WO2011113867A1 - Schaltungseinheit mit stromschiene zur strom- und wärmeübertragung sowie ein verfahren zur herstellung dieser schaltungseinheit - Google Patents

Schaltungseinheit mit stromschiene zur strom- und wärmeübertragung sowie ein verfahren zur herstellung dieser schaltungseinheit Download PDF

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WO2011113867A1
WO2011113867A1 PCT/EP2011/053985 EP2011053985W WO2011113867A1 WO 2011113867 A1 WO2011113867 A1 WO 2011113867A1 EP 2011053985 W EP2011053985 W EP 2011053985W WO 2011113867 A1 WO2011113867 A1 WO 2011113867A1
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WO
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circuit board
circuit unit
unit according
printed circuit
bus bar
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PCT/EP2011/053985
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Toni Riepl
Tobias Steckermeier
Arnoud Smit
Thomas Schmid
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Continental Automotive Gmbh
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Publication date
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Definitions

  • Circuit unit with busbar for power
  • the present invention relates to a circuit unit having a printed circuit board with at least one electronic
  • the invention relates to a
  • the circuit unit can serve as a carrier for electrical or electronic components for processing electrical signals or for transmitting electrical currents.
  • circuit unit with power electronic components In certain applications in the field of power electronics, for example as a voltage stabilizing device in a vehicle electrical system, it is necessary for the circuit unit with power electronic components to withstand a current intensity of more than 1000 amperes at low voltage of a few tens of volts for a few seconds without disturbing heat generation.
  • Such a circuit unit is disclosed, for example, in the document DE10 2006 028 675 B4.
  • Circuit carrier added which does not meet a DCB substrate.
  • the object of the invention is therefore to provide a
  • circuit unit which meets the above requirements and also removes the heat developed in at least one electronic component in a timely manner.
  • circuit unit to be produced with a low production cost and low cost.
  • the circuit unit which has a printed circuit board with at least one component on a first surface, is designed such that the printed circuit board of the circuit unit is provided with at least one bus bar on the second surface facing away from the first surface having the at least one electronic component.
  • this busbar is fastened by means of at least one fastening means to the second surface of the printed circuit board and serves for power transmission and for heat dissipation.
  • the busbar is preferably designed plane-parallel to the second surface.
  • the busbar can be made with a predetermined structure of a flat metal plate made of a metal such. B copper or a metal alloy such. B. copper-aluminum alloy
  • the thickness of the busbar can vary depending on
  • Busbar be made sufficiently thick and have a correspondingly large cross-sectional area.
  • the bus bar has a thickness of 1 mm to 5 mm.
  • the bus bar has a thickness of 1.5 mm to 2.5 mm.
  • the one surface of the circuit board can be completely covered with the bus bar or with the bus bars.
  • a large-scale busbar also gives the circuit board additional
  • Substrate material has the above-described embodiment of the busbar the advantage that this busbar does not bring as the integrated copper conductor tracks in the given space in the inner layers of the circuit board to high internal resistance with it.
  • the busbar dissipate the heat more effectively than the integrated copper interconnects, because the busbar is not laminated isolated as the copper interconnects in the circuit board.
  • circuit unit with the bus bar described above compared to the alternative solution with a High-current circuit board with integrated copper conductor tracks much easier and thus cheaper to produce.
  • transmitted electronic component and the resulting heat in the component can also be derived in a direct, short path via the attachment means to the busbar.
  • the circuit board has on the second surface at least one groove in which the busbar can be arranged.
  • the busbar can thus be fixed even more stable on the circuit board.
  • the circuit board of the circuit unit has at least one plated-through hole, wherein the at least one fastening means in the busbar and in the
  • the fastening means serves as an additional heat sink and transfers the heat from the circuit board or from the at least one electronic component to the busbar.
  • the attachment means transfers the electric current from the bus bar almost directly to the electronic component on the circuit board, so that little heat is generated in the circuit board.
  • One of the preferred embodiments of the fastener is a press-fit pin.
  • a solid press-in pin that is to say a press-in pin with a full cross-section, or also a press-in pin with a C-shaped cross section is preferred.
  • the fastening means may also be a rivet or a connecting pin, wherein the rivet is soldered to the busbar or the electronic component (eg reflow soldered by reflow soldering method).
  • the rivet preferably on the outer surface, ie at the with the
  • Busbar or with the via-contacting side wall and / or top or bottom surface a knurled structure through which a liquid solder during the soldering can flow through, fills the spaces between the rivet and the busbar or through hole and thus allows a more stable solder joint , This has the advantage that the current or heat can flow unhindered from the busbar to the component or vice versa due to the good current and thermal conductivity of the solder joint.
  • the rivet has a diameter that corresponds to the diameter of the contact surface of the electronic component, wherein the rivet is electrically and thermally contacted via this contact surface with the component.
  • this diameter is 5mm to 10mm.
  • a low-resistance and heat-conducting metal such as copper or a low-resistance and heat-conducting
  • B power MOSFET transistors type STV270N4F3 of the semiconductor manufacturer STMicroelectronics as an electrical connection, for example, is designed as a drain terminal.
  • the rivets can be contacted directly with these electrical connections of the components electrically and thermally.
  • the current can be transmitted from the bus bar via the rivet directly to the electrical connections and the heat developed in the component can be dissipated directly via the connections to the rivet and further to the bus bar.
  • the rivets can be designed so that the surface of the rivet, which is contacted or soldered to the electrical connections of the components, preferably has a same surface shape as that of the electrical connections. At least the
  • the circuit unit can be in one
  • the busbars can be produced inexpensively in various thicknesses and widths. Depending on the width and thickness of the punched busbar, this may have an internal resistance of less than 0.4 milliohms and receive and transmit a current of 1000 amperes for a few seconds.
  • busbars are large
  • the circuit board executed and cover at least 80% of the second surface of the circuit board.
  • the heat developed in the circuit board can be distributed over the entire surface of the busbars and transported away faster. If the circuit board has at least two busbars on a surface, then the intermediate spaces between two busbars can preferably be filled with an electrically insulating material so that a leakage current between two busbars can be effectively prevented.
  • Circuit board so the circuit board of the circuit unit mechanically fixed and contacted with the lying on the opposite side of the printed circuit board electronic components electrically and thermally directly, and on the one hand allows a current transfer of a current of 1000 amps for several seconds and on the other hand for effective heat dissipation.
  • the strength of the fastening means such. B.
  • Busbar to PCB remains very good at high temperature and load variations.
  • Conductor tracks in the circuit board or to the at least one electronic component on the circuit board via the at least one fastening means is very resistant to overloading, for example due to the redundant design of the fastener.
  • Such a voltage stabilization device serves, for example, to maintain the mains voltage of an electrical system of a vehicle in a start / stop operation of the vehicle, in which due to a sudden increase in power demand by, for example, starter generator, the mains voltage under one for the
  • a vehicle in particular an electric or hybrid vehicle, is provided with a circuit unit or a voltage stabilization device described above.
  • the circuit unit finds its application esp. In electric or electric hybrid vehicles, as they have compared to the internal combustion engine-powered conventional vehicles much more power consumers in their electrical system, which consume a current with a current of several hundreds of amps for a short time.
  • a method for producing a circuit unit described above comprises the following method steps.
  • the bus bar which is punched out of a metal plate in advance, for example, is arranged on a surface of a printed circuit board and fastened by means of at least one fastening means on the printed circuit board. After that, the with the bus bar.
  • Busbar facing surface opposite Surface of the circuit board equipped with at least one electronic component (eg. In a reflow soldering process).
  • the printed circuit board can be equipped normally and preferably in a reflow process, ie in one
  • SMD placement line is only pressing the press-fit pins or riveting the rivet necessary to complete the circuit unit manufacture.
  • the press-fit pins can be pressed into the printed circuit board offline before the reflow process but also after the reflow process outside the SMD placement line, which can easily be automated with the aid of a magazine system.
  • the busbars are economically produced by stamping in large series.
  • Circuit unit are, as far as on the
  • Voltage stabilizing device or the vehicle and the method transferable to view as advantageous embodiments of the voltage stabilization device, the vehicle or the method.
  • An exemplary embodiment is a circuit unit of a voltage stabilization device of a vehicle electrical system of a hybrid vehicle.
  • 1 shows a schematic plan view of a
  • Busbar surface of the printed circuit board according to an embodiment
  • Figure 2 is a schematic plan view of a surface of the circuit board with busbars
  • Figure 3 is a schematic plan view of a surface of the circuit board with the milled grooves in the circuit board for the attachment of busbars; 4 shows the circuit board of the circuit unit in a lateral sectional view, in which the transmission path for power transmission or heat dissipation is shown understandable, and
  • Figure 6 is a schematic cross-sectional view of a press-in pin according to an embodiment
  • Figure 7 is a schematic longitudinal sectional view of a press-in pin according to another embodiment
  • Figure 8 is a schematic cross-sectional view of a rivet according to one embodiment.
  • the circuit board 100 of the circuit unit is on a first
  • power MOSFET's are of the STV270N4F3 type from the semiconductor manufacturer STMicroelectronics, with the MOSFETs shown in FIGS
  • This power MOSFET 200 has at the bottom of the transistor, the drain terminal 210, which covers the entire bottom surface of the transistor 200 on. It also has several
  • Source terminals 220 and a gate terminal 230 are electrically and thermally connected via respective solder connection 700 with the conductor tracks 120 in the circuit board 100.
  • the not equipped with the electronic or electrical components 400 surface 102 of the circuit board 100 is provided with grooves 110 for receiving busbars 410, 420, 430, as shown in the figure 3. In these grooves 110, the punched out of a metal plate busbars 410, 420, 430 are arranged, which for the transmission of power to the lying on the other surface 101 of the circuit board 100 power MOSFET 's 200 with more than lOOOAm amperage and at the same time to dissipate in the
  • the underside of the busbars 410, 420, 430, which contacts the bottom surface of the grooves 110, and the bottom surface of the grooves 110 are made plane-parallel to each other and tuned so that after joining the busbars 410, 420, 430 and the circuit board 100 no disturbing open spaces between the two surfaces arise, which negatively affect the
  • Heat transfer from the circuit board 110 to the busbars 410, 420, 430 can affect. Ideally, heat paste is applied between these two surfaces for better heat transfer.
  • the busbars 410, 420, 430 are above rivets 500 and
  • Bus bars 500 and the circuit board 100 are pressed, thereby, the circuit board 100 at the locations where the rivets 500 or press-fit 610, 620 are used corresponding
  • the busbars 420 are electrically and thermally contacted to the conductor track 120 in the printed circuit board 100.
  • the busbars 410 directly to the drain terminal 210 of
  • Power MOSFET 's 200 electrically and thermally contacted, wherein the rivet 500 with the drain terminals 210 of
  • Power MOSFET's 200 are soldered.
  • the press-fit pins 610 have a C-shaped cross-section 611, as shown in FIG.
  • the Einpresspins 610 have a relatively smaller cross-sectional area, ie pressure surface on which a correspondingly lower pressure force must act to press the Einpresspins 610 in the busbar 420.
  • press-fit pins 620 may be tubular or partially formed with cavity 621. such Einpresspins 620 deform during insertion into the press-fit pins 620.
  • Bus bar 420 and the circuit board 100 in sections, thus forming a stable mechanical connection between the bus bar 420 and the circuit board 100.
  • Figure 7 shows a cross section of a Einpresspins 620 with an enclosed cavity 621st
  • the rivets 500 have a knurled structure 510 on the side wall, wherein in a soldering process along this structure, the liquefied solder can flow and after hardening a stable and low-resistance solder joint 700 between the
  • Power MOSFET 's 200 is a very low impedance connection of the busbars 410 to the power MOSFET' s 200 created and so can the currents of a strength of several hundreds of amperes without disturbing heat development in the transmission path from the busbars 410 to the
  • Line MOSFET's 400 are transmitted.
  • the heat developed in the MOSFETs 400 can also be dissipated more quickly to the busbars or via the busbars 420.
  • a heat paste 300 is arranged between the power MOSFET 200 and the rivet 400, which heat transfer from the MOSFET 200 to the rivet 400 promotes.
  • the source terminals 220 of the power MOSFETs 200 are electrically and thermally connected via solder connection 700 to the conductor tracks 120 of the circuit board 100. In close proximity to the source terminals 220, the circuit board 100, the
  • Einpresspins 610 which the conductor tracks 120 with the Connect busbars 420 electrically and thermally.
  • the solder joint 220 and the interconnects 120 form a likewise very low-impedance short transmission path from the
  • Source terminals 220 to the busbars 420.
  • currents of a strength over 100 amperes can flow unhindered without being too large
  • the gaps 800 between two bus bars are 410, 420, 430 filled with a high-resistance material, which
  • Busbars 410, 420, 430 electrically isolated from each other.
  • the circuit unit shown in this embodiment is manufactured as follows. First, the bus bars 410, 420, 430 and the circuit board 100 are provided, the
  • Busbars 410, 420, 430 made of a metal z. B. copper plate punched out.
  • the circuit board 100 is manufactured according to layout with corresponding tracks 120 and with
  • circuit board circuit board of the

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungseinheit mit einer Leiterplatte mit zumindest einem elektronischen Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung eine Spannungsstabilisierungsvorrichtung und ein Fahrzeug mit einer oben genannten Schaltungseinheit. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schaltungseinheit. Die Schaltungseinheit, die eine Leiterplatte (100) mit zumindest einem Bauelement (200) auf einer ersten Oberfläche aufweist, ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung so modifiziert, dass die Leiterplatte der Schaltungseinheit auf der von der elektronische Bauelemente aufweisenden ersten Oberfläche abgewandten, zweiten Oberfläche mit zumindest einer Stromschiene (410, 420) versehen ist. Dabei ist diese Stromschiene mithilfe von zumindest einem Befestigungsmittel (500, 610) zu der zweiten Oberfläche der Leiterplatte befestigt und dient zur Stromübertragung sowie zur Wärmeabfuhr.

Description

Beschreibung
Schaltungseinheit mit Stromschiene zur Strom- und
Wärmeübertragung sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Schaltungseinheit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungseinheit mit einer Leiterplatte mit zumindest einem elektronischen
Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung eine
Spannungsstabilisierungsvorrichtung und ein Fahrzeug mit einer oben genannten Schaltungseinheit. Außerdem betrifft die
Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schaltungseinheit . Die Schaltungseinheit kann als Träger für elektrische bzw. elektronische Bauelemente zur Bearbeitung elektrischer Signale bzw. zur Übertragung elektrischer Ströme dienen.
Bei bestimmten Anwendungen im Bereich Leistungselektronik bspw. als eine Spannungsstabilisierungsvorrichtung in einem Bordnetz eines Fahrzeugs ist es erforderlich, dass die Schaltungseinheit mit leistungselektronischen Bauelementen eine Stromstärke von über 1000 Ampere bei Niederspannung von einigen 10 Volt für einige Sekunden ohne störende Wärmeentwicklung aushalten muss.
Dieses Problem wurde bis jetzt durch eine Schaltungseinheit mit einem DCB-Substrat („Direkt bondiertes Kupfersubstrat", auf Englisch „Direct Copper Bonde Substrat") als Schaltungsträger von elektronischen Bauelementen gelöst. Diese DCB-Substrate sind jedoch sehr teuer und brauchen wegen der Bestückung mit
Nacktchips (auf Englisch „Bare Dies") eine eigene
Produktionslinie .
Eine derartige Schaltungseinheit ist bspw. in der Druckschrift DE10 2006 028 675 B4 offenbart.
Allerdings kommt in der oben genannten Anwendung in Bordnetzen von Fahrzeugen noch wegen der Niedervolt-Anwendung die verschärfte Anforderung der Niederohmigkeit des
Schaltungsträgers hinzu, welche ein DCB-Substrat nicht erfüllt.
Die Aufgabe der Erfindung liegt somit darin, eine
Schaltungseinheit bereitzustellen, welche die oben genannten Anforderungen erfüllt und zudem die in zumindest einem elektronischen Bauelement entwickelte Wärme rechtzeitig abtransportiert. Außerdem soll die Schaltungseinheit auch mit einem geringen Fertigungsaufwand und kostengünstig herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der
Unteransprüche .
Demnach ist die Schaltungseinheit, die eine Leiterplatte mit zumindest einem Bauelement auf einer ersten Oberfläche aufweist, so ausgeführt, dass die Leiterplatte der Schaltungseinheit auf der von der das zumindest eine elektronische Bauelement aufweisenden ersten Oberfläche abgewandten, zweiten Oberfläche mit zumindest einer Stromschiene versehen ist. Dabei ist diese Stromschiene mithilfe von zumindest einem Befestigungsmittel zu der zweiten Oberfläche der Leiterplatte befestigt und dient zur Stromübertragung sowie zur Wärmeabfuhr. Die Stromschiene ist vorzugsweise planparallel zur zweiten Oberfläche ausgeführt.
Die Stromschiene kann mit vorab bestimmter Struktur aus einer flachen Metallplatte aus einem Metall wie z. B Kupfer oder einer Metalllegierung wie z. B. Kupfer-Aluminium-Legierung
ausgestanzt werden. Die Dicke der Stromschiene kann je nach
Bedarf und Ausführung individuell bestimmt werden. Aufgrund der Anforderung, dass die Stromschiene einen Stromfluss einer Stromstärke von mehreren Hunderten von Ampere bis über 1000 Ampere mehrere Sekunden lang aushalten soll, muss die
Stromschiene ausreichend dick ausgeführt sein und eine entsprechend große Querschnittfläche aufweisen. Vorzugsweise hat die Stromschiene eine Dicke von 1 mm bis 5 mm. Idealerweise weist die Stromschiene eine Dicke von 1,5 mm bis 2,5 mm auf. Dadurch, dass die Stromschiene und das elektronische Bauelement auf jeweils einer voneinander abgewandten also voneinander gegenüberliegenden Oberfläche der Leiterplatte angeordnet sind, können die Stromschiene und das elektronische Bauelement in einfachen Fertigungsschritten auf der Leiterplatte bestückt und befestigt werden. Also die eine Oberfläche der Leiterplatte kann zuerst mit der Stromschiene bestückt werden und dann die andere Oberfläche der Leiterplatte mit dem elektronischen Bauelement.
Außerdem kann die eine Oberfläche der Leiterplatte vollständig mit der Stromschiene bzw. mit den Stromschienen bedeckt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Querschnittfläche der Stromschiene entsprechend groß dimensioniert werden kann, sodass diese einerseits einen stärkeren Strom übertragen und andererseits die Wärme besser abführen kann. Eine großflächig ausgeführte Stromschiene verleiht der Leiterplatte auch zusätzliche
Stabilität . Gegenüber einer möglichen Alternativlösung mit einer
Hochstromleiterplatte mit integrierten 400 pm
Kupferleiterbahnen in den Innenlagen oder zwischen dem
Substratmaterial hat die oben beschriebene Ausführung der Stromschiene den Vorteil, dass diese Stromschiene nicht wie die integrierten Kupferleiterbahnen in dem gegebenen Bauraum in den Innenlagen der Leiterplatte einen zu hohen inneren Widerstand mit sich bringt.
Andererseits kann die Stromschiene die Wärme effektiver abführen als die integrierten Kupferleiterbahnen, weil die Stromschiene nicht wie die Kupferleiterbahnen in der Leiterplatte isoliert einlaminiert ist. Dies hat den Vorteil, dass sich die in den elektronischen Bauelementen entwickelte Wärme nicht in den Kupferleiterbahnen und somit in der Leiterplatte verstaut und die Funktionen von elektronischen Bauelementen beeinträchtigt.
Zudem ist die Schaltungseinheit mit der oben beschriebenen Stromschiene im Vergleich zu der Alternativlösung mit einer Hochstromleiterplatte mit integrierten Kupferleiterbahnen wesentlich einfacher und somit günstiger herstellbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ragt das
Befestigungsmittel durch die Leiterplatte hindurch und kontaktiert die Stromschiene mit dem elektronischen Bauelement elektrisch und thermisch, wobei die Stromschiene über das Befestigungsmittel vorzugsweise unmittelbar mit dem
elektronischen Bauelement elektrisch bzw. thermisch kontaktiert ist.
Dies hat den Vorteil, dass der Strom von der Stromschiene über das Befestigungsmittel in einem kürzesten Weg zu dem
elektronischen Bauelement übertragen und die in dem Bauelement entstandene Wärme ebenfalls im direkten, kurzen Weg über das Befestigungsmittel an die Stromschiene abgeleitet werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die Leiterplatte auf der zweiten Oberfläche zumindest eine Nut auf, in welcher die Stromschiene angeordnet werden kann.
Durch die Anordnung der Stromschiene in die Nut der Leiterplatte, kann der Stromübertragungs- bzw. Wärmeabfuhrweg von der
Stromschiene zum Bauelement noch mal verkürzt werden. Zudem lässt sich die Stromschiene bewegungsfrei somit noch stabiler auf der Leiterplatte befestigen.
Vorteilhafterweise weist die Leiterplatte der Schaltungseinheit zumindest eine Durchkontaktierung auf, wobei das zumindest eine Befestigungsmittel in die Stromschiene und in die
Durchkontaktierung in der Leiterplatte eingepresst ist. Dabei dient das Befestigungsmittel als zusätzliche Wärmesenke und überträgt die Wärme von der Leiterplatte bzw. von dem zumindest einen elektronischen Bauelement an die Stromschiene. Zudem überträgt das Befestigungsmittel den elektrischen Strom von der Stromschiene fast direkt zu dem elektronischen Bauelement auf der Leiterplatte, sodass in der Leiterplatte kaum Wärme entsteht. Eine der bevorzugten Ausführungsformen des Befestigungsmittels ist ein Einpresspin. Dabei wird ein massiver Einpresspin, also ein Einpresspin mit einem vollen Querschnitt, oder auch ein Einpresspin mit einem C-förmigen Querschnitt bevorzugt.
Alternativ kann das Befestigungsmittel auch ein Niet oder ein Verbindungsstift sein, wobei der Niet mit der Stromschiene bzw. dem elektronischen Bauelement gelötet (bspw. Reflow also mit Wiederaufschmelzlötverfahren gelötet) ist. Dabei weist der Niet vorzugsweise auf deren Außenfläche, also an der mit der
Stromschiene bzw. mit der Durchkontaktierung berührenden Seitenwand und/oder Ober- bzw. Unterfläche, eine gerändelte Struktur auf, durch die ein flüssiges Lötzinn beim Lötvorgang hindurchfließen kann, die Zwischenräume zwischen dem Niet und der Stromschiene bzw. Durchkontaktierung füllt und so eine stabilere Lötverbindung ermöglicht. Dies hat den Vorteil, dass der Strom bzw. die Wärme durch die gute Strom- und Wärmeleitfähigkeit der Lötverbindung ungehindert von der Stromschiene zum Bauelement bzw. umgekehrt abfließen kann.
Vorzugsweise hat der Niet einen Durchmesser, der dem Durchmesser der Kontaktfläche des elektronischen Bauelements entspricht, wobei der Niet über diese Kontaktfläche mit dem Bauelement elektrisch und thermisch kontaktiert ist. Typischerweise ist dieser Durchmesser 5 mm bis 10 mm.
Die Stromschiene und das Befestigungsmittel bestehen
vorzugsweise aus einem niederohmigen und wärmeleitenden Metall wie Kupfer oder einer niederohmigen und wärmeleitenden
Metalllegierung aus Kupfer-Aluminium.
In den Anwendungen der Schaltungseinheit mit
leistungselektronischen Bauelementen, welche bspw. eine
Stromstärke von über 1000 Ampere bei Niederspannung von einigen 10 Volt für einige Sekunden ohne störende Wärmeentwicklung aushalten müssen, ist eine direkte Verbindung der Stromschiene mit den leistungselektronischen Bauelementen über die durch die Leiterplatte hindurch ragenden Niete vorteilhaft, weil fast die Gesamtfläche des Bodens also der Unterseite der in einem derartigen Hochleistungsbereich verwendeten
leistungselektronischen Bauelemente wie z. B. Leistungs-MOSFET Transistoren vom Typ STV270N4F3 des Halbleiterherstellers STMicroelectronics als ein elektrischer Anschluss bspw. als Drain-Anschluss ausgebildet ist. So können die Niete direkt mit diesen elektrischen Anschlüssen der Bauelemente elektrisch und thermisch kontaktiert werden. Dadurch können der Strom von der Stromschiene über die Niete direkt an die elektrischen Anschlüsse übertragen und die im Bauelement entwickelte Wärme unmittelbar über die Anschlüsse an die Niete und weiter an die Stromschiene abgeführt werden.
Zur effizienteren Stromübertragung bzw. Wärmeabführung können die Niete so ausgeführt sein, dass die Oberfläche der Niete, die mit den elektrischen Anschüssen der Bauelemente kontaktiert bzw. verlötet wird, vorzugsweise eine gleiche Flächenform aufweist wie die der elektrischen Anschlüsse. Zumindest soll die
Oberfläche der Niete nahezu gleiche Flächengröße aufweisen wie die der elektrischen Anschlüsse (vorzugsweise zumindest 90% der Flächengröße der Anschlüsse) .
Die Schaltungseinheit kann in einem
Standard-SMD-Bestückungsprozess also in einem
Oberflächenmontageprozess mit den Stromschienen bestückt werden. Die Stromschienen können je nach Anforderung in verschiedenen Stärken und Breiten preiswert hergestellt werden. Je nach Breite und Stärke der gestanzten Stromschiene kann diese einen Innenwiderstand von weniger als 0, 4 MilliOhm aufweisen und einen Strom mit einer Stärke von 1000 Ampere für einige Sekunde aufnehmen und übertragen.
Vorteilhafterweise sind die Stromschienen großflächig
ausgeführt und bedecken zumindest 80% der zweiten Oberfläche der Leiterplatte. Die in der Leiterplatte entwickelte Wärme kann über die gesamte Fläche der Stromschienen verteilt und so schneller abtransportiert werden. Weist die Leiterplatte zumindest zwei Stromschienen auf einer Oberfläch auf, so können die Zwischenräume zwischen zwei Stromschienen vorzugsweise mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt werden, damit ein Leckstrom zwischen zweier Stromschienen wirksam verhindert werden kann.
Dadurch ist eine Schaltungseinheit geschaffen, welche
kostengünstig und einfach herstellbar ist und zudem zumindest eine niederohmige Stromschiene aufweist, welche mittels ebenfalls niederohmigen Befestigungselementen mit dem
Schaltungsträger also der Leiterplatte der Schaltungseinheit mechanisch fest verbunden und mit den auf der abgewandten Seite der Leiterplatte liegenden elektronischen Bauelementen elektrisch und thermisch unmittelbar kontaktiert ist, und einerseits eine Stromübertragung einer Stromstärke von 1000 Ampere über mehrere Sekunden ermöglicht und andererseits zur effektiven Wärmeabführung dient.
Die Festigkeit der über die Befestigungsmittel wie z. B.
Einpresspins oder Nieten hergestellten Verbindung von der
Stromschiene zur Leiterplatte bleibt bei hohen Temperatur- und LastSchwankungen sehr gut.
Die elektrische Verbindung von der Stromschiene zu den
Leiterbahnen in der Leiterplatte oder zu dem zumindest einen elektronischen Bauelement auf der Leiterplatte über das zumindest ein Befestigungsmittel ist dank der redundanten Auslegung des Befestigungsmittels sehr resistent gegenüber der Überlastung bspw. durch einen zu starken Strom über längere Strömungsdauer.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine
Spannungsstabilisierungsvorrichtung, insb .
Spannungsstabilisierungsvorrichtung eines
Start-/Stop-Steuersystems oder eines Bordnetzes eines
Fahrzeugs, mit einer oben beschriebenen Schaltungseinheit geschaffen . Eine derartige Spannungsstabilisierungsvorrichtung dient bspw. dazu, die Netzspannung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs in einem Start-/Stop-Vorgang des Fahrzeugs aufrechtzuerhalten, in dem aufgrund eines sprungartig ansteigenden Strombedarfs durch bspw. Starter-Generator die Netzspannung unter einen für die
Stromverbraucher im Bordnetz gefälligen Spannungsschwellwert abzufallen droht.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einer oben beschriebenen Schaltungseinheit bzw. einer oben genannten Spannungsstabilisierungsvorrichtung geschaffen .
Die Schaltungseinheit findet ihre Anwendung insb. bei Elektro- oder Elektrohybridfahrzeugen, da diese im Vergleich zu den verbrennungsmotorbetriebenen konventionellen Fahrzeugen wesentlich mehr Stromverbraucher in deren Bordnetz haben, welche einen Strom mit einer Stromstärke von mehreren Hunderten von Ampere über kurze Zeit verbrauchen.
Obwohl bisher nur von einem elektronischen Bauelement, einer Stromschiene, einer Nut oder einem Befestigungsmittel die Rede war, gilt die obige Erfindung auch für Schaltungseinheit mit zwei oder mehreren Bauelementen, Stromschienen, Nuten oder
Befestigungsmitteln wie Einpresspins oder Nieten. Es ist unter Umständen sogar vorteilhaft für die Stabilität, die Stromschiene mit einer Mehrzahl von Befestigungsmitteln an der Leiterplatte zu befestigen. Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Schaltungseinheit bereitgestellt, welches folgende Verfahrensschritte aufweist. Die Stromschiene, die bspw. vorab aus einer Metallplatte ausgestanzt ist, wird auf einer Oberfläche einer Leiterplatte angeordnet und mittels zumindest einem Befestigungsmittel auf der Leiterplatte befestigt. Danach wird die der mit der
Stromschiene versehenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche der Leiterplatte mit zumindest einem elektronischen Bauelement bestückt (bspw. in einem Reflow-Lötprozess ) .
Die Leiterplatte kann dabei ganz normal bestückt werden und vorzugsweise in einem Reflow-Prozess, also in einem
Wiederaufschmelzlötprozess, verlötet. Außerhalb der
SMD-Bestückungslinie ist nur Einpressen der Einpresspins bzw. Vernieten der Niete notwendig, um die Schaltungseinheit fertig herzustellen .
Die Einpresspins können vor dem Reflow-Prozess aber auch nach dem Reflow-Prozess offline also außerhalb der SMD-Bestückungslinie in die Leiterplatte eingepresst werden, was mit Hilfe eines Magaziniersystems gut automatisierbar ist. Die Stromschienen sind durch Stanzverfahren in Großserie ökonomisch herstellbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben dargestellten
Schaltungseinheit sind, soweit im Übrigen auf die
Spannungsstabilisierungsvorrichtung bzw. das Fahrzeug sowie das Verfahren übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Spannungsstabilisierungsvorrichtung, des Fahrzeugs bzw. des Verfahrens anzusehen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines
Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert. Als Ausführungsbeispiel dient eine Schaltungseinheit einer Spannungsstabilisierungsvorrichtung eines Bordnetzes eines Hybridfahrzeugs. Dabei zeigen, Figur 1 in einer schematischen Draufsicht eine mit
Stromschienen versehene Oberfläche der Leiterplatte gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2 in einer schematischen Draufsicht eine Oberfläche der Leiterplatte mit Stromschienen;
Figur 3 in einer schematischen Draufsicht eine Oberfläche der Leiterplatte mit den in die Leiterplatte gefrästen Nuten zum Ansetzen von Stromschienen; Figur 4 die Leiterplatte der Schaltungseinheit in einer seitlichen Schnittdarstellung, in der der Übertragungsweg für Stromübertragung bzw. Wärmeabfuhr verständlich dargestellt ist, und
Figur 5 in einer seitlichen Schnittdarstellung eine
alternative Ausführungsform der Wärmeabfuhr von einem
leistungselektronischen Bauelement zur Stromschiene;
Figur 6 in einer schematischen Querschnittdarstellung ein Einpresspin gemäß einer Ausführungsform;
Figur 7 in einer schematischen Längsschnittdarstellung ein Einpresspin gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Figur 8 in einer schematischen Querschnittdarstellung ein Niet gemäß einer Ausführungsform. Gemäß dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Leiterplatte 100 der Schaltungseinheit auf einer ersten
Leiterplattenoberfläche 101 leistungselektronischen
Bauelementen 200 bestückt. In diesem Ausführungsbeispiel werden Leistungs-MOSFET ' s vom Typ STV270N4F3 des Halbleiterherstellers STMicroelectronics , wobei die MOSFET's in den Figuren
schematisch nur mit 3 Source-Anschlüssen 220 dargestellt sind. Dieses Leistungs-MOSFET 200 weist am Boden des Transistors den Drain-Anschluss 210, welcher die gesamte Bodenfläche des Transistors 200 abdeckt, auf. Ferner weist es mehrere
Source-Anschlüsse 220 und einen Gate-Anschluss 230. Die Source- und Gate-Anschlüsse 220, 230 sind über jeweilige Lötverbindung 700 mit den Leiterbahnen 120 in der Leiterplatte 100 elektrisch und thermisch verbunden. Die nicht mit den elektronischen bzw. elektrischen Bauelementen 400 bestückten Oberfläche 102 der Leiterplatte 100 ist mit Nuten 110 zur Aufnahme von Stromschienen 410, 420, 430 versehen, wie es die Figur 3 zeigt. In diesen Nuten 110 sind die aus einer Metallplatte ausgestanzten Stromschienen 410, 420, 430 angeordnet, welche zur Übertragung von Strom zu den auf der anderen Oberfläche 101 der Leiterplatte 100 liegenden Leistungs-MOSFET ' s 200 mit mehr als lOOOAm-Stromstärke und zugleich zur Abfuhr von in den
Leistungs-MOSFET ' s 200 entwickelter Wärme dienen.
Die Unterseite der Stromschienen 410, 420, 430, welche mit der Bodenfläche der Nuten 110 berührt, und die Bodenfläche der Nuten 110 sind zueinander planparallel ausgeführt und so abgestimmt, dass es nach dem Zusammenfügen der Stromschienen 410, 420, 430 und der Leiterplatte 100 keine störenden Freiräume zwischen den beiden Flächen entstehen, welche negativ auf die
Wärmeübertragung von der Leiterplatte 110 zu den Stromschienen 410, 420, 430 auswirken können. Idealerweise ist zwischen diesen beiden Flächen Wärmepaste zur besseren Wärmeübertragung aufgetragen . Die Stromschienen 410, 420, 430 sind über Niete 500 und
Einpresspins 610, 620 mit der Leiterplatte 100 fest verbunden, wobei die Niete 500 und Einpresspins 610, 620 durch die
Stromschienen 500 und die Leiterplatte 100 gepresst sind, dabei weist die Leiterplatte 100 an den Stellen, wo die Niete 500 oder Einpresspins 610, 620 eingesetzt werden, entsprechende
Aussparungen auf, deren Wand mit einer Durchkontaktierung 130 versehen ist .
Über eine Gruppe von Einpresspins 610 sind die Stromschienen 420 mit der Leiterbahn 120 in der Leiterplatte 100 elektrisch und thermisch kontaktiert . Über die Nieten 500 sind die Stromschienen 410 unmittelbar mit dem Drain-Anschluss 210 der
Leistungs-MOSFET ' s 200 elektrisch und thermisch kontaktiert, wobei die Niete 500 mit den Drain-Anschlüssen 210 der
Leistungs-MOSFET 's 200 gelötet sind.
Die Einpresspins 610 weisen wie in der Figur 6 dargestellt einen C-förmigen Querschnitt 611 auf. So haben die Einpresspins 610 eine relativ geringere Querschnittfläche, also Druckfläche, auf die eine entsprechend geringere Druckkraft einwirken muss, um die Einpresspins 610 in die Stromschiene 420 einzupressen.
Alternativ können die Einpresspins 620 röhrenförmig oder teilweise mit Hohlraum 621 ausgeführt sein. Derartige Einpresspins 620 verformen sich beim Einführen in die
Stromschiene 420 und die Leiterplatte 100 abschnittweise und bilden so eine stabile mechanische Verbindung zwischen der Stromschiene 420 und der Leiterplatte 100. Die Figur 7 zeigt ein Querschnitt eines Einpresspins 620 mit einem eingeschlossenen Hohlraum 621.
Die Niete 500 weisen an der Seitenwand eine gerändelte Struktur 510 auf, wobei bei einem Lötprozess entlang dieser Struktur das verflüssigte Lötzinn fließen kann und nach dem Erhärten eine stabile und niederohmige Lötverbindung 700 zwischen der
Durchkontaktierung 130 in der Leiterplatte 100 und dem Niete 500 ohne viel Lunkeranteil gebildet wird, wobei diese Verbindung 700 zugleich als niederohmiger Stromübertragungsweg und zur
Wärmeabfuhr dient.
Durch breitflächige Ausführung der Niete 500, welche bspw. die gleiche Flächengröße wie der Drain-Anschluss 210 der
Leistungs-MOSFET ' s 200 aufweisen, ist eine sehr niederohmige Verbindung von den Stromschienen 410 zu den Leistungs-MOSFET ' s 200 geschaffen und können so die Ströme von einer Stärke von mehrerer hunderten Ampere ohne störende Wärmeentwicklung im Übertragungsweg von den Stromschienen 410 zu den
Leitungs-MOSFET ' s 400 übertragen werden. Die in den MOSFET's 400 entwickelte Wärme kann zudem schneller zu den Stromschienen bzw. über die Stromschienen 420 abgeführt werden.
Werden andere Typen von Leistungs-MOSFET ' s verwendet, welche keinen großflächigen Drain-Anschluss auf der Unterseite des Transistors aufweisen, so wird zwischen dem Leistungs-MOSFET 200 und dem Niet 400 eine Wärmepaste 300 angeordnet, welche die Wärmeübertragung vom MOSFET 200 zum Niet 400 fördert.
Die Source-Anschlüsse 220 der Leistungs-MOSFET ' s 200, sind über Lötverbindung 700 mit den Leiterbahnen 120 der Leiterplatte 100 elektrisch und thermisch verbunden. In unmittelbarer Nähe zu den Source-Anschlüssen 220 weist die Leiterplatte 100 die
Einpresspins 610, welche die Leiterbahnen 120 mit den Stromschienen 420 elektrisch und thermisch verbinden. Die Lötverbindung 220 und die Leiterbahnen 120 bilden einen ebenfalls sehr niederohmigen kurzen Übertragungsweg von den
Source-Anschlüssen 220 zu den Stromschienen 420. Durch diesen kurzen Übertragungsweg können auch Ströme von einer Stärke über 100 Ampere ungehindert fließen, ohne dabei allzu große
Leistungsverluste bzw. Wärmeentwicklung zu verursachen.
Die Zwischenräume 800 zwischen zwei Stromschienen sind 410, 420, 430 mit einem hochohmigen Material gefüllt, welches die
Stromschienen 410, 420, 430 voneinander elektrisch isoliert.
Die in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Schaltungseinheit wird wie folgt hergestellt. Zuerst werden die Stromschienen 410, 420, 430 und die Leiterplatte 100 bereitgestellt, wobei die
Stromschienen 410, 420, 430 aus einer Metall- z. B. Kupferplatte ausgestanzt werden. Die Leiterplatte 100 wird gemäß Layout mit entsprechenden Leiterbahnen 120 hergestellt und mit
Durchkontaktierungen 130 und auf einer Oberfläche 102 Nuten 110 versehen. Die gestanzten Stromschienen 410, 420, 430 werden dann auf die Leiterplatte 100 in die entsprechenden Nuten 110 angeordnet und mithilfe von Nieten und Einpresspins 500, 610, 620 mit der Leiterplatte 100 fest verbunden. Danach wird die Leiterplatte 100 umgedreht und die nicht mit den Stromschienen 410, 420, 430 bedeckten Oberfläche 101 der Leiterplatte 100 wird mit den Leistungs-MOSFET ' s und weiteren elektronischen
Bauelementen bestückt und gelötet.
Bezugs zeichenliste
100 Leiterplatte, Schaltungsträger der
Schaltungseinheit
101 erste Oberfläche der Leiterplatte
102 zweite Oberfläche der Leiterplatte
110 Nut in der zweiten Oberfläche der Leiterplatte
120 Leiterbahnen in der Leiterplatte
130 Durchkontaktierung
200 Leistungselektronisches Bauelement,
Leistungs-MOSFET
210 Drain-Anschluss des Leistungs-MOSFET
220 Source-Anschluss des Leistungs-MOSFET
230 Gate-Anschluss des Leistungs-MOSFET
300 Wärmeleitpaste
410, 420, 430 Stromschiene
500 Niet
510 gerändelte Struktur an der Seitenwand vom Niet
500
610, 620 Einpresspin
611 C-förmiger Querschnitt eines Einpresspins
621 Hohlraum eines Einpresspins
700 Lötzinn
800 Zwischenraum zwischen zwei Stromschienen

Claims

Patentansprüche
Schaltungseinheit mit einer Leiterplatte (100),
• wobei die Leiterplatte (100) auf einer ersten Oberfläche (101) der Leiterplatte (100) zumindest ein
elektronisches Bauelement (200) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
• die Leiterplatte (100) auf der von der das elektronische Bauelement (200) aufweisenden ersten Oberfläche (101) abgewandten, zweiten Oberfläche (102) zumindest eine Stromschiene (410, 420, 430) aufweist,
• die Stromschiene (410, 420, 430) mithilfe von zumindest einem Befestigungsmittel (500, 610, 620) auf der zweiten Oberfläche (102) der Leiterplatte (100) befestigt ist und zur Stromübertragung sowie zur Wärmeabfuhr dient.
Schaltungseinheit nach Anspruch 1, wobei das
Befestigungsmittel (500, 610, 620) durch die Leiterplatte (100) hindurchragt und die Stromschiene (410, 420, 430) mit dem elektronischen Bauelement (200) elektrisch und thermisch verbindet.
Schaltungseinheit nach Anspruch 2, wobei die Stromschiene (410, 420, 430) über das Befestigungsmittel (500, 610, 620) unmittelbar mit dem elektronischen Bauelement (200) elektrisch kontaktiert ist.
Schaltungseinheit nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Stromschiene (410, 420, 430) über das Befestigungsmittel (500, 610, 620) unmittelbar mit dem elektronischen
Bauelement (200) thermisch kontaktiert ist.
Schaltungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (100) auf der zweiten Oberfläche (102) zumindest eine Nut (110) aufweist, wobei in dieser Nut (110) die Stromschiene (410, 420, 430) angeordnet ist.
6. Schaltungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (100) zumindest eine
Durchkontaktierung (130) aufweist, wobei das
Befestigungsmittel (500, 610, 620) in die Stromschiene (410, 420, 430) und in die Durchkontaktierung (130) in der Leiterplatte (100) eingepresst ist.
7. Schaltungseinheit nach Anspruch 6, wobei das
Befestigungsmittel ein Einpresspin (610) ist, wobei der Einpresspin (610) einen C-förmigen Querschnitt (611) aufweist .
8. Schaltungseinheit nach Anspruch 6, wobei das
Befestigungsmittel ein Einpresspin (620) ist, wobei der Einpresspin (620) röhrenförmig oder teilweise mit Hohlraum (621) ausgeführt ist.
9. Schaltungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei das Befestigungsmittel ein Niet (500) ist, wobei der Niet (500) mit einem elektrischen Anschluss (210) des elektronischen Bauelements (200) und der Stromschiene (410) verlötet ist.
10. Schaltungseinheit nach Anspruch 9, wobei der Niet (500) auf dessen Außenfläche eine gerändelte Struktur (510) aufweist .
11. Schaltungseinheit nach einem der vorangehenden
Ansprüche, wobei zumindest 80% der zweiten Oberfläche (102) der Leiterplatte (100) von zwei oder mehr Stromschienen (410, 420, 430) bedeckt ist.
12. Schaltungseinheit nach einem der vorangehenden
Ansprüche, wobei die zweite Oberfläche (102) der
Leiterplatte (100) zumindest zwei Stromschienen (410, 420, 430) aufweist, wobei die Zwischenräume (800) zwischen zwei Stromschienen (410, 420, 430) mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt sind.
13. Spannungsstabilisierungsvorrichtung, insb.
Spannungsstabilisierungsvorrichtung eines
Start-/Stop-Steuersystems oder eines Bordnetzes eines Fahrzeugs, mit einer Schaltungseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Fahrzeug, insb. Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einer Schaltungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis oder einer Spannungsstabilisierungsvorrichtung nach Anspruch 13.
Verfahren zur Herstellung einer Schaltungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
• Anordnen einer Stromschiene auf einer zweiten Oberfläche einer Leiterplatte,
• Befestigen der Stromschiene auf der Leiterplatte mittels zumindest einem Befestigungsmittel,
• Bestücken der ersten Oberfläche der Leiterplatte mit zumindest einem elektronischen Bauelement.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bestücken der ersten Oberfläche der Leiterplatte mit dem zumindest einen elektronischen Bauelement mittels eines
SMD-Bestückungsverfahren erfolgt .
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