SE1230086A1 - Kraftledare monterad på ett mönsterkort - Google Patents

Abstract

SAMMANDRAG En kraftledare(1) bestaende av en kedja vars lankar är elektriskt ledande element(2)(8)(9)(10)(11)(12) monterade pa ett monsterkort(3) pa sa satt att de i kraftledaren ingaende elementen är overlappande sammanfogade och i elektrisk kontakt med varandra.

Description

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Denna uppfinning avser en kraftledare bestaende av ett antal elektriskt ledande element som är sammanfogade med averlappande fogar och avsedda att monteras pa ett monsterkort. Darigenom bildar de en kedja dar varje element utgar en lank. Kedjan placeras ovanpa en ledare och lads fast far att Oka dess tvdrsnittsarea. Elementen är med fardel tillverkade av koppar som kan vara ytbehandlade med ett lager tenn eller passivicerade far att undvika oxidation och clamed underlatta ladningen. Kedjan med dess element är tdnkta att kunna automatmonteras pa mansterkort tillsammans med avriga elektriska komponenter. De kort som i farsta hand kommer att dra fordel av denna kedja är kraftkort som har till uppgift att forse ovriga kort med stramfarsarjning. Elementen är utformade sa att de kan tejpas upp pa rullar till en automatmonteringsmaskin for att kunna automatmonteras samtidigt med de Ovriga komponenterna. Monsterkorten, eller kretskorten som de kallas efter det att de är bestyckade med komponenter är vanligtvis tillverkade av epoxylaminat som har belagts med ett tunt skikt koppar pa var sida. Epoxylaminaten kan vara upp till nagon millimeter tjocka och kopparskikten kan vara upp emot 100 mikrometer tjocka. Vid mansterkortstillverkningen etsar man sedan fram ett ledarmonster genom att etsa bort all koppar mellan ledarna far att sedan borra halen som krdvs och belagga dessa hals cylindriska vdggar med koppar. Ett problem med kraftkort är att am man tar far tjockt kopparskikt sa blir ledaren underetsad. Det betyder att dess tvarsnitt liknar en jarnvagsrdls med urgropningar fran sidorna. Detta beror delvis pa att det krdvs sa rang tid att etsa bort det tjocka kopparskiktet men ocksa det faktum att kanten är hog gor att syran aven barjar etsa inunder kanten. Av den anledningen vill man undvika tjocka kopparlager, sdrskilt for de smalare ledarna eftersom de till och med kan etsas ay. Det gor att aven de grova ledarna som skulle behava ett tjockt lager koppar far deras ledarfarmaga tvingas hana nere koppartjockleken eftersom hela kortet processas samtidigt.

Det är hdr kraftledaren kommer in far att monteras pa de ledare som leder hoga strammar sa att deras tvarsnittsarea akas avsevdrt. Eftersom elementen monteras averlappande sa blir effekten att kopparledarens tvarsnittsarea ldtt kan aka med en faktor 20. En ledare som är 10mm bred och 50m tjock och som far sin tjocklek 1 okad med h]d1p av element med tjockleken lmm gar di fran 0,05mm till 1,05mm i tjocklek, eller fran 0,5=2 till 10.5=2 i tvdrsnittsarea. Okningen blir i praktiken storre an si eftersom kopparn i de overlappande delarna i princip har dubbla tjockleken.

Att elementen automatmonteras innebdr att det gar vdldigt snabbt och att de positioneras exakt, dessutom kan processen upprepas med star precision. Monsterkorten prepareras innan montage genom att ett skikt med lodpasta appliceras pi den eller de aktuella ledarna, detta for att forbdttra lodprocessen. Lodpastan appliceras vanligtvis med screentryck, dispensering eller med en sorts printer, jet printing. Det finns ocksa lodpasta med fastare viskositet som kan automatmonteras, sk preforms (se tex Dangrongs patent US6095400 som visar en forstarkt variant). Ndr kraftledaren skall monteras borjar man med att montera ett lager element i en rad efter varandra pa en monsterkortsledare som har applicerats med lodpasta. Darefter monterar man en cirkular preform ovanpa varje elements overlappande yta till nasta lager. Ett alternativ har är att lita varje element vara forpreparerat med ett lager lodpasta eller preform pi sin undersida, pi si vis slipper man applicera eller montera lodpastan for sig. Slutligen monterar man nasta lager element forskjutet si att de lankar ihop det hela till en sammanhangande kedia. Vi har ants& nu en kraftledare som nerifrin och upp bestir av ett tunt kopparskikt, lodpasta, ett tjockt men inkrementellt kopparskikt, preforms eller lodpasta och slutligen ett tjockt men inkrementellt kopparskikt. Men eftersom de tvi lagren av element är overlappande si blir den elektriska och termiska effekten ett tjockt ledande skikt efter det att alit har passerat ugnen. Tekniken att montera komponenter ovanpa varandra, sk PoP eller Package-on-Package anvands bla for att bygga stora minneskapslar. De monteras i flera lager och lads ihop med varandra genom att anslutningar pa komponenternas ovansida jet-printas med lodpasta (se tex Kametanis patent JP7032591) och lads ihop med nasta lagers anslutningar pa dess undersida.

Efter ladning si finns det ett tunt lager tenn mellan kopparelementen och tenn har ca 8 ggr sdmre ledningsformiga an koppar, men eftersom de Overlappande ytorna mellan tvi element ldtt kan dimensioneras si att deras area är 8 ggr storre an det vertikala tvdrsnittet hos ett element si blir det en kedja utan svaga ldnkar. Den elektriska strom som passerar kdnner ett svagt men konstant motstind utefter kedjans ldngd.

Ledaren under behover inte ens vara kontinuerlig eftersom dess tvdrsnittsarea bara är en brikdel av 2 elementens. Detta gor att det fungerar lika bra am ledaren är uppdelad i en serie korta ledare som foretradelsevis är lika ldnga eller ndgot langre an ett element. Denna uppdelning av den underliggande ledaren i mindre bitar som elektriskt blir sammanhangande forst efter det att elementen monterats ger ocksa en mojlighet for ledare med vanlig bredd att korsa dessa grova ledare. Pa sa satt tillfor kraftledaren ytterligare ett lager till ledarmonstret pa kretskortet.

Ett alternativ till lodtenn är att anvanda sig av ett elektriskt ledande lim och helt enkelt limma ihop elementen med varandra och med monsterkortet. I detta fall behover kraftledaren inte ens vara placerad pa en ledare utan kan limmas fast direkt pa kortet och bara anslutas till ledare i dess bagge andar.

Elementen i sig har foretradelsevis en platt langstrackt kropp med uppifran sett helt rundade andar. Den designen gor det mojligt att bilda en kedja i alla majliga vinklar utan att nagon del av elementet sticker ut utanfor den underliggande ledarbredden. Sarskilt pa det byre skiktet av element i en kedja kan det ibland vara bra att anvanda extra langa element. Det ger en mojlighet for flera ledare pa kortet att korsa under kraftledaren.

Vidare kan man tanka sig elementvarianter som mojliggor en forgrening av en gray ledare, typ trevagskorsning eller fyrvagskorsning. Trevagskorsningen liknar da en triangel med rundade horn och fyrvagskorsningen liknar mest ett start plustecken med fyra rundade andar.

Ytterligare en variant är att en del av elementet bockas upp 1800 och lagger sig ovanfor som ett tak. Att just valja 180° är inte novandigt men automatmonteringsmaskinerna faredrar en horisontell yta pa toppen av komponenter. Pa denna byre del kan man sedan placera en anslutning, tex en ganga, antingen genom att montera en nitmutter eller genom att kraga ut och ganga ett hal i sjalva kopparplaten. Gangan bOr vara sa att den kan ta emot en skruv uppifran. Darmed har man skapat ytterligare ett lager av elektriska fOrbindningar, och denna gang kan det vara ledare av kopparplat eller kabelanslutningar. Anslutningen kan ju aven vara avsedd for lodning eller nagot annat klamforband men vid stora str6mmar ãr skruvmontage vanliga. Detta beror pa att forspanningskraften i montaget är viktig for att halla ner resistansen i overgangen. Om forspanningen i ett forband med stora strommar barjar slappa minskar tvdrsnittsarean markant i sjalva Overgangen och f6ljden kan bli en stark varmeutveckling som kan leda till avbrott och brand. Kabelanslutningarna kan vara bade interna pa kortet som kopparplatarna nyss eller de kan 3 ocksa vara externa for att koppla kraften fran kortet ut till omgivningen. Anslutningen kan ocksa anvandas for att montera en komponent typ en kraftdiod eller krafttransistor. Da far man dessutom en riktigt bra kylning av den komponenten.

Det finns risker med att anvanda sig av element som är alltfor tjocka, dels att vikten pa den totala kraftledaren kan bli ganska stor vilket kan ge problem vid vibrationer da den samlade energin fran en vibrerande kraftledare kan bli ganska stor.

Ytterligare en varningsflagga for alltfor tjocka element är att de kraver langre tid och/eller hogre temperatur i lodugnen. Det tar tid att varma upp en solid kopparkropp och en hel kedja kraver en del varme for att dess tennskikt skall omsmaltas. Risken finns alltid att den tiden blir for lang i ugnen for nagon annan komponent pa kortet som inte klarar varmen.

Givetvis kan man tanka sig att bygga fler an bara tva vaningar element, tex fyra for att bygga en dubbelkedja. Men med tanke pa det som nyss sagts om varmekonsumtionen sa är det troligen vettigare att da istallet bygga med bredare element eftersom de da blir mer exponerade for den omgivande varmen i ugnen. 4 TEKNIKENS STANDPUNKT Ett av de vanligaste problemen mom kraftelektronik är att komponenter och ledarbanor blir uppvarmda pa grund av starka strommar. Att anvand sig av breda ledare är ett billigt sdtt att forhindra att varmen utvecklas i en ledare. Det är processtekniskt latt att upprepa exakt om och am igen men en nackdel är ju att alltfor breda ledare tar mycket star plats. Att istdllet anvdnda kablar, platar eller kopparstdnger for att Oka kapaciteten är bade dyrt och dessutom betydligt svarare att tillverka i stora serier utan att dventyra kvaliten. En anledning är att det ofta leder till manuellt arbete vilket är dyrt och inte lika exakt som etsningsprocesser och automatmonteringsmaskiner. En annan anledning är att varje anslutning, sasom skruv, kontaktering eller liknande som skall anvdndas am man vill forstdrka ledarna med platar eller kablar utgor en kvalitetsrisk. Det är oftast anslutningar som är den svagaste punkten i elektronik. Kanske for att komponenterna har blivit bdttre och att vi har blivit duktigare pa att hantera kretskort, tex med ESD-kldder i montering, bdttre forpackningsmaterial och liknande atgarder.

Det man oftast fokuserar pa är att genom omsorgsfull placering av komponenter se till att de kraftiga strommarna bara behover ga korta strdckor. Det är ocksa viktigt av storningssynpunkt, am en stramkrets med hoga strommar far en star geografisk utbredning innebdr det ocksa att den kan stora omgivande elektronik eftersom den skapar starka elektromagnetiska fdlt. Ett sdtt att halla ihop dessa stromloopar är att samla komponenter som genererar mycket energi i kraftmoduler, tex IGBT-moduler. Komponenterna som bygger upp en IGBT-modul är oftast transistorer tillverkade av Kisel. I en sadan modul är avstanden korta och ddr anvdnds manga parallella bondtradar far varje anslutning for att aka dess tvarsnittsarea.

Om inget av ovanstaende fungerar sá kan man forsaka kyla ner ledare och komponenter med exempelvis forcerad luft och kylfldnsar. Kylfldnsar tillverkas sá att deras yta mot den omgivande luften är star, den kan dá ldmna vdrme till omgivande luft, sdrskilt am luften har tvingats upp i hastighet med hjdlp av en fldkt.

For att kyla bort star mdngder vdrme krdvs vanligtvis vattenkylning vilket är mycket effektivt men bade dyrt och i manga fall opraktiskt. Da har men helt enkelt en kylare som i stdllet for ett antal kylfenor mot omgivande luft har ett antal kanaler i sig ddr vattnet kan passera och ta med sig vdrme fran kylaren. Dessa system krdver normalt nagon form av overvakning sa att det inte uppstar lackage, korrosion och liknande.

Ett satt att kyla ner ledarbanorna effektivt är att anvanda IMS-laminat, ocksa kallat "copper-clad laminate", som är en sorts monsterkort som är tunt och har ett lager koppar pa den ena sidan och en nagra millimeter tjock integrerad aluminiumplat pa den andra. Detta kort monteras med aluminiumplaten mot en kylare, ofta med en varmeledande pasta mellan aluminiumplaten och kylaren. Kortet tar effektivt bort varmen som bildas av komponenter och ledarbanor men har ju en stor begransning eftersom det bara finns ett kopparlager. Begransningarna gor att dessa kort oftast blir bestyckade med enbart kraftkomponenter och att man sedan maste ansluta till ett annat kort som har de elektroniska komponenterna for logiken. Anslutningarna mellan korten och det faktum att man anvander tva kort okar kostnaderna och aventyrar kvaliteten. Att bara ha tillgang till ett lager koppar innebar ju ocksa valdigt stora inskrankningar i konstruktionen eftersom man inte kan korsa ledare med hjalp av viahal och lagerbyten. 6 PROBLEM SOM UPPFINNINGEN LOSER Forevarande uppfinning forenklar transport av stora strommar pa kretskort pa ett billigt och kvalitetssdkert sdtt. Elementens stora uppgift blir egentligen att vara en komponent vars uppgift är att undvika att vdrmen bildas. Detta gors genom att minska resistiviteten i ledarna genom att markant Oka deras tvdrsnittsarea. Detta att forhindra uppkomsten av vdrme är en viktig uppgift eftersom det kostar mycket pengar att bli av med vdrme som skapas pa grund av brist pa tvdrsnittsarea i monsterkortens ledare. Det är dessutom ett resursproblem eftersom vdrmen som skapas i elektronik ofta inte är mojlig att atervinna utan normalt bara ger den elektriska utrustningen en sdmre verkningsgrad. Forutom att underldtta for strommarna att passera genom ledarna och ddrmed minska forluster och uppvdrmning har kraftledaren ocksa en uppgift att sprida vdrmen som bildas i komponenterna. Koppar är en mycket bra ledare for bade elektrisk strom och vdrme. Genom att sprida ut vdrmen fran de varmaste komponenterna via kraftledaren Over storre ytor blir avkylningseffekten mycket effektivare och pa sa sdtt far de avkylda komponenterna en Okad livsldngd.

Ytterligare en fordel med forvarande uppfinning är att man kan anvdnda ganska tunt kopparskikt pa monsterkortet eftersom man slipper problemet med underetsning som tidigare ndmnts. Detta gor att man kan blanda bade kraft och logik pa samma kort utan kompromisser ndr det gdller kortets lageruppbyggnad. Normalt är det bara ett fatal ledare som behover riktigt tjocka ledare Oven pa ett kort som enbart Or konstruerat for stromforsorjning. 7 BESKRIVNING AV FIGURERNA Figur 1 Visar en kraftledare(1) bestaende av en kedja vars ldnkar är elektriskt ledande element(2)(12) monterade pa ett monsterkort(3) Figur 2a Visar en exploderad vy pa en kraftledaren i figur 1 som ocksa visar monsterkortsledare(4) med lodpasta(5), enskilda element(2)(12) samt preforms(7) Figur 2b Visar samma exploderade vy som i 2a men i ett perspektiv underifran som visar lodpastan(6) som är forapplicerade pa enskilda elements undersida Figur 3a Visar en kraftledare som delas upp i tva grenar Figur 3b Visar det element(8) som delar upp kraftledaren i tva delar Figur 4a Visar en kraftledare som delas upp i tre delar Figur 4b Visar det element(9) som delar upp kraftledaren i tre delar Figur Visar en kraftledare med element(11) innehallande ett gdngat hl far elektrisk anslutning till en elektrisk komponent eller en kabel, ett element(12) med farldngd kropp samt ett element(10) med integrerade kylfenor 8

Claims (16)

PATENT KRAV

1. En kraftledare(1) bestaende av en kedja vars ldnkar är elektriskt ledande element(2)(8)(9)(10)(11)(12) monterade pa ett monsterkort(3) kannetecknande av att de i kraftledaren ingaende elementen är overlappande sammanfogade och i elektrisk kontakt med varandra

2. En kraftledare som i krav 1 innehallande element tillverkade av koppar

3. En kraftledare som i nagot av tidigare krav vars element är avsedda att kunna automatmonteras

4. En kraftledare som i nagot av tidigare krav ddr elementen är placerade ovanpa varandra i minst tva lager

5. En kraftledare som i nagot av tidigare krav ddr elementen är placerade pa en ledare(4) pa sagda monsterkort(3)

6. En kraftledare som i nagot av tidigare krav innehallande element som är ytbehandlade for att erhalla en forbdttrad lodbarhet

7. En kraftledare som i nagot av tidigare krav vars element har lodpasta(5) applicerat i lodfogarna mellan varandra och till de underliggande ledarna(4) innan ladning

8. En kraftledare som i nagot av tidigare krav vars element har lodpasta(6) applicerat pa sin undersida innan montering

9. En kraftledare som i nagot av tidigare krav ddr lodpasta automatmonterats i form av preforms(7) pa elementens uppatriktade averlappande ytor

10. En kraftledare som i krav 1-4 med element som är averlappande sammanfogade med hjalp av elektriskt ledande lim

11. En kraftledare som i nagot av tidigare krav vars element kan vinklas i sidled sa att hela kraftledaren byter riktning 9

12. En kraftledare som i nagot av tidigare krav innehallande element(8) som är overlappande sammanfogat med tre andra element

13. En kraftledare som i nagot av tidigare krav innehallande element(9) som är overlappande sammanfogat med fyra andra element

14. En kraftledare som i nagot av tidigare krav som innehaller element(10) som har integrerade kylflansar

15. En kraftledare som i nagot av tidigare krav innehallande element(11) som har integrerade anordningar i form av en ganga for kabelanslutning eller anslutning av en elektrisk komponent

16. En kraftledare som i nagot av tidigare krav innehallande element(12) med en forlangd kropp sa att ledare(13) kan passera under 10