WO2009144215A1 - Leiterplattenanordnung für thermisch belastete elektronische bauelemente, insbesondere in kraftfahrzeugsteuergeräten - Google Patents

Leiterplattenanordnung für thermisch belastete elektronische bauelemente, insbesondere in kraftfahrzeugsteuergeräten Download PDF

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WO2009144215A1
WO2009144215A1 PCT/EP2009/056359 EP2009056359W WO2009144215A1 WO 2009144215 A1 WO2009144215 A1 WO 2009144215A1 EP 2009056359 W EP2009056359 W EP 2009056359W WO 2009144215 A1 WO2009144215 A1 WO 2009144215A1
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cooling
inlay
printed circuit
current
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PCT/EP2009/056359
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Andreas Heise
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Continental Teves Ag & Co. Ohg
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    • Y10T29/49124—On flat or curved insulated base, e.g., printed circuit, etc.
    • Y10T29/4913—Assembling to base an electrical component, e.g., capacitor, etc.

Definitions

  • the invention relates to a printed circuit board assembly according to the preamble of claim 1, their use and a method for their preparation.
  • Circuit board arrangements with heat sinks are already known.
  • printed circuit board assemblies which are simultaneously suitable for the assembly of electronic components for switching or regulating high power, as well as for the assembly of components having only a small power loss.
  • a multilayer printed circuit board according to the preamble of claim 1 is known, which comprises cooling inlays for cooling of power devices in SMD technology.
  • This known printed circuit board assembly is specially designed for applications in the high-frequency technology and comprises for cooling inlays, which are three times as large as the electronic component to be cooled.
  • an insulating, thin intermediate layer is applied between the cooling inlay and the component.
  • hybrid technology In the field of automotive technology and power electronics, a hybrid technology has hitherto often been used in which two separate printed circuit boards with different technologies are used for the power electronics and for the remaining microelectronic circuit. A connection of the separate circuit boards is usually done by Bonding.
  • stamped grid technology As an alternative to hybrid technology, the so-called stamped grid technology is also used, in which the electronic components are welded or riveted to a stamped grid. The stamped grid itself are often then connected again by bonding with the other circuit components.
  • there is still the requirement optimally to cool the power components which often happens by consuming Klebetechnik or paste orders such as the hybrid boards.
  • the invention is concerned with the task of specifying a printed circuit board and contacting technology which better fulfills the requirements for thermal conductivity and current carrying capacity described above and manages without an intermediate layer between the cooling inlay and the electrical power component to be cooled. This object is achieved by the printed circuit board assembly according to claim 1.
  • the printed circuit board arrangement is multi-layered and comprises at least one low-current conductor track and at least one high-current conducting element, which is formed at least partially by a cooling inlay. Therefore, at least one cooling inlay is directly or indirectly electrically connected to an electronic power component to be cooled.
  • the line cross-section or the current carrying capacity of the high-current conducting element is substantially higher than the line cross-section or the current-carrying capacity of the low-current conductor track.
  • the printed circuit board arrangement preferably additionally comprises at least one low-current component.
  • At least one cooling inlay is introduced into a printed circuit board.
  • the cooling inlay preferably assumes at least about 90% of the printed circuit board thickness relative to the thickness.
  • the cooling inlay has a thickness which corresponds almost to the thickness of the printed circuit board, so that the cooling inlay mt the surface of the circuit board is almost flush.
  • the cooling inlay takes the largest possible volume for the purpose of high current and thermal conductivity. Therefore, expediently, the extent of a cooling inlay in the direction of the printed circuit board plane is at least greater than half its height.
  • the expansion of the cooling inlay in the printed circuit board plane is particularly preferably at least equal to or greater than its thickness.
  • a plurality of electrically insulated cooling inlays are preferably introduced into the circuit board, so that the high-current paths can be used not only for cooling but also for transporting the power for power components.
  • the cooling inlay can be solid or hollow.
  • the cooling inlay is preferably flowed through or filled with a liquid.
  • a flow through the liquid is advantageous for the purpose of heat exchange promoting convection.
  • the composition of the liquid or another suitable solid filling material is chosen such that a change in temperature of the physical state of the liquid or the filling material takes place in which absorbed by the liquid or the filler heat or is delivered.
  • the cooling inlay is preferably, however, mostly or entirely made of metal and may be solid or coated. Depending on the application, identical or different materials are used here.
  • a metallic material for the cooling inlay or the coating is particularly suitable Cu, Al, Ag or Au, wherein in the case of massive construction of a cooling inlay Cu or Al are preferred.
  • the surface of the cooling inlay is preferably designed almost flush with the circuit board surface on the component side.
  • the cooling inlay if it penetrates the entire diameter, also designed on the opposite circuit board surface flush with the surface of the circuit board.
  • the arrangement for contacting preferably also includes a high-current electrical connection technique of the first kind into the cooling inlays, for example by means of press-fit pins.
  • the high-current line element is preferably connected electrically conductively and with low resistance to at least one further electronic power component or a high current contact.
  • the printed circuit board is advantageously suitable for use in a conventional SMD mounting process in which a common assembly of electrical and low-power electrical components takes place.
  • the printed circuit board arrangement is preferably provided for the use of pressed-in contact elements and / or screwed contact elements and / or inserted contact elements, in which corresponding recesses or couplings are introduced into the cooling inlays and / or the printed circuit board. Particularly advantageous these coupling points are designed so that a high heat dissipation can be ensured.
  • contacting holes are provided in a pattern or hole pattern suitable for plug pins, so that a plug can be used. can be electrically connected to the circuit board or with the / s arranged therein cooling inlay (s). As a result, the contact area of the connector plug can be cooled particularly effectively or hardly any heat losses occur at the transition points.
  • the cooling inlays are preferably made of a metal, in particular of copper. It is particularly useful to tin, silver or gild thedeinlays for better solderability before insertion into the circuit board. In particular, this coating can also be performed during the printed circuit board manufacturing process. In this case, it is particularly expedient for a solder-inhibiting coating (for example solder mask) to be applied to the cooling inlay in defined areas in order to simplify the assembly of the electronic components.
  • a solder-inhibiting coating for example solder mask
  • electrical connection techniques are direct connections by pressure contact, soldering, welding, caulking or similar techniques into consideration.
  • the SMD soldering is preferably used predominantly or exclusively together with the press-fit technique.
  • high current bridges or busbars are applied to the circuit board for electrically connecting the cooling inlays arranged on the printed circuit board in insulated areas, wherein attachment of the high current bridges is expediently carried out using the aforementioned connection techniques.
  • the high-current conducting element in particular a cooling inlay, has the form of a complex conductor track, so that it is multiply branched and / or curved several times and / or provided with multiple connecting points for the electrical components.
  • the high-current conducting element expediently has one or more joining points, with which form-fitting connections with the conductor track or parts thereof can be formed, wherein the joining points represent dovetail connections or similar connections. Due to the shape of the joining point can be produced in a particularly simple and thus advantageous manner without a cohesive or non-positive connection only by the positive connection.
  • circuit board arrangement described above allows the transport of electrical currents in the range of preferably more than 10 A, in particular more than 30 A, via the high-current conductor tracks.
  • the invention also relates to a method for producing the printed circuit board assembly described above, in which at least one cooling inlay is pressed with a machine in a printed circuit board assembly, with at least one low-current conductor before, in a further step, the printed circuit board assembly equipped with electrical components according to the SMD method becomes.
  • solder-hiding coating in defined areas before or after the pressing of the cooling inlay on the surface thereof.
  • the circuit board assembly according to the invention is preferably part of a control unit housing and in this particular fully or partially inserted by means of press-fitting.
  • press-fit contacts can be used, with the larger press-in contacts then being at least partially inserted directly into recesses of cooling inlays. It is expedient, for example, to use a larger and a smaller standard type for press-fit contacts.
  • the printed circuit board arrangement and the control unit housing are preferably used in electronics of motor vehicles.
  • FIGS. 3-6 different possibilities for mounting the printed circuit board with electronic components
  • FIGS. 7, 8 each show a printed circuit board in cross section
  • 11 is a circuit board with a screw
  • 12 shows a printed circuit board with a complex shaped cooling lin
  • Fig. 13 is a printed circuit board with additional cooling
  • Fig. 14 is a printed circuit board with a socket contact.
  • FIG. 1a shows a printed circuit board 16 with a plurality of cooling inlays 21, 22, 22 'and 22 "made of solid copper embedded in the printed circuit board.
  • Two cooling inlays 21, 22 '' have contact holes 15 and 15 '' for contacting with the press-fit or plug-in technique described below.
  • a power supply of a consumer such as that of an electric motor, are connected to the circuit board.
  • FIG. 1b) shows the same printed circuit board 16 with SMD components 17, 17 'and 18 equipped with SMD technology.
  • the electrical components 17, 17' and 18 are placed or soldered onto the cooling inlays for cooling with their cooling surface. At least some of the connection legs of the power SMD components are connected to a cooling lin- ing.
  • the current-carrying terminals of the power semiconductor components 17 are thereby brought with a busbar heat sink inlay 22 '' up to a first contact hole area (holes 15 ''), which is integrated in cooling inlay 22 ''.
  • the insulating space between the cooling inlay 21 and the further cooling inlay 22 is bridged by a resistance component (shunt 18) applied by SMD soldering.
  • Cooling inlay 22 conducts the current flowing from the semiconductor elements via the resistor to the further contact hole area on cooling inlay 22.
  • the shape of cooling inlay 21 is configured such that a plurality of electronic components 17 are arranged.
  • Cooling inlay 21 is preferably provided for this purpose with recesses for the connecting legs of the components 17 to be insulated. 22 'shows three floating cooling inlays, which are each provided with a contact hole for contacting, for example, an electric motor.
  • the high current leading terminal legs of the power semiconductor 17 ' are electrically connected to the surface of the cooling inlays 21 and 22' (eg soldered).
  • the cooling vanes of the power semiconductor 17 ' are also connected by soldering each with cooling inlays.
  • the circuit arrangement shown in FIG. 1b) represents a circuit example for a power stage of a B6 bridge, wherein this is shown for the sake of simplicity without possibly additionally required interference suppression components.
  • the illustrated bridge circuit can be used, for example, for the clocked control of brushless motors.
  • Fig. 2a shows a circuit board 16 with round cooling inlays 21, 22 wherein the contact holes 22 are provided with contact holes.
  • the cooling inlays from FIG. 2 a) are additionally equipped with busbars 20 and a semiconductor component 17. In both cases the assembly is done automatically by means of SMD technology.
  • one of the bus bars 20 conducts high currents, but on the other hand also indirectly serves via an inlay as a heat sink for the heat-generating component 17.
  • the illustrated in cross-section, populated printed circuit board 16 in Fig. 3 comprises two cooling inlays 21 and a soldered Power semiconductor component 17.
  • the assembled printed circuit board 16 in FIG. 4 comprises two cooling inlays 21 as in FIG. 3, but with an SMD shunt resistor 18 electrically contacted to the cooling inlays; In the case of FIG. 5, a coil 19 is also soldered in SMD technology.
  • the cooling surface of SMD semiconductor device 17 is placed on one of the cooling inlays 21.
  • the cooling inlays 21 are connected to each other via an SMD busbar 20 electrically and thermally conductive.
  • a circuit board 16 is shown with a cooling inlay 21 made of Cu, wherein a compound ofdeinlays with an outer layer of the circuit board can be seen, which is made by copper plating of the circuit board or by tinning.
  • Circuit board 16 in Fig. 8 comprises a cooling inlay 22 with a bore 15, which serves as a contact point.
  • a press-in pin or a part of a socket can be inserted.
  • the further bore shown to the right of bore 15 is a conventional through-connection in the printed circuit board, which in the example illustrated connects a conductor track of the uppermost and lowermost layers.
  • FIG. 9 a bore 16 of a cooling inlay, which is shown in FIG. borrowed with the cooling inlay in Fig. 8, a press-in contact 12 is inserted.
  • FIG. 10 shows a variant of a printed circuit board 16 with a drilled cooling inlay and a further printed circuit board bore 29.
  • a multispinned press-in contact connector 13 is inserted into the existing holes, whereby an electrical connection between the cooling inlay and one or more printed conductors is obtained. In this way, it is also advantageous to contact inner conductor tracks of the multilayer printed circuit board 16.
  • Press-fit contact connector 13 provides for a secure electrical connection to the circuit board, on the other hand, for improved mechanical connection of the cooling inlays to the circuit board or for a connection of both contacts to a housing which (not shown here) carries the press-in connector. That is, a very large cooling inlay hanging preferably on a plurality of press-fit contact connectors 13 can be securely held in this way.
  • a screw 14 forms the contact element to cooling inlay 22, as a result of which, for example, a current-carrying line can be electrically and mechanically connected to the cooling inlay.
  • a complex shaped cooling inlay 21 is shown, which has form-fitting, rounded joint points like a dovetail joint similar puzzle pieces, with the help of individual parts of the circuit board 16 are connected.
  • This solves the problem of mechanical instability that occurs when a very long inlay is inserted into the circuit board.
  • the special shape of the cooling inlay significantly increases the mechanical stability of the printed circuit board.
  • printed circuit board 16 also comprises a copper inlay 21, wherein a cooling attachment 26 is applied to the copper lining, which provides additional outward cooling, and which is particularly simple by means of a thermal paste 25, a heat conducting foil or a heat conducting adhesive with the cooling inlay 21 lets connect.
  • Cooling top 26 is expediently a simple heat sink. If the connection does not need to be insulated, a solder or weld joint is also suitable. In the case of soldering or welding, in addition to the cooling effect, the contact can also be used as a low-resistance high-current connection.
  • the printed circuit board 16 shown in Figure 14 includes a drilled copper inlay 22 into which a conventional socket contact 28 (e.g., tuft plug) is plugged. In this way, a particularly simple electrical connection can be made from the outside with the circuit board.
  • a conventional socket contact 28 e.g., tuft plug

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

Leiterplattenanordnung, insbesondere mehrlagige Leiterplattenanordnung (16), mit mindestens einer Schwachstrom-Leiterbahn, wobei die Leiterplattenanordung geeignet zur Bestückung mit mindestens einem zu kühlenden elektronischen Leistungsbauelement ist, wobei die aus einem nichtleitenden Material bestehende Leiterplatte mindestens ein in die Leiterplatte eingebettetes Kühlinlay (22, 21, 22´) zur Kühlung des Leistungsbauelements umfasst, wobei das Kühlinlay zumindest teilweise ein Hochstromleitelement für das mindestens eine elektronische Leistungsbauelement bildet, wobei der Leitungsquerschnitt oder die Stromtragfähigkeit des Hochstromleitelements wesentlich höher ist, als der Leitungsquerschnitt oder die Stromtragfähigkeit der Schwachstrom-Leiterbahn, und wobei das Hochstromleitelement zur elektrischen Kontaktierung des Leistungsbauelements genutzt und/oder mitgenutzt wird.

Description

Leiterplattenanordnung für thermisch belastete elektronische Bauelemente, insbesondere in Kraftfahrzeugsteuergeräten
Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, deren Verwendung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Leiterplattenanordnungen mit Kühlkörpern sind bereits bekannt. Es sind ferner Leiterplattenanordnungen bekannt, die gleichzeitig für die Bestückung von elektronischen Bauelementen zum Schalten oder Regeln hoher Leistungen geeignet sind, als auch für die Bestückung mit Bauelementen, die nur eine geringe Verlustleitung aufweisen.
Aus der gattungsbildenden EP 1 929 847 Al ist eine Mehrlagenleiterplatte gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt, welche Kühlinlays zur Kühlung von Leistungsbauelementen in SMD-Technik umfasst. Diese bekannte Leiterplattenanordnung ist speziell für Anwendungen in der Hochfrequenztechnik ausgelegt und umfasst zur Kühlung Inlays, die dreimal so groß sind, wie das zu kühlende elektronische Bauelement. Um keinen Kurzschluss an den Anschlussbeinchen des zu kühlenden elektronischen Leistungsbauelements hervorzurufen, ist zwischen Kühlinlay und Bauelement eine isolierende, dünne Zwischenschicht aufgebracht.
Die im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik vorliegenden Anforderungen werden durch die oben beschriebene bekannte Leiterplattenanordnung nicht bzw. nicht ausreichend erfüllt.
Im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik und auch Leistungselektronik wird bislang häufig eine Hybridtechnik eingesetzt, bei der für die Leistungselektronik und für die restliche mikroelektronische Schaltung zwei separate Leiterplatten mit unterschiedlicher Technologie verwendet werden. Eine Verbindung der separaten Leiterplatten erfolgt in der Regel durch Bonden. Alternativ zur Hybridtechnik wird auch bereits die sogenannte Stanzgittertechnologie angewendet, bei der die elektronischen Bauteile auf einem Stanzgitter angeschweißt oder angenietet werden. Die Stanzgitter selbst werden häufig dann wieder durch Bonden mit den übrigen Schaltungsbauelementen verbunden. Neben den zuvor beschriebenen Techniken gibt es noch die Anforderung, die Leistungskomponenten optimal zu kühlen, welches oft durch aufwändige Klebetechnik o- der Pastenaufträge z.B. der Hybridplatinen geschieht.
Die zuvor beschriebenen Verbindungstechniken benötigen in der Regel einen sehr aufwändigen und kostspieligen Herstel- lungsprozess . Zudem ist der benötigte Bauraum für heutige Anforderungen immer noch zu groß .
Wie bereits weiter oben im Zusammenhang mit der EP 1 929 847 Al erwähnt, ist es bekannt, zur Kühlung von elektronischen Bauelementen und Multilayer-Leiterplatten, Kupferblöcke in Form von Inlays in eine entsprechende Aussparung der Leiterplatte einzubringen (sogenannte Heat Sinks) . Diese Kühlin- lays können unterschiedlich geformt sein und erfüllen eine ähnliche Funktion wie an sich bekannte Thermovias, jedoch mit wesentlich geringerem Wärmewiderstand. So sind beispielsweise runde oder auch mehreckige Inlays an sich bekannt .
Die Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, eine Leiterplatten- und Kontaktierungstechnologie anzugeben, welche die zuvor beschriebenen Anforderungen an Wärmeleitfähigkeit und Stromtragfähigkeit besser erfüllt und ohne eine Zwischenschicht zwischen Kühlinlay und zu kühlendem elektrischen Leistungsbauelement auskommt. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Leiterplattenanordnung gemäß Anspruch 1.
Die Leiterplattenanordnung ist insbesondere mehrlagig ausgeführt und umfasst mindestens eine Schwachstrom-Leiterbahn sowie mindestens ein Hochstromleitelement, welches zumindest teilweise durch ein Kühlinlay gebildet wird. Daher ist zumindest ein Kühlinlay direkt oder indirekt elektrisch mit einem zu kühlenden elektronischen Leistungsbauelement verbunden. Der Leitungsquerschnitt oder die Stromtragfähigkeit des Hochstromleitelements ist wesentlich höher, als der Leitungsquerschnitt oder die Stromtragfähigkeit der Schwachstrom-Leiterbahn. Bevorzugt umfasst die Leiterplattenanordnung zusätzlich auch mindestens ein Schwachstrombauelement.
Nach der Erfindung ist mindestens ein Kühlinlay in eine Leiterplatte eingebracht. Das Kühlinlay nimmt betrachtet im Querschnitt der Leiterplatte bezogen auf die Dicke vorzugsweise mindestens etwa 90% der Leiterplattendicke ein. Besonders bevorzugt weist das Kühlinlay eine Dicke auf, der nahezu der Dicke der Leiterplatte entspricht, so dass das Kühlinlay mt der Oberfläche der Leiterplatte nahezu bündig abschließt. Das Kühlinlay nimmt zum Zwecke einer hohen Strom- und Wärmeleitfähigkeit ein möglichst großes Volumen ein. Daher ist zweckmäßigerweise die Ausdehnung eines Kühlinlays in Richtung der Leiterplattenebene zumindest größer als die Hälfte seiner Höhe. Besonders bevorzugt ist die Ausdehnung des Kühlinlays in der Leiterplattenebene jedoch mindestens gleich groß oder größer als dessen Dicke. Zur Kontaktierung der elektronischen Bauelemente sind bevorzugt mehrere voneinander elektrisch isolierte Kühlinlays in die Leiterplatte eingebracht, so dass die Hochstrompfade nicht nur zur Kühlung sondern auch zum Transport des Stroms für Leistungsbauelemente genutzt werden können. - A -
Das Kühlinlay kann massiv oder hohl ausgebildet sein. Im Falle einer hohlen Ausführung ist das Kühlinlay bevorzugt mit einer Flüssigkeit durchströmt oder gefüllt. Ein Durchströmen der Flüssigkeit ist vorteilhaft zwecks den Wärmeaustausch fördender Konvektion. Es auch möglich und besonders zweckmäßig, dass die Zusammensetzung der Flüssigkeit oder eines anderen geeigneten festen Füllmaterials so gewählt ist, dass bei einer Temperaturänderung ein Wechsel des Aggregatzustands der Flüssigkeit bzw. des Füllmaterials stattfindet, bei dem durch die Flüssigkeit oder das Füllmaterial Wärme aufgenommen bzw. abgegeben wird. Das Kühlinlay besteht bevorzugt jedoch größtenteils oder ganz aus Metall und kann massiv oder beschichtet aufgebaut sein. Hier kommen je nach Anwendungsfall gleiche oder unterschiedliche Materialen zum Einsatz. Als metallisches Material für das Kühlinlay oder die Beschichtung eignet sich besonders Cu, Al ,Ag oder Au, wobei im Falle des massiven Aufbaus eines Kühlinlays Cu oder Al bevorzugt sind.
Bevorzugt ist zwischen Kühlinlay und dem zu kühlenden Leistungsbauelement keine isolierende Zwischenschicht vorhanden, so dass durch den engen Kontakt zwischen thermisch belasteten elektronischen Bauelement und Kühlinlay eine höhere Wärmeabfuhr als bei Anordnungen mit Zwischenschicht möglich ist und der Fertigungsprozess vereinfacht wird. Die Oberfläche des Kühlinlays ist in diesem Fall auf der Bestückungsseite vorzugsweise nahezu bündig mit der Leiterplattenoberfläche ausgestaltet. Zweckmäßigerweise ist das Kühlinlay, falls es den ganzen Durchmesser durchdringt, auch auf der gegenüberliegenden Leiterplattenfläche bündig mit der Oberfläche der Leiterplatte ausgestaltet. Die Anordnung zur Kontaktierung umfasst vorzugsweise auch eine elektrische Hochstrom-Verbindungstechnik erster Art in die Kühlinlays hinein, beispielsweise mittels Einpressstiften. Weiterhin bevorzugt ist eine Kontaktierungstechnik mittels Einpressstiften zweiter Art für die schwächeren Ströme von Niedrigleistungsschaltkreisen (z.B. Signalschaltkreisen, Logikschaltkreisen oder mikroelektronischen Schaltkreisen) , die insbesondere in die Leiterplatte hinein führen um eine Kontaktierung von Oberflächenleiterbahnen und/oder auch eine Kontaktierung mit im inneren der Leiterplatte liegenden Schwachstrom-Leiterbahnen herzustellen .
Das Hochstromleitungselement ist vorzugsweise mit mindestens einem weiteren elektronischen Leistungsbauelement oder einer Hochstromkontaktierung elektrisch leitend und niederohmig verbunden .
Die Leiterplatte ist vorteilhafterweise geeignet, in einem herkömmlichen SMD-Montageprozess verwendet zu werden, bei dem eine gemeinsame Bestückung von elektrischen Leistungsund Niedrigleistungsbauelementen erfolgt.
Vorzugsweise ist die Leiterplattenanordnung für den Einsatz von eingepressten Kontaktelementen und/oder eingeschraubten Kontaktelementen und/oder eingesteckten Kontaktelementen vorgesehen, in dem entsprechende Ausnehmungen oder Kupplungen in die Kühlinlays und/oder die Leiterplatte eingebracht sind. Besonders vorteilhaft sind diese Kupplungsstellen so ausgelegt, dass ein hoher Wärmeabfluss gewährleistet werden kann .
In den Kühlinlays sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Kontaktierungslöcher in einem für Steckerpins geeigneten Muster oder Lochraster vorgesehen, damit ein Stecker di- rekt mit der Leiterplatte bzw. mit dem/n darin angeordneten Kühlinlay(s) elektrisch verbunden werden kann. Hierdurch lässt sich der Kontaktbereich des Anschlusssteckers besonders effektiv kühlen bzw. es entstehen an den Übergangsstellen kaum Wärmeverluste.
Die Kühlinlays bestehen bevorzugt aus einem Metall, insbesondere aus Kupfer. Es ist dabei besonders zweckmäßig, die Kühlinlays für eine bessere Lötbarkeit vor dem Einfügen in die Leiterplatte zu verzinnen, zu versilbern oder zu vergolden. Diese Beschichtung kann insbesondere auch während des Leiterplattenherstellungsprozesses vorgenommen werden. Dabei ist es ganz besonders zweckmäßig, wenn auf das Kühlinlay eine in definierten Bereichen eine löthindernde Beschichtung (z.B. Lötstopplack) aufgetragen wird, um die Montage der elektronischen Bauelemente zu vereinfachen.
Als verwendete elektrische Verbindungstechniken kommen unmittelbare Verbindungen durch Druckkontakt, Löten, Schweißen, Verstemmen oder ähnliche Techniken in Betracht. Bevorzugt wird im wesentlichen überwiegend oder ausschließlich das SMD-Löten zusammen mit der Einpresstechnik eingesetzt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden zur elektrischen Verbindung der auf der Leiterplatte in isolierten Bereichen angeordneten Kühlinlays Hochstrombrücken oder Stromschienen auf die Leiterplatte aufgebracht, wobei eine Befestigung der Hochstrombrücken zweckmäßigerweise unter Verwendung der zuvor genannten Verbindungstechniken erfolgt. Auf diese Weise erhält man hochstromfähige Leitungszüge mit zusätzlich hoher Wärmeleitfähigkeit. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat das Hochstromleitelement , insbesondere ein Kühlinlay, die Form einer komplexen Leiterbahn, so dass dieses mehrfach verzweigt und/oder mehrfach gekrümmt ist und/oder mit mehrfachen Anschlussstellen für die elektrischen Bauelemente versehen ist. Das Hochstromleitelement besitzt zweckmäßigerweise einen oder mehrere Fügepunkte, mit denen sich formschlüssige Verbindungen mit der Leiterbahn oder Teilen davon bilden lassen, wobei die Fügepunkte Schwalbenschwanzverbindungen oder ähnliche Verbindungen darstellen. Durch die Form des Fügepunkts kann auf besonders einfache und damit vorteilhafte Weise ohne eine Stoffschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung lediglich durch den Formschluss eine Verbindung erzeugt werden.
Die vorstehend beschriebene Leiterplattenanordnung ermöglicht den Transport von elektrischen Strömen im Bereich von bevorzugt mehr als 10 A, insbesondere mehr als 30 A, über die Hochstromleiterbahnen.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung der zuvor beschriebenen Leiterplattenanordnung, bei dem in eine Leiterplattenanordnung, mit mindestens einer Schwachstrom-Leiterbahn mindestens ein Kühlinlay mit einer Maschine eingepresst wird, bevor in einem weiteren Schritt die Leiterplattenanordnung mit elektrischen Bauelementen nach dem SMD-Verfahren bestückt wird.
Gemäß dem Verfahren ist es bevorzugt, vor oder nach dem Einpressen des Kühlinlays auf dessen Oberfläche in definierten Bereichen eine löthindernde Beschichtung aufzubringen.
Es hat sich gezeigt, dass es sinnvoll ist, bei einem Kühlinlay mit einer Lochstanzung oder Lochbohrung auf diesem keine Lötpaste oder Lötzinn aufzubringen, um die Funktion und Sicherheit der Einpressverbindung zu verbessern.
Die erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung ist bevorzugt Teil eines Steuergerätegehäuses und in dieses insbesondere vollständig oder teilweise mittels Einpresstechnik eingefügt. Dabei können je nach benötigter Stromtragfähigkeit unterschiedlich große Einpresskontakte zum Einsatz kommen, wobei die größeren Einpresskontakte dann zumindest teilweise direkt in Ausnehmungen von Kühlinlays eingefügt werden. Es ist zweckmäßig, dafür beispielsweise einen größeren und einen kleineren Standardtyp für Einpresskontakte zu verwenden, Die Leiterplattenanordnung und das Steuergerätegehäuse finden bevorzugt Verwendung in Elektroniken von Kraftfahrzeugen .
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
Es zeigen
Fig. 1 eine Leiterplatte mit eingelassenen Kühlinlays,
Fig. 2 eine Leiterplatte mit runden Kühlinlays,
Fig. 3-6 verschiedene Möglichkeiten zur Bestückung der Leiterplatte mit elektronischen Bauelementen,
Fig. 7,8 jeweils eine Leiterplatte im Querschnitt,
Fig. 9,10 jeweils eine Leiterplatte mit Einpresskontakt,
Fig. 11 eine Leiterplatte mit einer Schraube, Fig. 12 eine Leiterplatte mit einem komplex geformten Küh- linlay,
Fig. 13 eine Leiterplatte mit Zusatzkühlung und
Fig. 14 eine Leiterplatte mit einem Buchsenkontakt.
Fig. Ia) zeigt eine Leiterplatte 16 mit mehreren, in der Leiterplatte eingelassenen Kühlinlays 21, 22, 22' und 22'' aus massivem Cu. Zwei Kühlinlays 21, 22'' weisen Kontaktlöcher 15 bzw. 15'' zur Kontaktierung mit der weiter unten beschriebenen Einpress- oder Stecktechnik auf. Auf diese Weise kann z.B. eine Spannungsversorgung eines Verbrauchers, wie etwa die eines Elektromotors, an die Leiterplatte angeschlossen werden. Fig. Ib) zeigt die gleiche Leiterplatte 16 mit in SMD-Technik bestückten Leistungs-SMD-Bauelementen 17, 17' und 18. Die elektrischen Bauelemente 17, 17' und 18 sind zur Kühlung mit deren Kühlfläche auf die Kühlinlays aufgesetzt bzw. aufgelötet. Dabei sind zumindest einige der An- schlussbeinchen der Leistungs-SMD-Bauelemente mit einem Küh- linlay verbunden. Sonstige für den Betrieb der Schaltung notwendige SMD-Bauelemente sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die stromführenden Anschlüsse der Leistungs- Halbleiterbauteile 17 sind dadurch mit einem Stromschienen- Kühlkörper-Inlay 22'' bis an einen ersten Kontaktlochbereich (Löcher 15'') herangeführt, welcher in Kühlinlay 22'' integriert ist. Den isolierenden Zwischenraum zwischen Kühlinlay 21 und dem weiteren Kühlinlay 22 überbrückt ein durch SMD- Löten aufgebrachtes Widerstandsbauelement (Shunt 18) . Kühlinlay 22 leitet den von den Halbleiterelementen über den Widerstand fließenden Strom zu dem weiteren Kontaktlochbereich auf Kühlinlay 22. Die Form von Kühlinlay 21 ist so ausgestaltet, dass mehrere elektronische Bauelemente 17 ne- beneinander so montiert werden können, dass eine Art An- schlussbeinchen der zu kühlenden Leistungsbauelemente 17 e- lektrisch leitend miteinander verbunden ist und die weitere Art Anschlussbeinchen nicht in elektrischem Kontakt mit dem Kühlinlay steht. Kühlinlay 21 ist zu diesem Zweck bevorzugt mit Aussparungen für die zu isolierenden Anschlussbeinchen der Bauelemente 17 versehen. 22' zeigt drei potentialgetrennte Kühlinlays, welche jeweils mit einem Kontaktloch zur Kontaktierung beispielsweise eines Elektromotors vorgesehen sind. Die einen hohen Strom führenden Anschlussbeinchen der Leistungshalbbleiter 17' sind mit der Oberfläche der Kühlinlays 21 bzw. 22' elektrisch verbunden (z.B. aufgelötet) . Die Kühlfahnen der Leistungshalbleiter 17' sind ebenfalls durch Löten jeweils mit Kühlinlays verbunden.
Die in Fig. Ib) dargestellte Schaltungsanordnung stellt ein Schaltungsbeispiel für eine Leistungsstufe einer B6-Brücke dar, wobei diese zur Vereinfachung ohne ggf. zusätzlich notwendiger Entstörkomponenten dargestellt ist. Die dargestellte Brückenschaltung lässt sich beispielsweise zur getakteten Ansteuerung von bürstenlosen Motoren einsetzen.
Fig. 2a) zeigt eine Leiterplatte 16 mit runden Kühlinlays 21, 22 wobei die Kontaktlöcher 22 mit Kontaktbohrungen versehen sind. In Fig. 2b) sind die Kühlinlays aus Fig. 2a) zusätzlich mit Stromschienen 20 und einem Halbleiterbauelement 17 bestückt. Die Bestückung erfolgt in beiden Fällen automatisch mittels SMD-Technik. Eine der Stromschienen 20 leitet einerseits hohe Ströme, dient andererseits aber auch indirekt über ein Inlay als Kühlkörper für das wärmeerzeugende Bauelement 17.
Die im Querschnitt dargestellte, bestückte Leiterplatte 16 in Fig. 3 umfasst zwei Kühlinlays 21 und ein aufgelötetes Leistungshalbleiterbauelement 17.
Die bestückte Leiterplatte 16 in Fig. 4 umfasst zwei Kühlin- lays 21 wie in Fig. 3, jedoch mit einem auf die Kühlinlays elektrisch kontaktierten SMD-Shuntwiderstand 18; im Falle von Fig. 5 ist ebenfalls in SMD-Technik eine Spule 19 aufgelötet.
In Fig. 6 ist die Kühlfläche von SMD-Halbleiterbauelement 17 auf eines der Kühlinlays 21 aufgesetzt. Die Kühlinlays 21 sind über eine SMD-Stromschiene 20 miteinander elektrisch und wärmeleitend verbunden.
Generell kann an Stelle eines Lötvorgangs auch ein Anschweißen der Bauelementkontakte zur Kontaktierung mit der Leiterplatte erfolgen, was bevorzugt bei schweren Bauelementen, wie Spulen von Vorteil ist.
In Fig. 7 ist eine Leiterplatte 16 mit einem Kühlinlay 21 aus Cu gezeigt, wobei eine Verbindung des Kühlinlays mit einem Außenlayer der Leiterplatte erkennbar ist, welcher durch Verkupferung der Leiterplatte oder durch Verzinnung hergestellt ist.
Leiterplatte 16 in Fig. 8 umfasst ein Kühlinlay 22 mit einer Bohrung 15, welche als Kontaktstelle dient. In die Bohrung kann beispielsweise ein Einpressstift oder ein Teil einer Buchse eingefügt werden. Die rechts von Bohrung 15 dargestellte weitere Bohrung ist eine herkömmliche Durchkontak- tierung in der Leiterplatte, die im dargestellten Beispiel eine Leiterbahn des obersten und untersten Layers miteinander verbindet.
In Fig. 9 ist in eine Bohrung 16 eines Kühlinlays, das ahn- lieh mit dem Kühlinlay in Fig. 8 ist, ein Einpresskontakt 12 eingefügt .
Fig. 10 zeigt eine Variante einer Leiterplatte 16 mit gebohrtem Kühlinlay und einer weiteren Leiterplattenbohrung 29. In die vorhandenen Bohrungen ist ein mehrpinniger Einpresskontaktverbinder 13 eingefügt, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen Kühlinlay und einer oder mehreren Leiterbahnen erhalten wird. Auf diese Weise können vorteilhaft auch innere Leiterbahnen der mehrlagigen Leiterplatte 16 kontaktiert werden. Einpresskontaktverbinder 13 sorgt zum einen für eine sichere elektrische Verbindung zur Leiterplatte, andererseits auch für eine verbesserte mechanische Anbindung des Kühlinlays an die Leiterplatte bzw. für eine Verbindung beider Kontakte an ein Gehäuse, welches (hier nicht dargestellt) den Einpressverbinder trägt. Das heißt, ein vorzugsweise an mehreren Einpresskontaktverbindern 13 hängendes, sehr großes Kühlinlay kann auf diese Weise sicher gehalten werden.
Im Beispiel gemäß Fig. 11 bildet eine Schraube 14 das Kontaktelement zu Kühlinlay 22, wodurch beispielsweise eine stromführende Leitung mit dem Kühlinlay elektrisch und mechanisch verbindbar ist.
In Fig. 12 ist ein komplex geformtes Kühlinlay 21 dargestellt, welches formschlüssige, abgerundete Fügepunkte nach Art einer Schwalbenschwanzverbindung ähnlich Puzzle-Teilen aufweist, mit deren Hilfe einzelne Teile der Leiterplatte 16 verbunden werden. Hierdurch wird das Problem einer mechanischen Instabilität gelöst, welches auftritt, wenn ein sehr langes Inlay in die Leiterplatte eingebracht ist. Durch die besondere Form des Kühlinlays wird die mechanische Stabilität der Leiterplatte deutlich erhöht. In Fig. 13 umfasst Leiterplatte 16 ebenfalls ein Kupferinlay 21, wobei auf das Kuperinlay ein Kühlaufsatz 26 aufgebracht ist, welcher für eine zusätzliche nach außen gerichtete Kühlung sorgt, und der sich besonders einfach mittels einer Wärmeleitpaste 25, einer Wärmeleitfolie oder eines Wärmeleitklebers mit dem Kühlinlay 21 verbinden lässt. Kühlaufsatz 26 ist zweckmäßigerweise ein einfaches Kühlblech. Wenn die Verbindung nicht isoliert sein muss, bietet sich auch eine Löt oder Schweißverbindung an. Bei einer Löt- oder Schweißverbindung kann neben der Kühlwirkung auch die Kon- taktierung als niederohmige Hochstromverbindung genutzt werden .
Die in Fig. 14 dargestellte Leiterplatte 16 umfasst ein gebohrtes Kupferinlay 22, in das ein herkömmlicher Buchsenkontakt 28 (z.B. Büschelstecker) eingesteckt ist. Auf diese Weise kann eine besonders einfache elektrische Verbindung von außen mit der Leiterplatte vorgenommen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Leiterplattenanordnung, insbesondere mehrlagige Leiterplattenanordnung (16), mit mindestens einer Schwachstrom-Leiterbahn, wobei die Leiterplattenanordung geeignet zur Bestückung mit mindestens einem zu kühlenden e- lektronischen Leistungsbauelement ist, wobei die aus einem nichtleitenden Material bestehende Leiterplatte mindestens ein in die Leiterplatte eingebettetes Kühlinlay
(22, 21, 22') zur Kühlung des Leistungsbauelements um- fasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlinlay zumindest teilweise ein Hochstromleitele- ment für das mindestens eine elektronische Leistungsbauelement bildet, wobei der Leitungsquerschnitt oder die Stromtragfähigkeit des Hochstromleitelements wesentlich höher ist, als der Leitungsquerschnitt oder die Stromtragfähigkeit der Schwachstrom-Leiterbahn, und wobei das Hochstromleitelement zur elektrischen Kontaktierung des Leistungsbauelements genutzt und/oder mitgenutzt wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochstromleitungselement mit mindestens einem weiteren elektronischen Leistungsbauelement oder einer Hoch- stromkontaktierung (15, 15', 15'') elektrisch leitend und niederohmig verbunden ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochstromleitelement den Strom über ein Kühlinlay und über mindestens eine aufgesetzte Hochstrombrücke leitet, welche bevorzugt als automatisch bestückbares elektrisches Bauelement ausgeführt ist.
4. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktie- rung des Hochstromleitelements mit dem elektrischen Bauelement und/oder der Schwachstrom-Leiterbahn mittels einem oder mehreren Einpresskontakten erfolgt.
5. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktie- rung des Hochstromleitelements mit dem elektrischen Bauelement oder einem weiteren Kühlelement (26) über SMD- Technik erfolgt.
6. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochstromleitelement elektrisch unmittelbar, mit einer Schwachstrom- Leiterbahn verbunden ist, wobei eine unmittelbare Verbindung durch Druckkontakt, Löten, Schweißen, Verstemmen oder ähnliche Techniken erfolgen kann.
7. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochstromleitelement die Form einer komplexen Leiterbahn hat, also mehrfach verzweigt ist und/oder mehrfach gekrümmt ist und/oder mit mehrfachen Anschlussstellen (21) für die elektrischen Bauelemente versehen ist.
8. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochstromleitelement einen oder mehrere Fügepunkte hat, mit denen sich formschlüssige Verbindungen mit der Leiterbahn oder Teilen davon bilden lassen, wobei die Fügepunkte Schwalbenschwanzverbindungen oder ähnliche Verbindungen darstellen .
9. Verwendung der oben beschriebenen Leiterplattenanordnung im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik.
10. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung, insbesondere gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Leiterplattenanordnung (16), mit mindestens einer Schwachstrom- Leiterbahn mindestens ein Kühlinlay (22, 21, 22') mit einer Maschine eingepresst wird, bevor in einem weiteren Schritt die Leiterplattenanordnung mit elektrischen Bauelementen nach dem SMD-Verfahren bestückt wird.
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