thermisches Schnittstellenmaterial auf dem Kühlkörper aufliegt, wobei eine unterste metallische Innenlage der Leiterplatte auf das elektrische Potenzial des Kühlkörpers gelegt ist;
3 einen Ausschnitt aus einer Leiterplattenanordnung gemäß der 1, in dem die Leiterplatte über ein thermisches Schnittstellenmaterial auf dem Kühlkörper aufliegt, wobei eine unterste metallische Außenlage der Leiterplatte auf das elektrische Potenzial des Kühlkörpers gelegt ist;
4 eine Schnittdarstellung der Leiterplattenanordnung der 1 im Bereich einer Schraubverbindung, über die die Leiterplatte an den Kühlkörper angeschraubt ist, wobei die Schraubverbindung eine Metallschraube und eine umlaufende Metallisierung aufweist, die einen elektrischen Kurzschluss zwischen dem Kühlkörper und der untersten Metalllage der Leiterplatte bereitstellen;
5 die Leiterplattenanordnung der 4 in einer Ansicht von unten auf die Leiterplatte, wobei die Leiterplatte an ihrer Unterseite mit einer untersten Metalllage versehen ist und die unterste Metalllage durch die umlaufende Metallisierung der Schraubverbindung kontaktiert ist; und
6 ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Moduls in Form eines Prepackage-Moduls.

Die 1 zeigt eine Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte 1 und einen Kühlkörper 3 umfasst. Die Leiterplatte 1 besteht aus einer Vielzahl von Leiterplattenlagen, die übereinander angeordnet sind. Die Leiterplattenlagen umfassen Metalllagen 13 und elektrisch isolierende Lagen 14, die zwischen den Metalllagen 13 angeordnet sind. Bei den Metalllagen 13 handelt es sich beispielsweise um Kupferlagen. Bei den elektrisch isolierenden Anlagen handelt es sich beispielsweise um Materiallagen aus FR4. Dabei bildet eine oberste Leiterplattenlage eine Oberseite 11 der Leiterplatte 1 und eine unterste Leiterplattenlage eine Unterseite 12 der Leiterplatte 1.
Auf der Unterseite 12 der Leiterplatte 1 sind elektrische Module 2 angeordnet. Die Verbindung mit der Leiterplatte 1 erfolgt beispielsweise über eine Oberflächenmontage oder eine Durchsteckmontage. Zusätzlich können auch an der Oberseite 11 der Leiterplatte 1 elektrische Bauteile 95 angeordnet sein. Bei den Modulen 2 handelt es sich um aktive Module, die beispielsweise Bauteile oder Baugruppen der Leistungselektronik umfassen und die eine Kühlung durch den Kühlkörper 3 erfordern. Hierzu weist der Kühlkörper 3 eine Aussparung 30 auf, in die die zu kühlenden Module 2 hineinragen.
Zur Verbesserung der thermischen Anbindung ist vorgesehen, zwischen die zu kühlenden Module 2 und den Kühlkörper 3 ein thermisches Schnittstellenmaterial 91 anzuordnen. Bei dem thermischen Schnittstellenmaterial 91 handelt es sich beispielsweise um eine Wärmeleitmatte.
Die Leiterplatte 1 ist über Schraubverbindungen 5 mit dem Kühlkörper 3 verschraubt. Die Schraubverbindungen 5 umfassen Metallschrauben 51, die sich durch eine Montagebohrung 17 der Leiterplatte 5 erstrecken und in den metallischen Kühlkörper 3 eingeschraubt sind. Die Metallschrauben 51 liegen beispielsweise über eine Unterlegscheibe 52 und eine Metallisierung 53 auf der Oberseite 11 der Leiterplatte 1 auf. Sie stellen eine Druckkraft bereit, mit der die Leiterplatte 1 gegen den Kühlkörper 3 gepresst wird. Insbesondere stellen Sie dabei die Druckkraft bereit, mit der die an der Unterseite 2 der Leiterplatte angeordneten zu kühlenden Module 2 an die Oberfläche des Kühlkörpers 3 zur Bereitstellung eines guten thermischen Übergangs angepresst werden.
Der Kühlkörper 3 kann zahlreiche Ausgestaltungen aufweisen. Er besteht beispielsweise aus einem Metall wie zum Beispiel Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und weist nicht gesondert dargestellte Kühlflächen auf. Es kann sich um einen aktiven Kühlkörper, der durch einen Lüfter (nicht dargestellt) oder mittels einer Flüssigkeitskühlung (nicht dargestellt) aktiv gekühlt wird, oder einen passiver Kühlkörper handeln.
Außerhalb der Kavität 30 liegt die Leiterplatte 1 mit ihrer Unterseite 12 auf der Oberseite 31 des metallischen Kühlkörpers 3 auf. Die Oberseite 31 des Kühlkörpers 3 ist dabei ebenso wie die Unterseite 12 der Leiterplatte 1 eben ausgebildet ist und die beiden Flächen verlaufen parallel zueinander. Dabei ist vorgesehen, dass zwischen der Unterseite 12 der Leiterplatte 1 und der Oberseite 31 des metallischen Kühlkörpers 3 ein thermisches Schnittstellenmaterial 92 angeordnet ist, um die thermische Anbindung der Leiterplatte 1 an den Kühlkörper 3 zu verbessern. Bei dem thermischen Schnittstellenmaterial 92 handelt es sich beispielsweise um eine Wärmeleitmatte oder um eine großflächige Klebefolie aus TIM-Material. In dem Bereich, in dem die Leiterplatte 1 über das thermische Schnittstellenmaterial 92 am Kühlkörper 3 anliegt, werden die Leiterplatte 1 sowie die auf der Oberseite 11 der Leiterplatte 1 angeordneten elektrischen Bauteile 95 gekühlt.
Der Kühlkörper 3 liegt auf einem definierten elektrischen Potenzial φ_K, das gleich dem Massepotenzial ist und beispielsweise bei 0 V oder einer geringen Voltzahl liegt. Dagegen liegen die Metalllagen 13 der Leiterplatte 1 auf einen Hochvoltpotenzial von beispielsweise ca. 1000 V. Es ist vorgesehen, das auch die unterste Metalllage 131 der Leiterplatte 1 auf das elektrische Potenzial φ_K des Kühlkörpers 3 gelegt ist. Die Art und Weise, wie dies erfolgt und Varianten hierzu sind in den 2-5 beschrieben. Hierdurch wirkt die unterste Metalllage 131 der Leiterplatte 1 als Schirmung. Das aufgrund der großen Spannungsdifferenz von beispielsweise 1000 V erzeugte elektrische Feld bleibt innerhalb der Leiterplatte 1, wobei die elektrisch isolierende Lage 14 zwischen der untersten Metalllage 131 und der oberhalb dazu angeordneten weiteren Metalllage 132 als einzige Isolationslage zur Isolation der Leiterplatte 1 zum Kühlkörper 3 dient.
Wenn dagegen die unterste Metalllage 131 der Leiterplatte ebenfalls mit einem Hochvoltpotenzial beaufschlagt wäre, wie es im Stand der Technik bekannt ist, würde das mit der Spannungsdifferenz einhergehende elektrische Feld sich zwischen der Unterseite 12 der Leiterplatte 1 und der Oberseite 31 des Kühlkörpers 3 und dabei durch das thermische Schnittstellenmaterial 92 erstrecken. In einem solchen Fall bestünde die erhebliche Gefahr, dass Lufteinschlüsse im thermischen Schnittstellenmaterial 92 Teilentladungen mit sich bringen, da Luft im Vergleich zu Material, das in Leiterplatten zur Bildung elektrisch isolierender Lagen verwendet wird (z.B. FR4) eine geringere Permittivität aufweist. So besitzt Luft eine Permittivität von etwa eins, wogegen das Material FR 4 eine Permittivität im Bereich von fünf aufweist. Da die elektrische Feldstärke mit fallenden Werten der Permittivität zunimmt, stellt sich in Luft eine erhöhte Feldstärke ein. Ein solches Verhalten ist in der Hochspannungstechnik bei geschichteten Isolationssystemen als Effekt der Feldverdrängung bekannt, wobei das elektrische Feld in den Isolierstoff mit der geringeren Permittivität verdrängt wird. Da Luft außerdem eine geringere Durchschlagfestigkeit besitzt, erhöht sich die Gefahr von Teilentladungen. Durch Beaufschlagen der untersten Metalllage 131 mit dem Kühlkörperpotenzial werden diese Probleme vermieden.
Dabei ist vorgesehen, dass die unterste Metalllage 131 einen substantiellen Bereich der Leiterplatte 1 abdeckt, damit die genannte Abschirmung in effektiver Weise realisiert wird, beispielsweise mindestens 2/3 oder mindestens ¾ oder mindestens 4/5 der Fläche der Leiterplatte 1.
In der 1 sind auch Wärmeleitpfade A von der Leiterplatte 1 in den Kühlkörper 3 und Werbeleitfade B von den elektrischen Modulen 2 in den Kühlkörper 3 dargestellt.
Die 2 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Bereich der Leiterplatte 1 der 1, der über ein thermisches Schnittstellenmaterial 92 auf dem Kühlkörper 3 aufliegt, also einen Bereich seitlich beabstandet zu der Kavität 30 des Kühlkörpers 3 darstellt.
Wie erläutert umfasst die Leiterplatte 1 mehrere Metalllagen 13 (zum Beispiel Kupferlagen) und mehrere elektrisch isolierende Lagen 14 (zum Beispiel Lagen aus FR4 Material). Zwischen der Unterseite 12 der Leiterplatte 1 und dem metallischen Kühlkörper 3 ist ein thermisches Schnittstellenmaterial 92 angeordnet. Dabei verhält es sich so, dass der metallische Kühlkörper 3 ein Potenzial φ_K aufweist, das beispielsweise das Massepotenzial ist. Es ist eine schematisch dargestellte Kurzschlussstrecke 6 vorgesehen, die den Kühlkörper 3 elektrisch mit der untersten Metalllage 131 der Metalllagen 13 verbindet. Die Kurzschlussstrecke 6 ist dabei lediglich schematisch dargestellt. Ein Beispiel zur Realisierung der Kurzschlussstrecke 6 wird anhand der 4 und 5 erläutert.
Die über der Metalllage 131 angeordnete weitere Metalllage 132 ist dagegen mit einem Hochvoltpotenzial von beispielsweise 1000 V beaufschlagt. Die einzige Isolationslage zwischen den beiden Metalllagen 131, 132 wird durch die zwischen diesen liegende elektrisch isolierende Lage 141 bereitgestellt. Diese weist eine vergleichsweise hohe Permittivität auf, was zur Reduktion des lokalen elektrischen Feldes beiträgt. Auch besitzt sie eine im Vergleich zu Luft deutlich höhere Durchschlagsfestigkeit, so das die Gefahr von Teilentladungen minimiert ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 verhält es sich dabei so, dass die unterste Metalllage 131 eine unterste Innenlage 16 der Leiterplatte 1 darstellt, sie also keine Außenlage bildet.
Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das bis auf den Umstand dem Ausführungsbeispiel der 2 entspricht, dass die unterste Metalllage 131 eine untere Außenlage 15 der Leiterplatte bildet. Wiederum ist eine schematisch dargestellte Kurzschlussstrecke 6 zwischen dem Kühlkörper 3 und der untersten Metalllage 131 realisiert, so dass die unterste Metalllage 131 auf das Kühlkörperpotenzial φ_K gelegt ist. Die über der Außenlage 15 bzw. untersten Metalllage 131 angeordneten weiteren Metalllagen 132 liegen dagegen auf einem Hochvoltpotenzial, wobei sie mit dem gleichen Potenzial oder alternativ mit einem unterschiedlichen Potenzial beaufschlagt sein können.
Die 4 und 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel zur Realisierung der in den 2 und 3 lediglich schematisch dargestellten Kurzschlussstrecke 6. Dabei ist vorgesehen, dass die Kurzschlussstrecke über die Schraubverbindung 6 realisiert wird. Die Schraubverbindung 5 umfasst gemäß der 4 eine Metallschraube 51, die sich durch eine Montagebohrung 17 in der Leiterplatte 1 erstreckt und in den metallischen Kühlkörper 3 eingeschraubt ist, so dass die Metallschraube 51 auf dem Kühlkörperpotenzial φ_K liegt. Weiter ist vorgesehen, dass die Montagebohrung 17 in der Leiterplattenebene, in der die unterste Metalllage 131 ausgebildet ist, eine umlaufende Metallisierung 7 aufweist. Die umlaufende Metallisierung 7 wird beispielsweise durch ein umlaufendes Kupferplating gebildet. Über die Metallschraube 51 ist die umlaufende Metallisierung 7 dabei ebenfalls auf das Kühlkörperpotenzial φ_K gelegt.
Die umlaufende Metallisierung 7 ist im Ausführungsbeispiel der 4 dabei in der Ebene der unteren Au ßenlage 15 ausgebildet, die durch die unterste Metalllage 131 gebildet wird, wie anhand der 5 erkennbar ist. Dies entspricht dem Ausführungsbeispiel der 3. Alternativ könnte die unterste Metalllage 131 entsprechend der 2 eine Innenlage sein. Für diesen Fall wurde die umlaufende Metallisierung 7 in der Ebene dieser Innenlage ausgebildet sein.
Die umlaufende Metallisierung 7 steht in elektrischen Kontakt mit der untersten Metalllage 131 bzw. geht in diese über, wie anhand der 5 erkennbar ist. Damit ist auch die unterste Metalllage 131 auf das Kühlkörperpotenzial φ_K gelegt.
Es versteht sich, dass elektrische Kontaktflächen an der Unterseite der Leiterplatte 1 im Bereich der Kavität 30, die der Kontaktierung der elektrischen Module 2 dienen, beispielsweise über Durchkontaktierungen jeweils mit einer Metalllage der Leiterplatte verbunden sind, die auf einem Hochvoltpotenzial liegt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die 5 insofern eine hybride Darstellung ist, als der Bereich 10, in dem die elektrischen Module 2 in eine Kavität 30 des Kühlkörpers 3 ragen, in einer Ansicht von oben dargestellt ist, während außerhalb des Bereichs 10 die 5 eine Ansicht von unten auf die unterste Metalllage 131 bzw. Außenlage 15 der Leiterplatte 1 ist.
Die Bereitstellung einer Kurzschlussstrecke gemäß der Ausgestaltung der 4 und 5 ist dabei lediglich beispielhaft zu verstehen. Alternativ können zusätzliche leitende Strukturen bzw. elektrische Leiter vorgesehen sein, die die unterste Metalllage 131 der Leiterplatte 1 auf das Kühlkörperpotenzial φ_K legen.
Die elektrischen Module der 1 können in Ausführungsbeispielen gemäß der 6 ausgebildet sein. Danach umfasst das elektrische Modul 2 einen keramischen Schaltungsträger 23, ein elektrisches Bauelement 24 und elektrische Kontakte 25. Das elektrische Bauelement 24 ist beispielsweise ein Leistungshalbleiter.
Der keramischen Schaltungsträger 23 umfasst eine isolierende Keramikschicht 231, eine auf der Oberseite der Keramikschicht 231 angeordnete obere Metallisierungsschicht 232 und eine optionale, auf der Unterseite der Keramikschicht 23 angeordnete untere Metallisierungsschicht 233. Auf der oberen Metallisierungsschicht 232 ist das elektrische Bauelement 24 angeordnet. Der keramischen Schaltungsträger 23 und das elektrische Bauelement 24 sind in einem Substrat 26 angeordnet, das die Außenmaße des elektrischen Moduls 2 definiert. Bei dem Substrat 26 handelt es beispielsweise um eine Vergussmasse, in die der keramischen Schaltungsträger 23 und das elektrische Bauelement 24 eingebettet sind, oder um eine Leiterplatte, in die der keramischen Schaltungsträger und das elektrische Bauelement eingebettet sind.
Das Substrat 26 umfasst eine Oberseite 21, die auch die Oberseite des elektrischen Moduls 2 bildet. Eine Unterseite des Substrats 26 verläuft bündig mit der unteren Metallisierungsschicht 233. Die Unterseite des Substrats 26 und die untere Metallisierungsschicht 233 bilden die Unterseite 22 des elektrischen Moduls 2. Die Unterseite 22 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 über ein thermisches Schnittstellenmaterial 91 mit einem Kühlkörper 3 verbunden.
Die Oberseite 21 des elektrischen Moduls 2 weist eine Mehrzahl von elektrischen Kontakten 25 auf, die dazu dienen, entsprechende Kontakte der Leiterplatte 1 zu kontaktieren. Die elektrischen Kontakte 25 umfassen Durchkontaktierungen zu einem Unterseitenpotenzial und zu Oberseitenpotenzialen des elektrischen Bauelements 24. Beispielsweise stellen die elektrischen Kontakte 25 einen Source-Anschluss, einen Gate-Anschluss und einen Drain-Anschluss des elektrischen Bauelements 24 bereit.
Der keramische Schaltungsträger 23 mit der Keramikschicht 231 dient zum einen der elektrischen Isolation des auf dem keramischen Schaltungsträger 23 angeordneten elektrischen Bauelements 24 zum Kühlkörper und stellt gleichzeitig eine thermische Anbindung zum Kühlkörper bereit.
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

Leiterplattenanordnung, die aufweist: - eine Leiterplatte (1), die aufweist: ◯ eine Oberseite (11), ◯ eine Unterseite (12), ◯ mehrere Metalllagen (13), ◯ mehrere elektrisch isolierende Lagen (14), - einen metallischen Kühlkörper (3), auf dem die Leiterplatte (1) mit ihrer Unterseite (12) zumindest bereichsweise aufliegt, wobei der metallischen Kühlkörper (3) ein Kühlkörperpotenzial (φ_K) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die unterste Metalllage (131) der Leiterplatte (1) auf das Kühlkörperpotenzial (φ_K) gelegt ist, während die anderen Metalllagen (132) der Leiterplatte (1) ein davon abweichendes elektrisches Potenzial aufweisen.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterste Metalllage (131) eine untere Außenlage (15) der Leiterplatte (1) ist.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterste Metalllage (131) die unterste Innenlage (16) der Metalllagen (13) der Leiterplatte (1) ist.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterste Metalllage (131) der Leiterplatte (1) und der Kühlkörper (3) durch eine Kurzschlussstrecke (6) miteinander verbunden sind.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Schraubverbindung (5), die dazu vorgesehen und eingerichtet sind, die Leiterplatte (1) gegen den Kühlkörper (3) zu drücken.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die unterste Metalllage (131) der Leiterplatte (1) über die Schraubverbindung (5) auf das Kühlkörperpotenzial (φ_K) gelegt ist.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass - die Schraubverbindung (5) eine Metallschraube (51) umfasst, die sich durch eine Montagebohrung (17) der Leiterplatte (1) erstreckt und in den metallischen Kühlkörper (3) eingeschraubt ist, - die Montagebohrung (17) in der Leiterplattenebene, in der die unterste Metalllage (131) ausgebildet ist, eine umlaufende Metallisierung (7) aufweist, und - die umlaufende Metallisierung (7) in elektrischem Kontakt mit der untersten Metalllage (131) steht oder durch diese gebildet ist.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkörperpotenzial (φ_K) des Kühlkörpers (3) gleich dem Massepotenzial ist.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anderen Metalllagen (132) der Leiterplatte (1), die nicht mit dem Kühlkörperpotenzial (φ_K) beaufschlagt sind, mit einem Hochvoltpotenzial beaufschlagt sind.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterste Metalllage (131) mindestens 2/3 der Fläche der Leiterplatte (1) abdeckt.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein elektrisches Modul (2), das an der Unterseite (12) der Leiterplatte (1) angeordnet ist, wobei der Kühlkörper (3) eine Kavität (30) aufweist, in die das elektrische Modul (2) hineinragt, und wobei die Leiterplatte (1) angrenzend an die Kavität (30) auf dem Kühlkörper (3) aufliegt.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Modul umfasst: - einen keramischen Schaltungsträger (23), der eine isolierende Keramikschicht (231) und eine auf der Oberseite der Keramikschicht (231) angeordnete obere Metallisierungsschicht (232) aufweist, - ein elektrisches Bauelement (24), das auf der Oberseite der oberen Metallisierungsschicht (232) angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist, - eine Oberseite (21) des elektrischen Moduls (2), die an der Unterseite (12) der Leiterplatte (1) angeordnet ist, und - eine Unterseite (22) des elektrischen Moduls (2).
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (22) des elektrischen Moduls (2) über ein thermisches Schnittstellenmaterial (91) thermisch mit dem Kühlkörper (3) verbunden ist.
Leiterplattenanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Module (2) Halbleiterbauelemente, insbesondere Leistungshalbleiter umfassen.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (1) über ein thermisches Schnittstellenmaterial (92) mit ihrer Unterseite (12) auf dem Kühlkörper (3) aufliegt.