JP2015517226A - 回路板、特には、導電性基板を備える電力モジュールのための回路板 - Google Patents

Abstract

本発明はプリント回路板（１ａ、１ｂ、１ｃ）に関し、特に、導電性基板（３）を含む電力モジュール（２）のためのプリント回路板に関する。該基板は少なくとも部分的に、好ましくは全体がアルミニウム及び／又はアルミニウム合金から成る。導電性基板（３）の少なくとも１つの表面（３ａ、３ｂ）には、少なくとも１つの導体表面（４ａ，４ｂ）が、好ましくは印刷工程、より好ましくはスクリーン印刷工程によって塗布された導電層の形態で配置され、該導体表面（４ａ，４ｂ）は導電性基板（３）に直接電気接触する。【選択図】図２ａ

Description

本発明は、プリント回路板に関し、特に、導電性基板を備える電力モジュールのためのプリント回路板に関する。基板は、少なくとも部分的に好ましくは全体的に、アルミニウム及び／又はアルミニウム合金を含む。さらに、本発明は、少なくとも１つのプリント回路板を含む電力モジュール、及び、プリント回路板を製造する方法に関する。

アルミニウム材はとりわけパワーエレクトロニクスの分野で、これまでになく重要性が増している。比較的軽量で低価格であることから、アルミニウムは、電力モジュールの電子部品（例えばＬＥＤ、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴ）の放熱器として、あるいは直接的に、電流通過導体、具体的には電流バー又はバスバーとして頻繁に使用される。この使用目的において、アルミニウムは極めて高レベルの熱伝導率と電気伝導率を有している。

パワーエレクトロニクスの分野において、絶縁金属基板（簡略にはＩＭＳ）が基板として繁用され、該基板はアルミニウムのコア（芯材）を含むとともに電気絶縁層又は誘電層によって覆われている。その場合、アルミニウムのコアはより高い熱伝導を得ることだけを目的に使用される。導体トラックそのものは絶縁層上に配置され、アルミニウムのコアに電気接触することはない。

本発明の目的は、電子部品をプリント回路板の基板（基材）に電気接触可能に配置される、上記の一般的なタイプのプリント回路板を提供することにある。特には、電子部品が基板に電気接触できるように、電子部品はプリント回路板の基板にはんだ付け可能であり、また、該基板は主にアルミニウム及び／又はアルミニウム合金を含むように試みるものである。

本発明は、該課題を請求項１の特徴によって実現するものである。本発明の有利な構成は付随する請求項に記載されている。

本発明に基づき、導電性基板の少なくとも一表面に配置されるのは、好ましくは印刷工程、より好ましくはスクリーン印刷工程によって塗布される導電層の形態の、少なくとも１つの導体表面である。該導体表面は導電基板に直接に電気接触する。

本発明は、基板上に配置される導体トラック又は導体表面と、基板自体を直接に電気接触させ、基板を導電体として使用することを目的としている。提案されているプリント回路板の場合、実質的に銅を含んでもよく、且つ、２５μｍから１２５μｍの厚さ、好ましくは９０μｍから１１０μｍの間の厚さであってもよい導体表面が、導電性基板の表面に直接的に配置されている。よって、基板と導体表面との間に配置された絶縁層を省略することが可能である。このことは、プリント回路板の簡易化された構造を実現し、これにより、低コストでの製造を可能にする。他方、基板は、放熱装置としての機能に加え、プリント回路板の電流通過部としても使用されうる。このことは、特に、電気モジュールと、そこで発生する高電流との関係において有利である。

とりわけ好ましい実施形態において、導電性基板の少なくとも一方の表面は実質的に平面（平坦）である。よって、プリント回路板の製造工程を実質的に簡略化できる。すなわち、例えば、標準的な約１ｍｍから３ｍｍの厚さのアルミニウム板は、特別に処理されているアルミニウム板の表面でなくとも、各要件に準じて、容易に切断、のこぎりによる切断、又は打ち抜きが可能である。

本発明の好ましい実施形態において、導電性基板の少なくとも一方の表面に配置されるのは、好ましくは印刷工程、とりわけ好ましくはスクリーン印刷工程によって塗布される誘電（絶縁）層の形態の少なくとも１つの絶縁体表面である。この点において、少なくとも１つの絶縁体表面は、少なくとも１つの導体表面に対して、少なくとも部分的に接合しうる。また、好ましくは、少なくとも１つの導体表面を包囲しうる。

電流通過部又は電圧通過部（ｖｏｌｔａｇｅ−ｃａｒｒｙｉｎｇ ｐａｒｔ）と、それに関連するショート回路（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ）との間のフラッシュオーバ（ｆｌａｓｈ−ｏｖｅｒ）を防止するために、それぞれに所定の間隔で配置されなければならない。例えば、電位差が４００Ｖである２つの電圧通過部の間の間隔又は空隙は、ＤＩＮ規格 ＤＩＮ ＥＮ ６０６６４−１ ＶＤＥ ０１１０−１に準拠して、少なくとも４ｍｍでなければならない。絶縁体表面のおかげで、別の電流通過部、例えば同一の絶縁耐力を有する電力モジュール内の他のプリント回路板に対する間隔は、例えば１ｍｍ以下に減少できる。このように、少なくとも１つの提案されているプリント回路板を含む電力モジュールの構造上のサイズを小さくすることが可能である。

絶縁体表面の厚さは評価される各々のフラッシュオーバ電圧に従って選択されうる。２５μｍあたり８００Ｖの誘電層の平均的なフラッシュオーバ電圧の場合、通常、厚さ１００μｍの絶縁体表面で十分である。一般的に、誘電層の厚さは、例えば、２つのプリント回路板間に使用及び配置されるＩＧＢＴのフラッシュオーバ電圧に依存して選択されうる。また、誘電層の厚さは、例えば、約６００Ｖから約１７００Ｖの間のフラッシュオーバ電圧が実現する高電圧印加のために選択されうる。

一般的に、絶縁体表面は、少なくとも１つの導体表面を被覆するはんだとしても機能しうる。従って、上記少なくとも１つの導体表面は、このように基板に配置されてもよく、結果として少なくとも１つの又は複数の導体表面が絶縁体表面で包囲される。

少なくとも１つの絶縁体表面を基板上に作成するために、誘電層が少なくとも１つの基板の表面に、少なくとも部分的に（ｒｅｇｉｏｎ−ｗｉｓｅ）適用（付着）されうる。その場合、誘電性の厚層ペーストは、印刷工程、好ましくはスクリーン印刷工程によって塗布される。厚層ペーストは約２００℃以下の温度で約１０分間乾燥するか、又は焼成炉で直接焼結する。

厚層ペーストの焼成又は焼結は、焼成炉内の約５４０℃から６４０℃の間の温度における空気雰囲気中で実行されうる。さらに、５４０℃以下の温度で厚層ペーストを焼成することも可能だが、厚層ペーストの基板への付着において有害作用がもたらされることもある。厚層ペーストが６４０℃以上で焼成されると、アルミニウムの融点が約６６０℃であることから、基板が軟化し始めうる。

基板への厚層ペーストの付着を有利に実現するために、厚層ペーストのガラス成分は、少なくとも１つのアルカリ金属酸化物、例えば酸化リチウム、酸化ナトリウム、酸化カリウムを含みうる。結果として、ガラス成分はアルミニウムの融点よりも低い温度で溶解する。さらに、厚層ペーストの膨張率（膨張係数）は、アルカリ金属酸化物の存在により上昇し、及び／又はアルミニウムの膨張率に適合されうる。

提案されているプリント回路板は、特に、例えば高電流多重相の電力ブリッジ又は電力変換器のようなコンパクトな電力モジュールの使用に適している。このような電力モジュールは、絶縁ゲート電極（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、簡略にはＩＧＢＴ）を含むバイポーラトランジスタ形式の電子スイッチ又はトランジスタを屡々採用する。このようなゲート電極の接続には、導電層形式の少なくとも１つの接続表面（ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）が、少なくとも１つの絶縁体表面に配置される。該接続表面は、例えばはんだ付けによって、その後ＩＧＢＴのゲート端子に接続されうる。

請求項１２に記載の電気モジュールに関する保護もまた主張する。有利な構成は付随する請求項に記載されている。

提案されているプリント回路板は電力モジュールの一部、例えば変換器であってもよい。この変換器はとりわけ自動車分野におけるハイブリッド又は完全電気駆動系に使用され、これによって交流電圧源（例えば電池）の交流電圧を、３相モータ用に３相直流電圧へと変換する。その場合、変換器は６個の電子スイッチ（例えばＩＧＢＴ）と、それに対応するフリーホイーリングダイオード（又は還流ダイオード、ＦＷＤ）を含みうる。ここで、ＩＧＢＴのゲート端子の適切な作動により、例えば、約３００Ｖから１２００Ｖの範囲の、変換器に接続された直流電圧は、既知の方法で、３相に変位された交流電圧へと変換され、３相モータに供給される。

とりわけ好ましい実施形態によると、提案されている電力モジュールは第１のプリント回路板、第２のプリント回路板、及び３個の第３のプリント回路板を含みうる。

第１のプリント回路板には、複数の導体表面、好ましくは６個の導体表面が、導電性基板の少なくとも１つの表面上に配置されており、好ましくは、導体表面が絶縁体表面で包囲されている。例えば、３個のＩＧＢＴとそれに対応する３個のフリーホイーリングダイオードは、導体表面に、例えばはんだ付けによって取り付けられうる。第１のプリント回路板は、例えば、変換器の陰極の電流バーの形態でもよく、直流電圧源の陰極に接続されてもよい。

さらに、第２のプリント回路板には、複数の接続表面、好ましくは３個の接続表面が絶縁体表面上に配置される。このように、導体表面に対して配置された３個のＩＧＢＴとそれに対応する３個のフリーホイーリングダイオードに加え、ＩＧＢＴのゲート電極も、例えばはんだ付けによって接続表面に接続され、後に作動されうる。第２のプリント回路板は、例えば変換器の陽極の電流バーの形態でもよく、直流電圧源の陽極に接続されてもよい。

３個の第３のプリント回路板のそれぞれにおいて、複数の導体表面、好ましくは２個の導体表面が導電性基板の第１表面上に配置され、複数の導体表面、好ましくは２個の導体表面、及び少なくとも１つの絶縁体表面が導電性基板の第２表面上に配置され、接続表面は少なくとも１つの絶縁体表面上に配置される。

その場合、３個の第３のプリント回路板はそれぞれ、３相モータのための変換器の相結線（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）の形態であってもよい。その場合、第３のプリント回路板の第１表面の２つの導体表面は、例えばはんだ付けによって、ＩＧＢＴとそれに対応する３個のフリーホイーリングダイオードを含み、第２のプリント回路板上に配置されうる電子部品のそれぞれの組に接続されてもよい。その場合、第３のプリント回路板の第２表面の２つの導体表面と接続表面は、例えばはんだ付けによって、ＩＧＢＴとそれに対応する３個のフリーホイーリングダイオードを含み、第１のプリント回路板上に配置されうる電子部品のそれぞれの組に接続されてもよい。その場合、接続表面はＩＧＢＴのゲート端子をそれぞれ接続するのに役立つ。

プリント回路板が実質的に積み重ねられて配置される場合、特に有利であることが判明しており、ここでは、第１のプリント回路板と第２のプリント回路板との間に、３個の第３のプリント回路板が、好ましくは互いに並列状態で配置されている。このことにより、電力モジュールを極めてコンパクトな構成とすることが可能となる。

とりわけ好ましい実施形態において、電力モジュールは高電流多重相の電力ブリッジの形態であってもよく、３個のトランジスタ、好ましくはＩＧＢＴ、及び３個のフリーホイーリングダイオードが、好ましくははんだ付けによって、第１のプリント回路板の少なくとも１つの表面、及び／又は３個の第３のプリント回路板の第２表面上に配置され、また、３個のトランジスタ、好ましくはＩＧＢＴ及び３個のフリーホイーリングダイオードが、好ましくははんだ付けによって、第２のプリント回路板の少なくとも１つの表面、及び／又は３個の第３のプリント回路板の第１表面上に配置される。

例えば、ＩＧＢＴとフリーホイーリングダイオードなどの電子部品を提案されているプリント回路板にはんだ付けする工程は、好ましくは気相はんだ付け（ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）によって実行されうる。その場合、電力モジュールのはんだ層における単一的な温度勾配が実現されうる。スタックされた（積み重ねられた）変換器の場合、第１のはんだ層は第１のプリント回路板と３個の第３のプリント回路板との間に配置されてもよく、また、第２のはんだ層は３個の第３のプリント回路板と第２のプリント回路板との間に配置されてもよい。

一般的には、導体表面は、例えばガルバニック処理、プラズマ溶射、又はめっき（例えばロールめっき）など、様々な加工によって基板表面に適用可能である。

請求項１６に記載のプリント回路板の製造方法に関する保護もまた主張する。有利な構成は付随する請求項に記載されている。

アルミニウムの化学的特性は、アルミニウム本体の表面に存在する酸化過程の結果として空気中で急速に形成され、大気中の酸素に触れることで形成される薄膜の酸化被膜である。この酸化被膜は確かに腐食からの保護の役割があるが、一方で、はんだ付け、溶接、又はその他の既知の接合技術によって、アルミニウムと他の素材とを接合することを困難にしている。

提案されているプリント回路板を製造するために、特に、基板上に少なくとも１つの導体表面を製造するために、導体ペーストが基板の表面に少なくとも部分的に塗布される。第１焼成段階において、導体ペーストは実質的に継続して上昇する焼成温度に露出され、焼成温度は予め決定可能な約６６０℃以下の最高焼成温度まで上昇し、第２焼成段階において、導体ペーストは実質的に、既定の時間、既定の最高焼成温度まで露出され、冷却段階において、導体ペーストは冷却され、後処理段階において、導体ペーストは機械的に後処理され、好ましくはブラシがかけられる。

該方法のステップに沿って導体ペーストが塗布（適用）及び焼結される領域は、その領域に広がっている基板の酸化被膜の代わりに、基板の電気接触をもたらすものである。導体ペーストの塗布及び焼結により、少なくとも部分的に実現される導電層はその後、例えば、電子部品又は放熱器をはんだ付けしたりするために使用され、該放熱器そのものはアルミニウムを含んでいる。

その場合、基板は、少なくとも部分的に好ましくは全体で、できるだけアルミニウム含有率の高いアルミニウム材を含みうる。好ましくは、欧州基準ＥＮ ５７３に準拠した、ＥＮ ＡＷ−１０５０Ａ 又はＥＮ ＡＷ−１０６０Ａの品質であって、それぞれが少なくとも９９．５重量パーセント又は９９．６重量パーセントを含有するアルミニウム材を使用する。上記の実質的な純アルミニウムと比較して、幾分低い液相温度と低レベルの熱伝導率ではあるが、例えばＥＮ ＡＷ３００３（ＡｌＭｎ１Ｃｕ）、ＥＮ ＡＷ−３１０３（ＡｌＭｎ１）， ＥＮ ＡＷ−５００５（ＡｌＭｇ１）、又はＥＮ ＡＷ−５７５４（ＡｌＭｇ３）のようなマンガン又はマグネシウムを含むアルミニウム合金を使用することも可能である。

記載される製造方法は、アルミニウム製基板の表面の個別領域を選択的に金属化するとする実施可能な選択肢を与える。ここでは、金属化された部分は、焼結導体ペーストの形態で、含有される材料に直接的に接着結合され、これにより、基板に対する導体ペーストの高レベルの電気伝導率と熱伝導率を実現可能にし、その逆も同様である。さらに、金属化された領域は、既知の方法で基板が別の部品と接続されうる、はんだ付け可能な領域を意味する。このように、例えば、個々の電子部品は、共晶融点のＳｎ−Ｐｂ−系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−系、又はＳｎ−Ａｕ−系はんだのような従来のはんだ剤を使用して、金属化された領域にはんだ付け可能となる。

とりわけ好ましい実施形態によると、導体ペーストはプリント印刷工程、好ましくはスクリーン印刷工程によって基板の表面に塗布される。

その場合、厚層ペースト又は焼結ペーストの形態の従来の導体ペーストを使用してもよい。導体ペースト及び基板における異なる度合での熱膨張は、厚層ペーストの多孔率によって補償され得る。これにより、例えば自動車業界では、特に、主要な繰返し熱応力（ｍａｊｏｒ ｃｙｃｌｉｃ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ）に関して、導体ペーストと基板との間の接続の信頼性が向上しうる。

層を基板上に構築するスクリーン印刷手順の追加的な特質には、基板表面の金属化において、露出及びエッチング工程の使用を省略可能であることが含まれ、提案されている工程にコスト面での優位性をもたらす。

厚層導体ペーストは通常、導電性剤として少なくとも金属粉末を含み、結合剤として無機粉末（例えばガラスフリット）を含み、さらに有機結合剤及び溶解剤を含む。有機結合剤及び溶解剤は、既知の流動学的なペースト状粘度をもたらすが、導体ペーストの追加的な構成要素によっても影響を受ける。

導電性の金属粉末の構成要素に関して、好ましくは、銅粉を含む導体ペーストが使用される。銀粉及び／又は金粉を含む導体ペーストを使用することも可能であることは言うまでもないが、銅粉の使用が顕著に安価である。

無機粉末の構成要素に関して、好ましくはＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系のガラス、及び／又はＢｉ_２Ｏ_３を含有するガラスを含む導体ペーストが使用される。このように、提案されている方法の焼結手順において、この状況で実施される比較的低い焼成温度にも関わらず、導体ペーストと基板との良好な付着を実現できる。

導体ペーストが、例えば、最先端技術として知られるスクリーン印刷工程などの印刷によって適用された後、導体ペーストはその流動学的特性のおかげで、実質的に、該当する領域に残留し、さほど広い範囲に流れることはない。焼成又は焼結作業のために基板の表面に塗布される導体ペーストを最適に調合できるようにするためには、好ましくは、導体ペーストは乾燥段階の第１焼成段階に先立ち、約８０℃から約２００℃の間、好ましくは１００℃から１５０℃、とりわけ好ましくは最高温度１３０℃の温度で、好ましくは約５分から約２０分の間乾燥される。この乾燥段階により、導体ペーストに存在する溶剤は、実質的に完全に消散される。例えば、赤外線又はホットエアドライなどの既知の乾燥方法がこの場合には好ましい。導体ペーストの溶剤の乾燥工程及びそれに関連する消散のため、導体ペーストには一定量の収縮が生じる。ただし、該当する厚層の導体ペーストの塗布により、該縮小をあらかじめ中和させることも可能である。

提案されている方法の第１及び／又は第２焼成段階における導体ペーストの焼成又は焼結は、好ましくは、焼成炉で実行されうる。焼成温度は焼成炉で有効である。乾燥段階及び／又は冷却段階もまた、焼成炉で実行されうる。この場合、好ましくはコンベヤが備わった焼成炉が使用されうる。

基板及び導体ペーストを含む使用材料の組み合わせによって、適切な焼成プロファイルを適用させることが可能である。特定の変形例では、第１焼成段階で、焼成温度は少なくとも一時的に、約４０℃／秒と約６０℃／秒の間まで上昇する。さらに、第１焼成段階では、焼成温度が最高焼成温度の約５８０℃、好ましくは約５６５℃、とりわけ好ましくは約５４８℃まで上昇する。

約４００℃から４５０℃までの間の温度に導体ペーストを加熱することで、例えば有機結合剤のような有機成分が実質的に完全に破壊され、無機成分（例えばガラス粉末又はガラスフリット）が軟化する。さらに、この温度に達すると、金属粉末焼結プロセスが開始される。続いて軟化した導体ペーストのガラス成分は、導体ペーストを基板に良好に付着させる。

最高焼成温度は、基本的にアルミニウムの溶融温度、すなわち約６６０℃で制限される。銀製の導体ペーストを使用する場合、最高焼成温度は好ましくは約５６５℃であり、一方で銅製の導体ペーストを使用する場合、最高焼成温度は好ましくは約５４８℃である。これらの温度は、このケースで含まれる共晶アルミニウム・銅合金又は共晶アルミニウム・銀合金の可能な溶融温度に起因する。

それぞれの最高焼成温度に関して、導体ペーストに適しているガラス成分が選択され、それに対応するガラス転移温度（ＴＧ）又は溶融温度（ＴＳ）が最高焼成温度に適合する。対応する導体ペーストのガラス成分のガラス転移温度又は溶融温度は、特定の最大焼成温度を適切に下回り、導体ペーストと回線基板との最適な付着を確保する。とりわけ、ＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系のガラス、及び／又はＢｉ_２Ｏ_３を含有するガラスが適している。

第２焼成段階における導体ペーストの焼成が、約５分から約３０分の間実施されると、特に有利であることが判明している。導体ペーストと基板との最適な付着が実施可能である。基本的に、第２焼成段階で（最高焼成温度で）より長い時間焼成すると、導体ペーストはより高密度で焼結され、それ以降の加工（例えば、はんだ付けや溶接）において、より良好な特性を有することになる。しかし、第２焼成段階の時間が長すぎると、一般的な焼成炉の通過時間もそれに従って長くなり、全体的なスループットに悪影響を与える可能性がある。

さらに有利な実施形態では、予め決定可能な最高焼成温度は、第２焼成段階において、実質的に一定である。

好ましくは、導体ペーストは、第１焼成段階及び／又は第２焼成段階において、窒素を含む保護ガス雰囲気に露出される。不燃性ガス又は保護ガスの使用は、例えば導体ペーストに含まれる銅の酸化を減少又は防止できることを意味する。とりわけ、高温において有利である。（例えば窒素のような）保護ガス雰囲気は、銅の導体トラックペーストの燃焼に対して、導体トラック材料の酸化を防止するのに有利である（焼成段階によっては、数ｐｐｍの残留酸素含有量が存在しうる）。このような材料の有機結合又は導体ペーストの有機結合は、窒素雰囲気において減少できると考えられうる。一方、従来の空気雰囲気は銀の導体トラックペーストに有利である。なぜなら、該空気雰囲気は酸化による導体トラック表面の深刻な障害を含まないからである。この場合に使用される有機結合は、空気中の酸素によって酸化されうる。

本発明の好ましい実施形態において、冷却段階では、少なくとも一時的に、約２０℃／分から約４０℃／分の間、好ましくは約３０℃／分で焼成温度を下げる。この場合において、好ましくは、冷却は大気温度に達せられる。冷却作業が遅くなると、使用材料の熱膨張の異なる係数により、導体ペーストと基板との間の結合の機械的効果がそれに応じて低下する。

この場合に一般的に採用される高温度により、焼成または焼結行程中に起こる焼結導体ペーストの標準的な酸化のため、導体ペーストの表面は、例えば、それに続くはんだ付けや溶接工程などの次の工程を円滑に行うために、冷却ステップ後、適切に、機械で後処理が行われる。

好ましい実施形態によると、導体ペーストは、約１０μｍから約１００μｍの間の厚さで、基板の表面に塗布される。１０μｍよりも薄く、又は１００μｍよりも厚く基板の表面に導体ペーストを塗布することも可能であることは言うまでもない。また、導体ペーストの最終的な合計厚さを増加させるために、複数回、連続して、提案されている方法を適用することも可能である。好ましくは、焼結導体ペーストに対応する、提案されているプリント回路板の少なくとも１つの導体表面は、２５μｍから１２５μｍの間、好ましくは９０μｍから１１０μｍの間の厚さである。

本発明の詳細及び有利点は、下記の具体的記述によって説明される。図面には以下が記される。

図１は変換器の形態の電気モジュールの回路図を図示している。 図２ａは提案されているプリント回路板の透視図を図示している。 図２ｂは、電子部品が配置された図２ａのプリント回路板を図示している。 図３は電子部品が配置された、提案されているプリント回路板を図示している。 図４は組立時の提案されている電力モジュールの実施形態を図示している。 図５は提案されている電力モジュールの透視図を図示している。 図６は図５の電力モジュールの側面図を図示している。 図７ａは図５の切断線Ｉ−Ｉにおける断面図を図示している。 図７ｂは図７ａの詳細図を図示している。 図８ａは図５の切断線ＩＩ−ＩＩにおける断面図を図示している。 図８ｂは図８ａの詳細図を図示している。

図１は変換器の形態の電気モジュール２の回路ブロック図を図示している。電力モジュール２はＩＧＢＴの形態によるＵ_Ｈ、Ｖ_Ｈ、Ｗ_Ｈ、Ｕ_Ｌ、Ｖ_Ｌ、Ｗ_Ｌの６つの電子部品７を含み、例えば電池のような直流電圧源と接続される。３つのハイサイドトランジスタＵ_Ｈ、Ｖ_Ｈ、Ｗ_Ｈのゲート端子が電気起動手段１０によって既知の方法で起動され、直流電圧源９の直流電圧は電力モジュール２によって、３相に変異された直流電圧へと変換され、３相モータ１１に供給される。６個のＩＧＢＴのそれぞれは、対応するフリーホイーリングダイオードにさらに接続されうる。ただし、図面をわかりやすくするために、これらのフリーホイーリングダイオードはこの図では表示されていない。

図２ａは図１で図示される変換器の形態の電力モジュール２のプリント回路板１ｂを表している。プリント回路板１ｂはアルミニウム板の形状の導電性基板３、実質的に平坦な表面３ａ、３ｂを含む。プリント回路板１ｂは、例えば変換器の正電流バーであってもよく、接続要素１２を使用して直流電圧源９の陽極に接続されうる。プリント回路板１ｂの表面３ａは、そこに配置されるＩＧＢＴのための３個の導体表面４ａと、そこに配置されるフリーホイーリングダイオードのための３個の導体表面４ｂを有している。導体表面４ａと４ｂは絶縁体表面５によって包囲又は縁どられている。導体表面４ａと４ｂの両方、及び絶縁体表面５は、スクリーン印刷によって、適切な厚層ペーストの形態で、基板３の表面３ａに貼り付けられ、また、例えば焼成炉で焼成又は焼結されうる。ＩＧＢＴのゲート端子に適切な制御信号を供給できるようにするために、適切な接続表面６が絶縁体表面５に追加的に配置される。

図２ｂは、ＩＧＢＴ７が導体表面４ａに、そして還流ダイオート８が導体表面４ｂに配置された、図２ａのプリント回路板を表している。この場合、ＩＧＢＴ７のゲート端子は接続表面６に接続されている。

図３は、図２ａのものと類似のプリント回路板１ａを示している。該プリント回路板１ａは、ゲート端子又は接続表面６を含まないが、導体表面４ａに配置されたＩＧＢＴ７及び導体表面４ｂに配置された還流ダイオート８を有する。この場合、電子部品７、８は例えば気相はんだ付けで対応する導体表面４ａ，４ｂにはんだ付けされる。

図４は図１に図示される電気モジュール２の実施形態を表しており、電気モジュール２は第１のプリント回路板１ａ、第２のプリント回路板１ｂ、及び、３個の第３のプリント回路板１ｃを含む。ここで、第１のプリント回路板１ａが図３のプリント回路板１ａに対応し、第２のプリント回路板１ｂが図２ａのプリント回路板１ｂに対応する。第１のプリント回路板１ａは、第１のプリント回路板１ａの基板３の接続要素１２を使用して、例えば、直流電圧源９の陰極に接続されてもよく、それによって第１プリント回路板１ａの基板３は負電流バーの形態で接続される。第２のプリント回路板１ｂは、基板３の接続要素１２を使用して、例えば、直流電圧源９の陽極に接続されてもよく、それによって第２プリント回路板１ｂの基板３は正電流バーの形態で接続される。

３個のプリント回路板１ｃはそれぞれアルミニウム板の形状の導電性基板３、実質的に平坦な表面３ａ、３ｂを含む。接続されるＩＧＢＴのための導電性の導体表面４ａ、及び、接続されるフリーホイーリングダイオードのための導電性の導体表面４ｂは、第３のプリント回路板１ｃの基板３の各第１表面３ａにそれぞれ配置される。第３のプリント回路板１ｃの基板３の各第２表面３ｂ及び各第１表面３ａにそれぞれ対応する導電性の導体表面４ａ，４ｂに配置されるのは絶縁体表面５であり、ＩＧＢＴのゲート電極に接触するため、その上に導電性の接続表面６が配置される。３個の第３のプリント回路板１ｃの各基板３は接続要素１２を備え、それを使用して３個の第３のプリント回路板１ｃのそれぞれは３相モータ１１の相に接続される。

図４に図示されるように、電気モジュール２を組み立てるために、プリント回路板１ａ、１ｂ、１ｃは３個の第３のプリント回路板１ｃが、第１のプリント回路板１ａと第２のプリント回路板１ｂの間で、互いに並置される形で配置されるように、垂直に積み重ねられる。第１のプリント回路板１ａと３個の第３のプリント回路板１ｃとの間に配置されるのは、プリント回路板１ａ、１ｃの導体表面４ａ、４ｂのそれぞれにはんだ付けされうる３個のＩＧＢＴ７及び３個のフリーホイーリングダイオード８である。同様に、３個の第３のプリント回路板１ｃと、第２のプリント回路板１ｂとの間に配置されるのは、第３のプリント回路板１ｃの第１表面３ａと、第２プリント回路板１ｂの第１表面３ａの対応する導体表面４ａ、４ｂにはんだ付けされうる３個のＩＧＢＴ７及び３個のフリーホイーリングダイオード８である。第１のプリント回路板１ａと３個の第３のプリント回路板１ｃとの間の３つのＩＧＢＴ７のゲート端子は、３個の第３のプリント回路板１ｃの第２表面３ｂ上の接続表面６を経由して接触してもよい。また、３個の第３のプリント回路板１ｃと第２のプリント回路板１ｂとの間のＩＧＢＴ７のゲート端子は、第２のプリント回路板１ｂの第１表面３ａの接続表面６を経由して接触してもよい。

図５は、図４の電力モジュール２の完成組立品を示している。そして、スクリーン印刷工程によって塗布された誘電層の形態の絶縁体表面５が、３個の第３のプリント回路板１ｃの表面３ａ、３ｂの両方にそれぞれ配置されるという相違点を有する。ここでは、表面３ａ，３ｂの各絶縁体表面５は、導体表面４ａ，４ｂをそれぞれ包囲している。ここで特に、プリント回路板１ａ，１ｂ，１ｃの垂直方向のスタッキング、及び、このように実現される電力モジュール２のコンパクトな構造は明らかである。

図６は図５の電力モジュール２の側面図である。プリント回路板１ａ、１ｂ、１ｃの基板３の接続要素１２は、この場合、別の要素への接続ポイントを形成する（図１参照）。この配置では、第１プリント回路板１ａの接続要素１２は直列電圧源９の陰極に接続されてもよく、第２プリント回路板１ｂの接続要素１２は直流電圧源９の陽極に接続されてもよい。３個の第３のプリント回路板１ｃの接続要素１２は３相モータ１１の対応する相結線（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）に接続しうる。

図７ａは図５の切断線Ｉ−Ｉに沿った電力モジュール２の断面図を表し、図７ｂは図７ａの円で示された拡大寸法の領域Ｂを示している。図７ｂの拡大図は、電力モジュール２の第１のプリント回路板１ａと、３個の第３のプリント回路板１ｃの１つとの間に配置されたＩＢＧＴ７を示している。このケースでは、ＩＧＢＴ７が第１のプリント回路板１ａの表面３ａの導体表面４ａ及び第３のプリント回路板１ｃの表面３ａの導体表面４ａの両方に、例えば気層はんだ付け方式で、はんだ付けされている。ここで使用されるはんだは、それぞれ参照番号１３で示されている。第１のプリント回路板１ａの表面３ａ上、及び、第３のプリント回路板１ｃの表面３ｂ上の導体表面４ａ及び導体表面４ｂ（図示されず）が誘電絶縁体表面５によって包囲されている。

図８」は図５の切断線ＩＩ−ＩＩに沿った電力モジュール２の断面図を表し、図８ｂは図８ａの円で示された拡大寸法の領域Ｃを示している。図７ｂの拡大図と比較すると、図８ｂの拡大図では、電力モジュール２のプリント回路板１ｂと、３個の第３のプリント回路板１ｃのうちの１つとの間に配置されたＩＧＢＴ７が見られる。第２のプリント回路板１ｂの表面３ａ上、及び第３のプリント回路板１ｃの表面３ａ上の導体表面４ａ及び４ｂは、誘電絶縁体表面５によって包囲されている。図５の切断線ＩＩ−ＩＩに沿った図示部分は、ＩＧＢＴ７のゲート端子の領域に存在する。ＩＧＢＴ７のゲートを電気的に作動できるよう、導電層の形態の接続表面６が第２のプリント回路板１ｂの表面３ａ上の絶縁体表面５に配置されている。再度となるが、参照番号１３は、第３のプリント回路板１ｃの導体表面４ａ及び第２のプリント回路板１ｂの接続表面６にはんだ付けするために使用される各はんだを意味する。

提案されているプリント回路板１ａ，１ｂ，１ｃを備える電力モジュール２の場合、電子部品７，８は、はんだ付け可能な導電性導体表面４ａ，４ｂの供給により、プリント回路板１ａ、１ｂ、１ｃの基板３上に直接はんだ付けされうる。結果として、例えば、ワイヤボンディングのような、その他通常の接続方法の手間を省くことが可能である。絶縁体表面５を追加的に提供するおかげで、プリント回路板１ａ，１ｂ，１ｃを、例えば、絶縁耐力を失うことなく、垂直にスタックすることにより、極めてコンパクトな方法で取り付けることができる。従って、スタックされた構造の場合、プリント回路板１ａ，１ｂ，１ｃの２つの電流通過基板３又は電圧通過基板３の間の間隔は、電子部品７、８の厚さ（例えば、一般的なＩＧＢＴ７の２５０μｍ）、及び導体表面４ａ、４ｂの厚さ（例えば１００μｍ）まで減少されてもよい。変換器の形態の電力モジュール２の場合、ハイサイドトランジスタとローサイドトランジスタとの間の減少された間隔は、電力モジュール２のインダクタンスを減少させ、従って、電力モジュール２の効率を向上させることができる。

電力モジュールの製造時、プリント回路板１ａ、１ｂ、１ｃの導体表面４ａ、４ｂと接続表面６は、それぞれが一緒に焼成又は焼結される。

とりわけ好ましい実施形態において、好ましくはスタックされた電力モジュール２全体は、プリント回路板１ａ、１ｂ、１ｃのそれぞれの間に配置された電子部品７、８（図４を参照）が、１つの作業工程（ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｔｅｐ）において導体表面４ａ、４ｂと接続表面６に（例えば気相はんだ付け方式で）はんだ付けされる場合には、１つの作業工程で完了される。プリント回路板１ａ、１ｂ、１ｃを組み立てる作業は複数のステップで行われる得ることは言うまでもない。例えば、電子部品７、８は第１のプリント回路板１ａと第２のプリント回路板１ｂとにそれぞれはんだ付けされてもよく、また、さらに先の工程では、電子部品７、８は第３のプリント回路板１ｃの対応する導体表面４ａ，４ｂと接続表面６にはんだ付けされてもよい。その場合、プリント回路板１ａ、１ｂ、１ｃの絶縁体表面５は、はんだ付け作業の間、電子部品７、８を所望の位置に固定するはんだストップマスク（ｓｏｌｄｅｒ ｓｔｏｐ ｍａｓｋ）としても機能する。

導体表面４ａ、４ｂ上に配置されるはんだペーストは、例えばはんだペーストの異なる厚さの層が導体表面４ａ、４ｂに塗布されるとき、通常、プリント回路板１ａ、１ｂ、１ｃの基板３をより良好に互いに順応させるために使用されうる。一般的には、はんだペーストの代わりに、成形はんだピースを使用してもよい。

異なる融点のはんだをはんだ付けに使用できる。例えば、約２２０℃の液相温度のＳｎＡｇＣｕはんだ、及び、約３００℃の液相温度の高鉛はんだが使用可能である。その結果、例えば、まず、電子部品が高鉛はんだを用いて導体表面上の第１側面にはんだ付けされ、次の工程で、該電子部品は別の基板の導体表面上に、ＳｎＡｇＣｕはんだを用いて、第２側面にはんだ付けされてもよい。このように、部品はしっかりと適所に固定される。

提案されているプリント回路板を用いると、放熱作用に加え、導電性作用をも担う基板を提供できる。提案されているプリント回路板の基板に、導体表面と誘電絶縁体表面とを付着（貼付）することによって、容易に電子部品を基板にはんだ付け可能であり、その結果、電気的接触可能となる。他方、例えば垂直方向にスタックすることにより、電力モジュールのコンパクトな構造を実現できる。電圧通過部の間隔は減少され、それによって絶縁体表面による電力モジュールのインダクタンスもまた減少されうる。さらに、基板の材料としてアルミニウムを使用することで、電力モジュールの直接的な、両側面からの冷却が可能となり、ひいては、より高い高電流密度が可能となる。はんだ接合の提供のおかげで、ワイヤボンディングのような他の結合手順を省略でき、部品結合の信頼性を高めることが可能である。提案されているプリント回路板の基板上の導体表面製造のための厚層手順を用いた場合、基板上に配置された電子部品と、放熱器として機能する基板との間の熱抵抗を、基板上の部品の直接組立により減少させることもでき、これらはこのように実現可能となる。比較的低温で焼結される銅製導体ペーストの高空隙率により、導体表面とそこに配置される電子部品との間のはんだ層における機械的ストレスを減少させることも可能である。このことは特に、より高い温度サイクル耐性と、より長い使用可能寿命をもたらす。

Claims (16)

1. 導電性基板（３）を備える、特に電力モジュール（２）のためのプリント回路板（１ａ、１ｂ、１ｃ）であって、前記基板（３）は少なくとも部分的に好ましくは全体的にアルミニウム及び／又はアルミニウム合金を備えており、
   好ましくは印刷工程、より好ましくはスクリーン印刷工程によって適用される導電層の形態の少なくとも１つの導体表面（４ａ，４ｂ）が前記導電性基板（３）の少なくとも１つの表面（３ａ，３ｂ）に配置され、前記導体表面（４ａ，４ｂ）が前記導電性基板（３）に直接電気接触することを特徴とするプリント回路板。
2. 前記導電性基板（３）の少なくとも１つの前記表面（３ａ，３ｂ）が実質的に平面であることを特徴とする請求項１に記載のプリント回路板。
3. 前記導体表面（４ａ，４ｂ）は実質的に銅を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のプリント回路板。
4. 前記導体表面（４ａ，４ｂ）は、ＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系のガラス及び／又はＢｉ_２Ｏ_３を含有するガラスを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のプリント回路板。
5. 前記導体表面（４ａ，４ｂ）は、２５μｍから１２５μｍの間、好ましくは９０μｍから１１０μｍの間の厚みを有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のプリント回路板。
6. 前記導電性基板（３）の少なくとも１つの前記表面（３ａ，３ｂ）に配置されるのは、好ましくは印刷工程、より好ましくはスクリーン印刷工程によって塗布される導電層の形態の少なくとも１つの絶縁体表面（５）であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のプリント回路板。
7. 少なくとも１つの前記絶縁体表面（５）は、少なくとも１つの前記導体表面（４ａ，４ｂ）に対して、少なくとも部分的に接合し、好ましくは、少なくとも１つの前記導体表面（４ａ，４ｂ）を包囲することを特徴とする請求項６に記載のプリント回路板。
8. 導電層の形態の少なくとも１つの接続表面（６）が、少なくとも１つの前記絶縁体表面（５）上に配置されることを特徴とする請求項６又は７に記載のプリント回路板。
9. 複数の前記導体表面（４ａ，４ｂ）、好ましくは６つの前記導体表面（４ａ，４ｂ）が、前記導電性基板（３）の少なくとも１つの前記表面（３ａ，３ｂ）上に配置されており、好ましくは、前記導体表面（４ａ，４ｂ）が前記絶縁体表面（５）で包囲されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のプリント回路板。
10. 複数の前記接続表面（６）、好ましくは３つの前記接続表面（６）が前記絶縁体表面（５）上に配置されることを特徴とする請求項９に記載のプリント回路板。
11. 複数の前記導体表面（４ａ，４ｂ）、好ましくは２つの前記導体表面（４ａ，４ｂ）が、前記導電性基板（３）の第１表面（３ａ）上に配置され、複数の前記導体表面（４ａ，４ｂ）、好ましくは２つの前記導体表面（４ａ，４ｂ）、及び、少なくとも１つの前記絶縁体表面（５）が前記導電性基板（３）の第２表面（３ｂ）上に配置され、前記接続表面（６）が少なくとも１つの前記絶縁体表面（５）上に配置されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のプリント回路板。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の少なくとも１つのプリント回路板（１ａ、１ｂ、１ｃ）を含む電気モジュール（２）。
13. 請求項９に記載の第１のプリント回路板（１ａ）、請求項１０に記載の第２のプリント回路板（１ｂ）、及び請求項１１に記載の第３のプリント回路板（１ｃ）を含むことを特徴とする請求項１２に記載の電気モジュール（２）。
14. 前記プリント回路板（１ａ、１ｂ、１ｃ）が実質的に積み重ねられて配置され、前記第１のプリント回路板（１ａ）と前記第２のプリント回路板（１ｂ）との間に、３つの前記第３のプリント回路板（１ｃ）が、好ましくは互いに並列状態で配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の電気モジュール。
15. 前記電力モジュール（２）は高電流多重相の電力ブリッジの形態であり、３つのトランジスタ、好ましくはＩＧＢＴ及び３つのフリーホイーリングダイオードが、好ましくははんだ付けによって、前記第１のプリント回路板（１ａ）の少なくとも１つの表面（３ａ）、及び／又は３つの前記第３のプリント回路板（１ｃ）の前記第２表面（３ｂ）に取り付けられ、そして、３つのトランジスタ、好ましくはＩＧＢＴ及び３つのフリーホイーリングダイオードが、好ましくははんだ付けによって、前記第２のプリント回路板（１ｂ）の少なくとも１つの前記表面（３ａ）、及び／又は３つの前記第３のプリント回路板（１ｃ）の前記第１表面（３ａ）に取り付けられることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の電気モジュール。
16. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のプリント回路板（１ａ、１ｂ、１ｃ）を製造する方法であって、導体ペーストが前記基板（３）の表面（３ａ，３ｂ）に少なくとも部分的に塗布され、第１焼成段階において、前記導体ペーストは実質的に継続して上昇する焼成温度に暴露され、前記焼成温度は予め設定可能な約６６０℃以下の最高焼成温度まで上昇し、第２焼成段階において、前記導体ペーストは実質的に、予め設定可能な時間で予め設定可能な最高焼成温度に暴露され、冷却段階において、前記導体ペーストが冷却され、後処理段階において、前記導体ペーストが機械的に後処理され、好ましくはブラシ処理されることを特徴とする方法。
    
    

Images