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Die
vorliegende Anmeldung bezieht sich auf die US-Anmeldung mit der
Serial – Nr.
08/292,491, die am 18. August 1994 von Wieloch et al eingereicht wurde
und auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, und eine US-Patentanmeldung
mit dem Titel "Wireless
Circuit Board System for a Motor Controller", die am selben Tag dieser Anmeldung
von Wieloch et al eingereicht wurde.
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine mehrlagige oder mehrschichtige
Leiterplatte, aufweisend einen Anbringungsbereich, der dazu ausgelegt
ist, eine Wärmeabfuhr
von einer elektrischen Vorrichtung zu erleichtern. Spezieller betrifft
die vorliegende Erfindung eine starre/flexible Leiterplatte, die
dazu ausgelegt ist, eine Wärmeabfuhr
von einem elektrischen Leistungsbauteil zu maximieren.
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Hintergrund
der Erfindung
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Generell
werden mehrschichtige Leiterplatten in Hochleistungsanwendungen
wie Motorsteuerungen, Rechnern, Stromzufuhreinheiten oder anderen
Steuerungsvorrichtungen eingesetzt. Typischerweise umfassen diese
Platten elektrische Hochleistungs-Vorrichtungen wie Widerstände und
Halbleiter zur Ausführung
der für
die damit verbundenen Anwendungen erforderlichen Funktionen. Infolgedessen
erzeugen diese elektrischen Vorrichtungen häufig eine signifikante Wärmemenge
und erfordern Wärmesenken
oder andere Wärmehandhabungssysteme,
um eine Überhitzung
der Leiterplatten und elektrischen Vorrichtungen zu verhindern.
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Wärmesenken
sind typischerweise Metallkomponenten relativ grosser Abmessungen,
die an den Leiterplatten oder den damit verknüpften elektrischen Vor richtungen
befestigt sind, um die Wärmeableitung
von diesen zu steigern. Speziell sind Wärmesenken an einem thermisch
und elektrisch leitenden Teil einer elektrischen Vorrichtung befestigt.
Beispielsweise werden Wärmesenken
häufig
direkt am Lötrahmen
der Vorrichtung über
Hardware-Komponenten wie Klammern, Schrauben oder anderen Befestigungen
angebracht. Die zusätzliche
Hardware ist teuer und vergrössert
die Zeit zum Zusammenbau der Leiterplatte. Die Wärmesenken werden häufig elektrisch
vom Lötrahmen
mit einer wärmeleitenden, elektrisch
isolierenden Schicht eines Films oder anderen Materials isoliert,
welches zwischen die elektrische Vorrichtung und die Wärmesenke
eingesetzt wird. Eine derartige Schicht ist von Nachteil, weil die Installierung
der Schicht die Zeit zum Zusammenbau der Leiterplatte vergrössert. Darüber hinaus
kann abhängig
vom Material und dessen Dicke die isolierende Schicht eine unerwünschte Wärmewiderstandsschicht
hervorrufen. Ferner ist es auch sehr schwierig, die Integrität der Schicht
zu untersuchen.
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Einige
elektrische Vorrichtungen sind als SMD-Vorrichtungen (Oberflächen montierbare
Vorrichtungen) gepackt, die auf der Leiterplatte eine minimalen
Raum beanspruchen. Jedoch müssen SMD-Vorrichtungen
höherer
Leistungen auf oder nahe grosser Pads oder Abschnitte einer Metallschicht
auf der Leiterplatte angebracht werden, um eine adäquate Wärmeableitung
vorzusehen. Diese grossen Abschnitte sind von Nachteil, da der von
den grossen Abschnitten benötigte
Raum andernfalls durch weitere elektrische Bauteile ausgenutzt werden
könnte.
Zur Reduzierung der Abmessungen dieser grossen Abschnitte werden
SMD-Vorrichtungen häufig
auf Leiterplatten angebracht, die aus Keramik, mit Epoxy/Alumina
bedeckten Metallbasisplatten oder anderen Materialien hergestellt
sind, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen. Nachteile dieser keramischen Leiterplatten beinhalten
deren Kosten, Sprödigkeit
und Masse.
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Eine
in Patent Abstracts of Japan Band 18, Nr. 144 (E-1521), 10. März 1994 &
JP 05 327 166 A offenbarte
Leiterplatte ist im Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 und
7 gewürdigt
worden. Dieses Dokument schlägt
eine Anbringungsstruktur vor, bei der die Dicke einer gesamten Leiterplatte
selbst in Bereichen dünn
ist, in denen ziemlich hohe Komponenten wie elektrolytische Kondensatoren
und Transformatoren angebracht sind. Diese Komponenten sind nicht
auf der Oberseite einer gedruckten Leiterplatte, die andere dünne Komponenten
trägt,
sondern innerhalb von Aussparungen der Leiterplatte angebracht,
bei denen die Leiterplatte nur aus einer FPC-Schicht besteht.
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Es
besteht ein Bedarf an einer mehrschichtigen Leiterplatte mit einem
isolierenden Anbringungs- oder Montagebereich für eine SMD-Vorrichtung und einer
Wärmesenke.
Es besteht auch ein Bedarf an einer preiswerten isolierten Anbringung
für eine
Wärmesenke,
die einen geringen Plattenraumbedarf hat und wärmeleitend ist.
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Die
erfindungsgemässen
Lösungen
sind in den unabhängigen
Ansprüchen
definiert. Die abhängigen
Ansprüche
definieren vorteilhafte Weiterbildungen.
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Erfindungsgemäss umfasst
eine mehrschichtige Leiterplatte zumindest eine starre Leiterplattenlage
und eine flexible Leiterplattenlage, wobei die mehrschichtige Leiterplatte
eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, einen Anbringungs-
oder Montagebereich für
eine elektrische Vorrichtung, die auf der Oberseite der mehrschichtigen
Leiterplatte angeordnet ist, wobei die mehrschichtige Leiterplatte nur
die flexible Leiterplattenlage der oben erwähnten Lagen zwischen der Oberseite
und der Unterseite im Anbringungsbereich aufweist. Ein Wärmesenkenbereich
ist entgegengesetzt zum Anbringungsbereich auf der Unterseite der
mehrschichtigen Leiterplatte angeordnet, wobei der Wärmesenkenbereich
von einer Metallschicht auf der Unterseite der flexiblen Leiterplattenlage
elektrisch isoliert ist.
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In
einer Ausführung
hat die flexible Leiterplattenlage eine isolierende Polyimid-Schicht, die zwischen
einer Oberseite und einer Unterseite angeordnet ist. Die Oberseite
der flexiblen Leiterplattenlage hat ein Pad für eine elektrische oder wärmeableitende
Vorrichtung. Die starre Leiterplattenlage haftet an der flexiblen
Leiterplattenlage und ist so konfiguriert, dass das Pad freiliegt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen
einer laminierten Leiterplatte. Das Verfahren umfasst die Schritte
der Plazierung eines sogenannten Footprints (das heisst eines Anbringungsbereichs
für eine
elektri sche Vorrichtung) an einem Ort auf einer Oberseite der flexiblen Leiterplattenlage,
die Konfigurierung einer starren Plattenlage zum Vorsehen eines
Fensters durch diese starre Plattenlage und die Befestigung der
flexiblen Leiterplattenlage und der starren Leiterplattenlage aneinander,
wobei das Fenster dem Ort des Footprints entspricht.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine mehrschichtige Leiterplatte,
aufweisend mehrere starrer Leiterplattenlagen und zumindest eine
oder mehrere flexible Plattenlagen.
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Nach
einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst
die flexible Anbringungsleiterplattenlage ein Pad, das für eine Halbleitervorrichtung
konfiguriert ist, auf einer ersten Seite und einen Wärmesenkenbereich
für die
Wärmesenke
auf einer zweiten Seite. Die zumindest eine starre Leiterplattenlage
hat eine Ausnehmung über
dem Wärmesenkenbereich
und dem Pad.
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Die
vorliegende Erfindung kann in einem starren/flexiblen Leiterplattensystem
für eine
Motorsteuerung verwendet werden, wobei dieses System aus zumindest
einer flexiblen Leiterplattenlage und zumindest einer starren Leiterplattenlage
besteht. Das Motorsteuerungs-Leiterplattensystem umfasst einen Leistungssubstratleiterplattenmodul
zur Aufnahme von Halbleiterschaltern auf der flexiblen Leiterplattenlage,
einen kapazitiven Leiterplattenmodul zur Aufnahme von Kondensatoren
und einen weiteren Leiterplattenmodul, der externe Verbinder aufweist.
Der kapazitive Leiterplattenmodul ist elektrisch und mechanisch
mit dem Leistungssubstratleiterplattenmodul über die flexible Leiterplattenlage
verbunden und der andere Leiterplattenmodul ist elektrisch und mechanisch
mit dem Leistungssubstratmodul oder dem kapazitiven Plattenmodul über die
flexible Leiterplattenlage verbunden.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
in vorteilhafter Weise die Anbringung einer elektrischen Vorrichtung
und einer Wärmesenke
auf einer mehrschichtigen Leiterplatte ohne die Verwendung von Schrauben,
Klammern oder anderer Hardware. Gemäss einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung hat die mehrschichtige Leiterplatte eine isolierte Anbringung
für eine
SMD-Vorrichtung und eine Wärmesenke
auf einem Bereich der Leiterplatte, der nur eine einzige flexible
Leiterplattenschicht umfasst. Die flexible Leiterplatte ist weniger
als 0,05 mm (0,002 inches) dick und ist aus Polyimid-Material gefertigt.
Die Anbringung nutzt die inhärente
elektrische Isolation aus, die durch den hohen dielektrischen Gehalt
der flexiblen Leiterplatte vorgesehen wird, die hohe Wärmeleitfähigkeit
der flexiblen Leiterplatte und die ausserordentlich dünne Ausbildung
der flexiblen Leiterplattenlage, um eine überlegene Wärmeübertragung und elektrische
Isolation vorzusehen.
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Nach
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Wärmesenke
direkt auf der einzelnen Lage oder auf einer entgegengesetzten Seite
von der elektrischen Vorrichtung aufgelötet werden, wodurch ein überlegenes
Wärmeübertragungsmedium
mit sehr geringen Kosten und unter Verwendung nur eines minimalen
Plattenraumbedarfs vorgesehen wird. Die vorliegende Erfindung benötigt in
vorteilhafter Weise kein zusätzlich
isolierendes Material zwischen der Wärmesenke und der elektrischen
Vorrichtung.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die flexible
Leiterplatte Enhanced-Kupferschichten für eine überlegene und herausragende
Wärmeableitung.
Die flexible Leiterplattenlage umfasst bevorzugt zwei 56,7 g (2,0
Unzen) Kupfersichten (beispielsweise 0,071 mm (0,0028 inches) dicke
Metallschichten). Die Kupferschichten sind mit einer adhäsiven Polyimid-Schicht und einer darüber liegenden
Polyimid-Schicht bedeckt. Die Polyimid-Schichten können mit AIN dotiert sein,
mit Diamantteilchen, Al2O3,
BeO oder anderen Materialien auf Aluminiumbasis, um ihre Wärmeleitfähigkeit
zu steigern. Eine Bondierungsschicht, Filmlage oder adhäsives Polyimid,
die über
der oben liegenden Überzugspolyimidschicht
ausgebildet sind, können
als isolierende Lage dienen, auf der eine weitere Kupferschicht
befestigt werden könnte.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungen
der Erfindungen werden im Folgenden in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen erläutert,
wobei übereinstimmende
Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und
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1 eine Ansicht von oben
auf eine starre/flexible Leiterplatte nach einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine Ansicht von oben
auf die starre/flexible Leiterplatte gemäss Darstellung in 1 ist, aufweisend eine SMD-Vorrichtung;
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3 eine Querschnittsansicht
der in 2 gezeigten starren
flexiblen Leiterplatte längs
einer Linie 3-3 in 2;
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4 eine Ansicht von oben
auf eine starre/flexible Leiterplatte nach einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist;
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5 eine Querschnittsansicht
der starren/flexiblen Leiterplatte aus 4 längs
einer Linie von 5-5 in 4 ist;
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6 eine perspektivische Ansicht
eines mehrschichtigen starren/flexiblen Leiterplattensystems in
senkrechter Konfiguration für
eine Motorsteuerung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist;
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7 eine perspektivische Ansicht
des in 6 gezeigten starren/flexiblen
mehrschichtigen Leiterplattensystems in einer flachen Auslegung
ist; und
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8 eine Querschnittsansicht
des in 7 gezeigten starren/flexiblen
mehrschichtigen Leiterplattensystems entlang einer Linie 8-8 ist.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter exemplarischer Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine starre/flexible
mehrschichtige Leiterplatte 10 gemäss der vorliegenden Erfindung.
Die mehrschichtige Leiterplatte 10 umfasst eine Anbringungsschicht 12 und
zumindest eine weitere Schicht 14. Die Schicht 12 ist
eine dünne
flexible Leiterplattenschicht wie beispielsweise eine einzige oder
doppelseitige Kapton® Schicht, eine Polyimidschicht
oder andere flexible Schichten, umfassend ein isolierendes Medium,
das mit einer leitenden Ebene verbunden ist (in 1 nicht dargestellt). Die Schicht 14 ist
eine starre Leiterplattenschicht wie laminiertes Epoxy-Glas (z.
B. FR-4), das mit einer leitenden Ebene verbunden ist (in 1 nicht dargestellt).
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Die
Platte 10 umfasst einen Footprint 15 für eine elektrische
Vorrichtung (in 1 nicht
dargestellt), die an der Platte 10 angelötet oder
befestigt werden kann. Der Footprint 15 umfasst ein Pad 18, ein
Pad 20 und ein Pad oder einen Kontaktbereich 22.
Der Anbringungs- oder Kontaktbereich 22 liegt vorzugsweise
auf einer Oberseite der Anbringungsschicht 12. Die Pads 18 und 20 sind
vorzugsweise auf einer Oberseite der Schicht 14 angebracht.
Alternativ kann die Platte 10 so konfiguriert sein, dass
die Pads 18 und 20 auf der Schicht 12 angebracht
sind oder auf irgendeiner weiteren Schicht zwischen den Schichten 12 und 14.
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Ein
sogenanntes "Blind
Via" oder eine Ausnehmung 27 wird
in der mehrschichtigen Leiterplatte 10 durch Herstellen
einer Ausnehmung 25 in der Schicht 14 zur Freilegung
des Kontaktbereiches 27 vorgesehen (beispielsweise durch
Bearbeitung, in Form Herstellen, Ätzen). Bei der Herstellung
von Leiterplatten werden Kanäle,
die in eine mehrschichtige Leiterplatte eingearbeitet werden, jedoch
nicht vollständig
durch diese hindurch eingearbeitet werden, im allgemeinen als "Blind Vias" bezeichnen. Die
Ausnehmung 25 kann vor oder nach Befestigung (z. B. durch
Aufkleben) der Schicht 14 auf der Schicht 12 hergestellt
werden.
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Die
Leiterplatte 10 umfasst gemäss den 2 und 3 eine
elektrische SMD-Vorrichtung 28, die
auf einem Kontaktbereich 22 der Platte 10 innerhalb
der Ausnehmung 27 angebracht ist. Die elektrische Vorrichtung 28 ist
vorzugsweise ein Halbleiter-Leistungsbauelement wie ein Spannungsregler, Leistungstransistor,
eine Diode, ein Operationsverstärker,
ein IGBT, ein Thyristor, ein SCR oder ein Triac. Die elektrische
Vorrichtung 28 kann auch ein Widerstand oder eine andere
Leistungskomponente sein, die eine relativ hohe Wärmeableitung
erfordert. Die Vorrichtung 28 ist vorzugsweise in einer
SM-Packung wie einem D Pack, D2 Pack, D3 Pack, ICE Pack oder anderen
Plattenanbringungspackung hoher Dichte gepackt.
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Die
Vorrichtung 28 ist in einer Kunststoffverpackung oder anderem
Gehäuse 34 aufgenommen und
umfasst einen Lötrahmen 35 und
Zuleitungen 37, 39 und 43. Die Zuleitungen 37 und 39 sind
bevorzugt mit den Pads 18 beziehungsweise 20 verlötet. Die Leitung 43 ist
vorzugsweise intern mit dem Lötrahmen 35 gekoppelt.
Eine Unterseite 36 (3)
vom Lötrahmen 35 sieht
vorzugsweise eine Anbringungsfläche
vor, die in vorteilhafter Weise mechanisch und/oder elektrisch (beispielsweise
durch Aufschmelzlöten,
Schwall-Löten)
mit dem Kontaktbereich 22 verbunden werden kann.
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Gemäss 3 umfasst die Platte 10 eine Schicht 12,
eine Schicht 14 und eine Schicht 56. Die Schicht 14 ist
vorzugsweise eine einseitig oder doppelseitig gedruckte Leiterplattenlage,
umfassend eine starre 0,76 mm (0,030 inches) dicke isolierende Schicht 68,
die zwischen einer 0,069 mm (0,0027 inches) dicken Glasfaser-Bondierungsschicht
(z. B. 1080 GF) – Lagen 68 und 71 angeordnet
ist. Die Schicht 68 kann eine glasfaserverstärktes Material wie
GFN sein. Eine 0,069 mm (0,0027 inches) dicke Glasfaser-Bondierungsschichtlage 73 ist
an der Schicht 71 befestigt. Eine dünne leitende oder metallische
Schicht 67 ist an der Schicht 69 befestigt. Die Schicht 67 ist
vorzugsweise eine 0,036 mm (0,0014 inches) dicke Schicht eines HTE
Kupfers. Die Schicht 67 ist mit einer 0,025 mm (0,001 inches)
dicken Schicht 66 aus Kupfer plattiert. Die Schicht 66 ist
mit einer 0,051 mm dicken (0,002 inches) dicken Schicht 11 aus
Lötmaske
beschichtet.
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Die
Schicht 12 ist vorzugsweise eine flexible Leiterplattenlage,
hergestellt von Parlex Corporation aus Methuen, Massachusetts. Die
Schicht 12 umfasst eine 0,018 bis 0,025 mm (0,0007 bis
0,001 inches) dicke Polyimid-Schicht 88, eine 0,025 bis
0,05 mm (0,001 bis 0,002 inches) dicke adhäsive Polyimid-Schicht 89,
eine 56,7 g (2,0 Unzen) 0,071 mm (0,0028 inches) dicke Kupferschicht 64,
eine 0,032 mm (0,00125 inches) dicke Polyimid-Kapton/MT® adhäsive Polyimid-Schicht 65,
eine 56 g (2,0 Unzen) 0,061 mm (0,0024 inches) dicke Kupferschicht 62, eine
0,025 bis 0,01 mm (0,001 bis 0,002 inches) dicke adhäsive Polyimidschicht 40 und
eine 0,018 bis 0,025 mm (0,0007 bis 0,001 inches) dicke Polyimidschicht 41.
Die Schichten 40, 41, 62, 64, 65, 88 und 89 sind
gemäss
Darstellung in 3 aufgebracht. Die
Schicht 65 umfasst eine (nicht dargestellte) 0,019 mm dicke
(0,00075 inches) Schicht aus Polyimid zwischen zwei 0,0064 mm (0,00025
inches) Schichten eines adhäsiven
Polyimids (nicht dargestellt). Die Schichten 40, 41, 88 und 89 können mit
Diamantmaterial, AIN, Al2O3 oder
anderen Substanzen dotiert sein, um die Wärmeleitfähigkeit zu steigern und eine gesteigerten
elektrischen Korona-Widerstand vorzusehen. Vorzugsweise ist die
Schicht 65 mit 36% Al2O3 dotiert. Auf jeder Seite der mittleren
(0,019 mm (0,00057 inches) Polyimidschicht innerhalb der Schicht 65,
ist das 0,064 mm (0,00025 inches) adhäsive Polyimid vorzugsweise
mit einem Material dotiert, um den Korona-Widerstand (per IEC 343 Test-Spec)
zu steigern.
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Die
Schicht 56 ist auf der Schicht 12 befestigt. Die
Schicht 56 umfasst eine isolierende Schicht 74 aus
0,046 bis 0,069 (0,0018 bis 0,0027 inches) dickem Glasfaser-Bondierungsschichtmaterial
(beispielsweise 1080 IF oder 106), das auf einer dünnen leitenden
oder metallischen Schicht 78 angebracht ist. Die Schicht 78 ist
eine 0,036 mm (0,0014 inches) dicke Schicht aus HTE Kupfer, die
mit einer 0,025 mm (0,001 inches) Kupferschicht 76 plattiert
ist. Die Metallschichten 62, 64, 66, 67, 76 und 78 können Kupfermaterial,
Silber, leitende Farben, Aluminium oder andere leitende Materialien
sein, die geätzt
sind oder abgeschieden sind, um Leiter wie gedruckte Leiter 21 auf
einer Leiterplatte (1)
vorzusehen.
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Die
isolierenden Schichten 68, 69, 71, 73 und 74 können aus
Materialien wie glasfaserverstärktem
Epoxid, GR4, FR4, FRS, Papier-Mika, Teflon®-Flural-Polymer
oder andere isolierende Materialien bestehen. Die isolierenden Schichten 68, 69, 71, 73 und 74 verhindern,
dass Leiter wie die auf der Leiterplatte gedruckten Leiter 21 mit
gedruckten Leitern auf den anderen Schichten Kurzschlüsse zeigen.
Die Metallschicht 64 auf der oberen Schicht 12 wird
geätzt
beziehungsweise abgeschieden, um einen Kontaktbereich 22 vorzusehen.
Die Metallschicht 62 auf der Unterseite der Schicht 12 wird
geätzt
oder abgeschieden, um einen Wärmesenkenbereich 90 vorzusehen.
Das Metall in dem Bereich 90 umgebenden Bereichen 94 wird
ausgeätzt,
um den Wärmesenkenbereich 90 vom übrigen Teil
der Metallschicht 62 elektrisch zu isolieren.
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Der
Wärmesenkenbereich 90 ermöglicht vorzugsweise,
dass eine wärmeleitende
Komponente wie eine Wärmesenke 92 direkt
auf die Schicht 12 aufgelötet werden kann. Die Wärmesenke 92 ist
vorzugsweise ein Kupfer-, Aluminium- oder anderes wärmeleitendes Material, das
zur Wärmeableitung ausgelegt
ist. Die Wärmesenke
kann auch eine leichte Kupferspulenanordnung wie beispielsweise
radiatorartige Wärmesenkenelemente
oder elektrische Standard-Industrie-Wärmesenke
sein, wie diejenigen, die von Thermalloy, Inc oder E & G Wakefield Engineering
hergestellt werden. Der Wärmesenkenbereich 90 er möglicht in
vorteilhafter Weise, dass dünne
Kupferspulen wie Radiator-Wärmesenken,
die üblicherweise
nicht mit Standard-Wänresenkenanbringungen
verwendet werden können,
an der Platte 10 als Wärmesenken 92 befestigt
werden können. Die
Wärmesenke 92 kann
durch Aufschmelzlöten, Schwall-Löten, mit
thermisch leitendem Metall oder Nichtmetall befülltem Epoxid aufgeklebt oder
andersartig an der Platte 10 befestigt wird. Lötmetall
sieht ein hochgradig wärmeleitendes
Medium zur Anbringung der Wärmesenke 92 am
Wärmesenkenbereich 90 vor.
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Die
Ausnehmung 27 ermöglicht,
dass durch die elektrische Vorrichtung 28 erzeugte Wärme in vorteilhafter
Weise durch die sehr dünne
Schicht 65 zur Wärmesenke 92 übertragen
werden kann. Bevorzugt ist die isolierende Schicht 65 der
Lage 12 ein Polyimidmaterial, das angenähert 0,032 mm (0,00125 inches)
dick ist. Ferner haben die Metallschichten 62 und 64 bevorzugt
eine gesteigert Dicke (zumindest 56,7 g = 2,0 Unzen Kupfer), um
die Wärmeableitung von
der Vorrichtung 28 zu steigern. Die Abmessungen der Schicht 12 und
hohe Wärmeleitfähigkeit
des Polyimidmaterials ermöglichen,
dass Wärme
von der Vorrichtung 28 zur Wärmesenke 92 effizient übertragen
werden kann. Die Anbringung der Vorrichtung 28 in der Ausnehmung 27 führt zu einem
Temperaturabfall über
die Schicht 65 von angenähert 5°C, wenn etwa 10 W über ein
Anbringungspad geleitet werden, das Abmessungen von etwa 16,5 × 16,5 mm
(0,65 inches × 0,65
inches) aufweist.
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Die
Anbringung der Vorrichtung 28 in der Ausnehmung 27 liefert
in vorteilhafter Weise auch eine Anbringung mit einer dielektrischen
Festigkeit, die über
4500 Volt von der Vorrichtung 28 zur Wärmesenke 92 widerstehen
kann und zwar mit exzellentem Langzeit-Korona-Durchbruchwiderstandsvermögen. Die
Konfiguration der Ausnehmung 27 ermöglicht, dass die Wärmesenke 92 und
die elektrische Vorrichtung 28 auf der Platte 10 unter
Aufwendung einer minimalen Zusammenbauzeit und einem minimalen Raumbedarf
auf der Platte angebracht werden können.
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Die
Wärmesenke 92 und
der Wärmesenkenbereich 90 können kleiner
oder grösser
als der Footprint 15 sein. Die Konfiguration der Anbringung,
bei der der Wärmesenkenbereich 90 auf
der entgegengesetzten Seite der Schicht 12 vom Footprint 15 liegt, ermöglicht eine ökonomische
Ausnutzung der Plattenfläche.
Beispielsweise kann die relativ sperrige Wärmesenke 92 auf einer
Unterseite der Platte 10 abgewandt von übrigen Komponenten wie der
Vorrichtung 28 angebracht werden, die auf der Oberseite der
Platte 10 montiert sind.
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Alternativ
kann die Platte so konfiguriert werden, dass sie auf der oberen
Schicht der Platte 10 einen Anbringungsbereich mit einer
einzigen Schicht aufweist, indem die Ausnehmung durch die Bodenschichten
der Platte 10 vorgesehen wird. Auch kann die Platte 10 so
konfiguriert sein, dass der Anbringungs- oder Kontaktbereich auf einer Zwischenschicht
(nicht dargestellt) zwischen den Schichten 12 und 14 vorliegt,
indem die Ausnehmung durch die oberen Schichten und Bodenschichten
der Platte 10 vorgesehen wird.
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In
einer weiteren Ausführung
kann die Aussparung 25 entfallen, indem ein Anbringungsbereich dicht
an einem Ende der Platte 10 vorgesehen wird. Die Schichten
oder Lagen 14 und 56 können kleiner bemessen sein
als die Schicht oder Lage 12 und zu einem Ende hin verschoben
sein, so dass der einzige Schichtanbringungsbereich am entgegengesetzten Ende
der Schicht oder Lage 12 vorgesehen wird. Auch können die
Schichten 14 und 56 aus unitären Stücken bestehen, die auf einer
Oberseite der Schicht 12 zur Ausbildung der Ausnehmung 27 entsprechend
konfiguriert werden. In einer noch weiteren Alternative kann die
Schicht 12 durch mehrere flexible Schichten ersetzt werden.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 bis 3 wird im Folgenden die Herstellung
der starren/flexiblen mehrschichtigen Platte 10 erläutert. Die
Schicht oder Lage 12 wird aus einem gerollten, getemperten
Kupfermaterial gebildet, um Schichten 64 und 62 auszubilden,
die an der flexiblen Schicht 65 befestigt werden. Die Schicht 12 ist
von verschiedenen Herstellern, einschliesslich Arlon, Nelco, Sheldahl,
Rogers oder DuPont kommerziell erhältlich. Die Schichten 62 und 64 werden
geätzt,
um ein leitendes Muster (nicht dargestellt) einschliesslich dem
Footprint oder Kontaktbereich 22 und dem Wärmesenkenbereich 90 zu bilden.
Die adhäsive
Schicht 89 wird auf einem Polyimid-Überzug oder einer Polyimidschicht 88 befestigt und
die adhäsive
Schicht 40 wird auf einer Polyimi düberzugsschicht oder Schicht 41 befestigt.
Ein Stahlbandwerkzeug oder eine andere Vorrichtung wird dazu verwendet,
um die Schichten 40, 41, 88 und 89 vom
Ort des Footprints 15 und des Wärmesenkenbereichs 90 zu
entfernen. Nachdem die Schichten 40, 41, 88 und 89 so
konfiguriert worden sind, dass sie den Kontaktbereich 22 und
den Wärmesenkenbereich 90 freilegen,
werden die Schichten 40, 41, 88 und 89 an
den Schichten 62 und 64 befestigt. Das frei liegende
Kupfer wie das Kupfer auf der Schicht 12 im Bereich 20 und
im Wärmesenkenbereich 90 wird dann
mit Lötmetall
oder mit einem anderen ätzresistenten
Material beschichtet.
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Die
Schichten 14 werden, ohne dass die Schichten 11, 66, 67 und 69 angebracht
sind (beispielsweise die Schichten 68 und 71)
einer Nachformfräsung
unterzogen, geschnitten, gepresst, geformt oder auf andere Weise
konfiguriert, um die Aussparung 25 für die Ausnehmung 27 zu
bilden. Alternativ kann die Schicht 69 bei der genannten
Operation an der Schicht 14 mit einbezogen werden. Zusätzlich wird
die Schicht 74 der Schicht 76 einer Nachformfräsung unterzogen,
geschnitten, gepresst, geformt oder auf andere Weise konfiguriert,
um eine Aussparung 91 für
den Wärmesenkenbereich 90 zu bilden.
Darauffolgend wird die Schicht 67 an der Schicht 69 befestigt
und die Schicht 78 wird an der Schicht 74 befestigt.
Die Schicht 67 bedeckt den Kontaktbereich 22 (beispielsweise
die Aussparung 25) und die Schicht 78 bedeckt
den Wärmesenkenbereich 90 (beispielsweise
die Aussparung 91). Dann werden die Schichten 12, 14 und 56 aneinander
befestigt beziehungsweise mit einander laminiert (ohne die Schichten 11, 66, 76 und 81).
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Nach
der Laminierung wird die mehrschichtige Platte 10 gebohrt
und plattiert. Im Plattierungsprozess werden die Schichten 66 und 76 jeweils
zu den Schichten 14 beziehungsweise 56 hinzugefügt. Nach Plattierung
der mehrschichtigen Platte 10 wird die Platte 10 geätzt. Die
Schichten 66 und 67 und die Schichten 74 und 76 bedecken
jeweils die Aussparung 25 beziehungsweise die Aussparung 29 und werden
während
dies Ätzprozesses
bei gleichzeitiger Hervorrufung des Schaltungsmusters, das in den Schichten 66, 67, 76 und 78 gewünscht wird,
auf dem verbleibenden Bereich der Platte 10 entfernt. Der Footprint 15 und
der Wärmesenkenbereich 90 werden
bei diesem Ätzprozess
nicht betrof fen, da sie bereits vorab im ätzresistenten Material überzogen
wurden, bevor die Schicht 12 mit den Schichten 14 und 56 zusammengefügt wurde.
Die Überbrückung der Schicht 66 und 67 über der
Aussparung 25 und der Schichten 76 und 78 unterhalb
der Aussparung 91 stellt sicher, dass die Seiten der Aussparungen 25 und 91 während des
Plattierungsprozesses nicht mit leitendem Material überzogen
werden. Nach dem Ätzen
wird eine Stripping-Technik dazu angewandt, um ätzresistentes Material innerhalb
der Aussparung 25 und Aussparung 91 (auf dem Bereich 22 und 90)
zu entfernen, wodurch ein sauberer Footprint 15 oder Bereich 22 und
Wärmesenkenbereich 90 vorgesehen
werden. Darauf folgend werden den Schichten 66 beziehungsweise 76 jeweils
Lötmaskenschichten 11 beziehungsweise 81 hinzugefügt und die
mehrschichtige Platte 10 wird mit Lötmetall oder einem anderen
geeigneten lötfähigen Material
beschichtet oder galvanisch überzogen
beziehungsweise plattiert, um entsprechend den Lötmaskenschichten 11 und 81 und
auf den Bereichen 22 und 90 ein Muster auszubilden
(beispielsweise im Endeffekt jedwede auf der Platte 10 freiliegende
Kupferspuren).
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Die 4 zeigt eine weitere Ausführung einer
laminierten oder starr/flexiblen mehrschichtigen Leiterplatte 150 im
wesentlichen ähnlich
der in 1 dargestellten
Platte 10, wobei die Platte 150 eine Anzahl von
Anbringungsbereichen für
eine Anzahl (nicht dargestellt) elektrischer Vorrichtungen umfasst.
Die Platte 150 umfasst Blind Vias oder Aussparungen 155,
wobei Footprints 157 insgesamtinnerhalb der Aussparung 125 liegen.
Der Footprint 157 umfasst Pads 126, 127 und
ein Hauptpad 125. Die gesamten Footprints 157 sind
auf der Schicht 12 vorgesehen. Die Platte 150 umfasst
auch Aussparungen 162 ähnlich
der Ausnehmung 27 (1),
die lediglich Hauptpads 164 innerhalb der Aussparung oder
Ausnehmung 162 aufweisen. Die Pads 172 und 174 sind auf
einer Oberseite 175 (beispielsweise der Schicht 14 und
dabei spezieller der Schicht 66) der Platte 150 vorgesehen.
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Gemäss 5 ist ein unitärer Wärmesenkenbereich 180 entgegengesetzt
den Ausnehmungen 155 und 162 vorgesehen (4). Es kann eine einzige
Wärmesenke 173 am
unitären
Wärmesenkenbereich 180 befestigt
oder angelötet
werden. Daher kann in vorteilhafter Weise eine einzige Wärmesenke 173 dazu verwendet
werden, die Wärmeableitung
für verschiedene
elektrische Vorrichtungen zu steigern, die in den Ausnehmungen 155 und 162 angebracht
sind. Alternativ kann der Wärmesenkenbereich 180 für individuelle
elektrische Vorrichtungen in unitäre Wärmesenkenbereichen unterteilt
werden. In einer weiteren Alternative kann eine der Ausnehmungen 155 gross
genug gemacht werden, um sämtliche Footprints 157 und
Hauptpads 164 aufzunehmen. In einer noch weiteren Alternative
können
dünne Streifen
aus starrem Leiterplattenmaterial in der Schicht 14 über die
einzelne Ausnehmung (nicht dargestellt) hinweg verbleiben, um zur
Anbringung von Wärmesenken 92 oder 173 und
Vorrichtungen 28 für
mechanische Festigkeit zu sorgen.
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Gemäss 6 ist die vorteilhafte starrflexibel
mehrschichtige Leiterplattenstruktur, wie oben unter Bezugnahme
auf die Leiterplatten 10 und 150 erläutert, in
ein Motorsteuerschaltungs-Plattensystem 200 implementiert
dargestellt. Das Motorsteuerschaltungs-Plattensystem 200 umfasst
eine Modul- oder Kunden-Interface
Platte 220 mit Anschlussfahnen 224, eine Leistungssubstratleiterplatte,
auch Leistungssubstrat 260 genannt, und eine kapazitive Leiterplatte,
auch Kondensatorplatte 140 genannt. Das Leistungssubstrat 260 umgibt
gehäuseartig
vorzugsweise IGBT's,
SCR's, bipolare
Transistoren, Dioden oder andere Halbleiterschalter (nicht dargestellt),
die Wechselstrom (AC)-Leistungssignale für die Verwendung durch einen
Motor (nicht dargestellt) vorsehen. Vorzugsweise umfasst das Leistungssubstrat 260 ein
Fenster 262 (oder einige Fenster anderer Grösse), wobei
das Substrat nur eine flexible Leiterplattenlage 12 an
einer Stelle zwischen einer Oberseite 265 und eine Bodenfläche 267 (8) aufweist. Vorzugsweise
ist eine (nicht dargestellte) Wärmesenke
auf einem Wärmesenkenbereich 266 (8) der Oberfläche 267 angebracht
und es sind Vorrichtungen wie die Vorrichtung 28 (vergl. 1 bis 5) an der Fläche 265 im Fenster 262 angebracht.
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Das
System 200 ist vorzugsweise aus einer einzigen flexiblen
Leiterplattenlage 12, einer starren Leiterplattenlage 14 und
einer starren Leiterplattenlage 56 (8) gefertigt. Die Lage oder Schicht 12 ist vorzugsweise
kontinuierlich oder fortlaufend mit der Kunden-Interface-Platte 220,
dem Leistungssubstrat 260 und der Kondensatorleiterplatte 240 vorgesehen.
Die flexibel Lage 12 sieht Lei stungsbusverbinder 242 und 244 zwischen
dem Leistungssubstrat 260 und der Kondensatorplatte 240 vor.
Verbinder 242 und 244 beherbergen vorzugsweise
eine positive und negative Leistungsbus-Leitung auf jeder Seite der
Verbinder 242 und 244 (beispielsweise der Schicht 12).
Darüber
hinaus sieht die Schicht 12 eine Verbindung 222 vom
Substrat 260 zur Träger-Leiterplatte 220 vor.
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Die
Kunden-Interface-Platte 220 und die Kondensator-Leiterplatte 240 sind
bezüglich
des Substrats 260 gemäss
Darstellung in 6 vorzugsweise
unter einem 90° Winkel
angeordnet. Eine (nicht dargestellte) Wärmesenke ist vorzugsweise an der
Oberfläche 267 befestigt
(das heisst auf der selben Seite des Substrats 260, von
der sich die Platte 220 und die Kondensatorplatte 240 erstrecken).
Die bevorzugte Orientierung des Systems 200 liefert eine überlegene
Wärmeableitung
in einer kompakten Packung. Alternativ können die Seiten der Platte 10 oder
des Moduls 160, auf der Wärmesenken 92 oder 173 und
die Vorrichtungen 28 angebracht sind, vertauscht werden.
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Die
Konfiguration des Leiterplattensystems 200 ermöglicht,
dass Hochleistungsverbindungen zwischen der Kunden-Interface-Platte 220,
der Platte 240 und dem Substrat 260 herstellbar
sind, ohne dass sperrige, unzuverlässige und teure Verbinder zum
Miteinanderverbinden der Platte 220, Platte 240 und
des Substrats 260 verwendet werden. Ferner ermöglicht die
der flexiblen Lage 12 innewohnende Flexibilität, das die
Kunden-Interface-Platte 220, die Platte 240 und
das Substrat 260 für
verschiedene mechanische Packungen manipulierbar sind, und erleichtert
die Herstellung des Leiterplattensystems 200. Die Verwendung
von Verbindungen zwischen der Platte 220, der Platte 240 und
dem Substrat 260 über
die flexible Lage 12 reduziert die Verwendung externer
Drähte
und Verbinder und folglich die parasitäre Induktivität, die mit
der gegenseitigen Verbindung der Leiterplatten verknüpft ist.
Daher sieht das Leiterplattensystem 200 eine vorteilhafte
kompakte Struktur für
einen Motorregler vor, die nicht anfällig für Probleme parasitärer Induktivitäten ist.
Darüber hinaus
reduziert die Verwendung der Schicht oder Lage 12 für Verbindungen
in dramatischer Weise Abhängigkeiten
zwischen Kriechstrecken und Sicherheitsabständen in Folge von vorhandenen
hohen Spannungen. Ferner sorgen die Verbindungen mit der Schicht 12 für eine Impedanzsteuerung
und Masseebenen in Logiksignal-Zusammenschaltbereichen des Systems 200.
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Die 8 in Form einer vergrösserten
Querschnittsansicht eines Teils des Systems zeigt die dargelegten
Lagen 12, 14 und 56 unter Bezugnahme
auf die 1 bis 3 in grösserem Detail. Bevorzugt ermöglicht die
dünne flexible
Lage 12 eine überlegene Wärmeübertragung
von der Oberfläche 265 zur Oberfläche 267 des
Substrats 260. Die Platte 260 umfasst vorzugsweise
den Wärmesenkenbereich 266 auf
einer Bodenseite 267 der Lage 12. Alternativ kann
das Fenster 262 oder der Bereich 266 so konfiguriert
sein, dass er starre Streifen (nicht dargestellt) der Lage 14 oder
Lage 56 aufweist, die in einer Matrix über das Fenster 262 oder
den Bereich 266 hinweg vorgesehen sind. Die starren Streifen
liefern eine überlegene
mechanische Festigkeit für
das System 200 im Fenster 262 oder Bereich 266.
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Es
versteht sich, dass, während
die detaillierten Zeichnungen, spezifische Beispiele und spezielle Materialien,
die angegeben sind, ein bevorzugtes exemplarisches Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung erläutern,
diese Angaben nur zum Zwecke der Veranschaulichung dienen. Das Verfahren
oder die Vorrichtung der Erfindung sind nicht auf die erläuterten
präzisen
Details und Bedingungen beschränkt. Obgleich
spezielle SMD-Packungen und elektrische Vorrichtungen erläutert sind,
kann die Leiterplatte mit anderen Arten von wärmeerzeugenden Komponenten
bestückt
werden. Auch können
verschiedene Konfigurationen für
einen leitenden Wärmesenkenbereich
oder die Leiterplattenlagen verwendet werden.