WO2018091290A1 - Leiterplattenanordnung mit einem elektrischen bauteil und einem kühlkörper - Google Patents

Leiterplattenanordnung mit einem elektrischen bauteil und einem kühlkörper Download PDF

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WO2018091290A1
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circuit board
heat sink
printed circuit
component
plastic layer
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Manuel Schwab
Michael Kohr
Michael Bergler
Thomas Hofmann
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Zf Friedrichshafen Ag
Hofmann Leiterplatten Gmbh
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    • H05K2203/1131—Sintering, i.e. fusing of metal particles to achieve or improve electrical conductivity

Definitions

  • the invention relates to a printed circuit board assembly, an inverter and a method for producing the printed circuit board assembly.
  • circuit board On the two outer sides of the circuit board usually electrical components are arranged and contacted with her. In power electronics, a lot of heat is generated in some of these components, such as circuit breakers. This must be dissipated via cooling surfaces of the component and optionally via an extra radiator body for the component in order to prevent overheating of the component.
  • thermal interface material TIM
  • thermal interface material thermal grease, adhesive or pads.
  • TIMs are thermal grease, adhesive or pads.
  • thermal adhesive usually not self-adhesive. Therefore, the circuit board or the component must be attached thereto with an additional mechanical connection to the radiator body, such as screws, clamps or brackets.
  • a printed circuit board equipped with electrical components can be attached to a heat sink by means of a prepreg layer in a pressing process.
  • the components are mounted with a relatively small distance from the heat sink, wherein the prepreg layer takes over the adhesion between the component and heat sink. This eliminates the need for additional mechanical connections.
  • the component is due to the poor heat conduction
  • the properties of the prepreg layer are not optimally connected to the heat sink.
  • the object of the invention is to improve the prior art.
  • the printed circuit board arrangement has at least one printed circuit board and an electrical component embedded in a hardened plastic layer, as well as a cooling body for cooling the component.
  • the component is arranged with a first side (underside) on a surface of the printed circuit board facing the heat sink.
  • the component is also electrically contacted with the circuit board.
  • the component is located in a window of a plastic layer.
  • the component is further connected in a material-locking manner to a second side (upper side) opposite the first side with a surface of the heat sink facing the printed circuit board, in particular soldered or sintered.
  • the plastic layer is pressed between the surface of the circuit board and the surface of the heat sink and cured.
  • the component is in particular electrically contacted with electrical lines on or in the circuit board.
  • the window in the plastic layer forms an opening penetrating the plastic layer.
  • the component is arranged.
  • the plastic layer surrounds the component in particular laterally.
  • the component is in particular laterally surrounded by the cured plastic and from its underside with the circuit board and its upper side with material for cohesive bonding, in particular solder or sintered material (in particular sintered metal), or the soldered heat sink.
  • SMD surface-mount device.
  • the electrical component can be an electrical resistance, a coil or inductance or a capacitor or a capacitor.
  • the electrical component can also be an electrical logic component (flip-flop etc.) or an integrated circuit or an electrical switch.
  • the circuit board may be unilaterally populated with the one or more electrical components, i. the components are all arranged on a common side of the circuit board, which is then the side facing the heat sink.
  • the circuit board can also be equipped with electrical components on both sides. Then, the circuit board not only has the said electrical component which is arranged in the window of the plastic layer and is soldered to the heat sink, but also via one or more further electrical components, which is arranged on a side opposite the first-mentioned component side of the circuit board /are.
  • the plastic layer is in particular a frame provided with the window (s) for the electrical component (s).
  • the plastic layer can therefore also be referred to as a plastic frame.
  • the plastic layer is in the uncured state like a frame and thus non-liquid.
  • the window (s) may be prefabricated, for example, cut out or punched out.
  • the plastic layer ensures a firm connection between the printed circuit board and the heat sink. For this purpose it adheres to these or glues them together.
  • the circuit board assembly forms a mechanically strong unit.
  • the plastic layer may therefore consist of a thermoset prefilled with fillers, preferably epoxy resin.
  • the plastic layer is characterized in particular by the fact that it has the same or similar properties as the plastic used in the layer structure of the printed circuit board. One of these properties is that the plastic adheres to metallic materials, preferably copper or aluminum. Another property is good thermal conductivity.
  • the heat sink may in particular have an extra cooling structure, such as cooling fins and / or lines for passing coolant. With regard to its surface facing the component, the heat sink in particular has a greater extension than the component or the associated window in the plastic layer. Thus, the heat sink can be soldered to this surface with a plurality of electrical components, which are arranged on the circuit board and for which (especially each) a window in the plastic layer is provided.
  • the plastic layer preferably has the same height as the component together with the material layer, which serves for material-bonding connection to the heat sink, for example a solder layer or a sintered metal layer.
  • the heat sink can rest flat on both the plastic layer, and be connected to the top of the component cohesively.
  • heat can be removed from the plastic layer.
  • the second side of the component (upper side), that is, the side directed toward the heat sink, is integrally connected to the heat sink in a material-bonded manner.
  • this second side or top is preferably executed plan.
  • a method for producing such a printed circuit board arrangement provides that the plastic layer between the printed circuit board and the heat sink is pressed and hardened with heat addition in a production step and melts material for cohesive bonding, in particular solder or sintered material, between the electrical component and the heat sink by the heat addition , so that the component is firmly bonded to the heat sink.
  • the method for producing such a printed circuit board arrangement has in particular at least the following steps:
  • the circuit board is thus pre-equipped with the electrical component. It can, as explained, also be provided a plurality of corresponding electrical components.
  • the chronological order of the steps in the production of the printed circuit board assembly can correspond exactly to this specified sequence (from top to bottom or from step 1 to 5). However, if appropriate, the order of the steps can also be reversed, for example steps 2 and 3. Some steps can also take place parallel in time, for example, the plastic layer can be arranged on the circuit board (step 2), if the heat sink with the material for cohesive Connecting is fitted (step 3).
  • the heat sink for pressing the plastic layer is detachably arranged on a pressing tool.
  • the heat sink can be fixedly arranged on the pressing tool. After pressing, the heat sink can then be easily removed from the pressing tool. The position of the heat sink in the circuit board assembly can thus be safely met.
  • the pressing tool on a heater for melting the material for cohesive bonding.
  • the material may be present for bonding in particular in the form of paste, in particular solder paste, or powder, in particular sinter powder.
  • the step of pressing and curing under vacuum or vacuum.
  • the components of the printed circuit board assembly are under vacuum during step 5.
  • air or process gas for example, by the melting of the material for material connection or the solder or sintered material, from the window in the plastic layer and in particular between the component and the heat sink as far as possible become.
  • the cohesive connection is thus particularly low in voids or other inclusions and thus reliable and good heat conducting.
  • negative pressure is meant here an atmospheric pressure which is below an atmospheric ambient air pressure. So that step 5 can be carried out under reduced pressure, the corresponding parts of the printed circuit board assembly, for example, in a
  • (Lower) pressure container arranged in which the compared to an external ambient air pressure reduced pressure (vacuum) for the step 5 is generated and maintained.
  • the printed circuit board assembly may form a so-called power module.
  • a power module forms its own structural unit.
  • the power module can form an electrical half-bridge.
  • a power module designed as a half-bridge has a phase connection, which is arranged electrically between a first electrical component designed as a high-side switch and a second electrical component designed as a low-side switch, and via two DC voltage connections, as well as via connections for controlling the highside and lowside switch.
  • the components are arranged in the manner described between the circuit board and the heat sink in a (common or individual) window of the cured plastic layer and soldered to the heat sink, respectively.
  • the one or more of the proposed printed circuit board assemblies or one or more of the power modules may form an inverter.
  • Such an inverter can also be referred to as a DC-AC converter. It is designed to convert a direct current (DC) into a (quasi) alternating current (AC). Conversely, it can also be designed to convert an alternating current into a direct current.
  • a proposed motor vehicle drive system has an electric motor as a traction drive, that is, for providing a drive torque, and has such an inverter for operating the electric motor.
  • the inverter supplies the electric machine with the required for the operation of the electric motor electric power, in particular a (quasi) alternating current.
  • the E-machine may therefore be in particular an induction machine, such as a synchronous machine or asynchronous.
  • FIG. 1 shows a circuit board assembly in a schematic representation.
  • the printed circuit board assembly has a printed circuit board 1, as well as an embedded in a cured plastic layer 2 electrical component 3.
  • the circuit board assembly has a heat sink 4, for cooling the component 3.
  • the cooling body can have at least one cooling channel 4A, through which coolant for cooling the component 3 or the printed circuit board 1 is passed.
  • cooling fins or other cooling structures for example so-called fin pins, may be provided on the heat sink 4.
  • electrical components 6 may be provided on or within the printed circuit board 1.
  • the circuit board for example, on both sides with electrical components 3, 6 equipped and contacted.
  • the electrical component 3 is arranged with a first flat side 3A (underside) on a surface of the printed circuit board 1 facing the heat sink, and it is electrically contacted with the printed circuit board 1.
  • the printed circuit board 1 may have printed conductors which run on the surface thereof and / or within the printed circuit board 1.
  • the component 3 is located in a window 2A of the cured plastic layer 2.
  • the window 2A forms an opening, that is to say a passage opening, in the plastic layer 2. It can be produced in any suitable manner, for example stamped out or cut out. Within the window 2A, as shown, exactly one electrical component 3 may be arranged or even several.
  • the component 3 is also connected in a material-locking manner to a second flat side 3B (upper side) opposite the first side 3A with a surface of the heat sink 4 facing the printed circuit board.
  • a solder connection is selected as a cohesive connection.
  • a sintered compound is also usable.
  • a solder layer 5 between the component 3 and the cooling body 4 provided.
  • the solder layer 5 connects the component 3 with the heat sink materially.
  • the plastic layer 2 is pressed between this surface of the circuit board 1 and this surface of the heat sink 4 and cured. It therefore adheres to the heat sink 4 and the circuit board 1 on both sides and therefore connects them mechanically.
  • the plastic layer 2 has the same height H as the component 3 together with the solder layer 5 for soldering to the heat sink 4.
  • the plastic layer 2 and the component 3 over the solder layer 5 are flat and on a common plane to the heat sink 4 at.
  • the solder layer 5 thus connects the component 3 on its upper side 3 B over its entire area with the heat sink 4.
  • the printed circuit board assembly according to the figure is used in particular in an inverter.
  • the electrical component 3 may be a semiconductor switch, for example a high-side or low-side switch of a bridge circuit of the inverter.
  • the plastic layer 2 is pressed between the printed circuit board 1 and the heat sink 4 with the addition of heat and cured.
  • the previously introduced solder 5 or solder paste is melted between the electrical component 3 and the heat sink 4 at the same time by the heat addition, so that the component 3 is soldered to the heat sink 4.
  • the solder 5 bridges at the same time a tolerance-related gap between the component 3 and the heat sink 4.
  • the heat sink 4 is arranged in advance releasably on a pressing tool, which serves for pressing the heat sink 4 on the plastic layer 2 and the printed circuit board 1 in advance of the pressing of the plastic layer 2. After completion of pressing and curing, this connection between the heat sink 4 and pressing tool is released and removed the heat sink with the circuit board assembly thereof.
  • the pressing tool also has the same heating, which serves to heat addition during compression and thus at the same time to melt the solder. The pressing is carried out in particular under reduced pressure, so that gases or air are removed from the solder 5 and the plastic layer 2.
  • the production process proceeds as follows:
  • the non-cured plastic for the plastic layer 2 is placed as a foil or plate on the circuit board 1.
  • windows 2A are cut into the plastic at the locations of the components 3 to be cooled.
  • the heat sink 4 is placed on the plastic layer 2 and the solder 5.
  • the air between the circuit board 1, the electronic component 3, the plastic layer 2 and the heat sink 4 is removed by means of vacuum or vacuum.
  • the plastic layer 2 is pressed with the solder 5 on the circuit board 1.
  • the viscosity of the plastic layer 2 is thereby smaller and the plastic flows into existing spaces between the printed circuit board 1 and the electrical components 3.
  • the pressing tool is tracked until the relatively low viscosity plastic has been displaced to the side or compressed so far that the Distance between the upper side 3 B of the components 3 and the pressing tool or the heat sink 4 located thereon is minimal.
  • heat is supplied, whereby the solder 5 melts and wets the parts / surface of the heat sink 4 corresponding to the components 3 and thermally bonds them together.
  • the pressing tool When the desired distance is reached, the pressing tool is held in position. Due to the process temperature caused by the heat supply and the existing pressure simultaneously hardens the plastic in the plastic layer 2. During the curing process of the plastic material and the solder 5 creates a cohesive, full-surface and solid connection between the circuit board 1 and cooler. 4
  • the proposed manufacturing method and / or the proposed circuit board arrangement offer the following advantages:
  • circuit board 1 Due to the cohesive, full-surface and solid connection between circuit board 1 and cooler 4 mechanical fasteners can be partially or completely omitted. The required space is reduced. The application of additional TIMs for electrical insulation of live electrical components or components of the printed circuit board 1 is eliminated. Assembly and production costs are saved.
  • the full-surface, compact and tight connection also prevents the ingress of dirt.
  • the printed circuit board arrangement shown is therefore particularly suitable for use in a motor vehicle, in particular an inverter of an electric motor vehicle drive system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung und ein Herstellungsverfahren hierfür sowie einen Wechselrichter mit einer solchen Leiterplattenanordnung. Die Leiterplattenanordnung weist eine Leiter platte (1) und ein in einer ausgehärteten Kunststoffschicht (2) eingebettetes elektrisches Bauteil (3) sowie ein Kühlkörper (4) zur Kühlung des Bauteils (3) auf. Dabei ist das Bauteil (3) mit einer ersten Seite (3A) auf einer zum Kühlkörper (4) gerichteten Oberfläche der Leiterplatte (1) angeordnet und mit der Leiterplatte (1) elektrisch kontaktiert und befindet sich in einem Fenster (2A) der ausgehärteten Kunststoffschicht (2). Zudem ist das Bauteil (3) mit einer zur ersten Seite (3A) gegenüberliegenden zweiten Seite (3B) mit einer zur Leiterplatte (1) gerichteten Oberfläche des Kühlkörpers (4) stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötet oder aufgesintert. Die Kunststoffschicht (2) ist zwischen der Oberfläche der Leiterplatte (1) und der Oberfläche der Kühlkörpers (4) verpresst und ausgehärtet. Im Rahmen des Herstellungsverfahrens wird gleichzeitig mit dem Verpressen durch die Wärmezugabe Material (5) zum stoffschlüssigen Verbinden zwischen dem elektrischen Bauteil (3) und dem Kühlkörper (4) aufgeschmolzen, sodass das Bauteil (2) mit dem Kühlkörper (4) stoffschlüssig verbunden wird.

Description

Leiterplattenanordnung mit einem elektrischen Bauteil und einem Kühlkörper
Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung, einen Wechselrichter und ein Verfahren zur Herstellung der Leiterplattenanordnung.
Eine Leiterplatte, wie beispielsweise ein PCB (= printed circuit board) ist üblicherweise in Schichtbauweise aufgebaut. Dabei wechseln sich stromführende Kupferschichten und elektrisch isolierende Kunststoff schichten ab. Diese Kunststoff schichten basieren üblicherweise auf Epoxidharz.
Auf den beiden Außenseiten der Leiterplatte werden üblicherweise elektrische Bauteile angeordnet und mit ihr kontaktiert. In der Leistungselektronik entsteht in einigen dieser Bauteile, beispielsweise Leistungsschaltern, relativ viel Wärme. Diese muss über Kühlflächen des Bauteils und gegebenenfalls über einen extra Kühlerkörper für das Bauteil abgeführt werden, um eine Überhitzung des Bauteils zu verhindern.
Zwischen einem elektrischen Bauteil und einem ihm zugeordneten Kühlerkörper besteht häufig ein toleranzbedingter Luftspalt, der thermisch isolierend wirkt. Dieser wird zur Verbesserung der Wärmeleitung durch thermisch vermittelnde Materialien (= thermal interface material = TIM) ausgefüllt. Beispiele für TIMs sind Wärmeleitpaste, -kleber oder -pads. Üblicherweise werden TIMs elektrisch isolierend ausgeführt um die Leiterplatte sowie die elektrischen Bauteile gegenüber dem Kühlerkörper elektrisch zu isolieren. TIMs sind, mit Ausnahme von Wärmeleitkleber, meist nicht selbsthaftend. Daher muss die Leiterplatte bzw. das Bauteil darauf mit einer zusätzlichen mechanischen Verbindung am Kühlerkörper befestigt werden, beispielsweise Schrauben, Klemmen oder Bügel.
Es ist bekannt, dass eine mit elektrischen Bauteilen bestückte Leiterplatte mittels einer Prepreg-Schicht in einem Verpressvorgang an einen Kühlkörper angebracht werden kann. Hierdurch sind die Bauteile mit relativ geringem Abstand zum Kühlkörper angebracht, wobei die Prepreg-Schicht die Haftvermittlung zwischen Bauteil und Kühlkörper übernimmt. Dadurch werden zusätzliche mechanische Verbindungen überflüssig. Mit dieser Lösung ist das Bauteil aufgrund der schlechten Wärmeleitei- genschaften der Prepreg-Schicht allerdings nicht optimale an den Kühlkörper angebunden.
Aus der DE 196 27 543 A1 ist eine mehrlagige Leiterplattenanordnung (Multi-Layer- Substrat) bekannt, bei der elektrische Bauteile in Fenstern von aus Kunststoff hergestellten Distanzrahmen angeordnet sind. Die verschiedenen Lagen der Leite rplatten- anordnung sind unter Verwendung eines Harzes durch Verpressen flächig miteinander verbunden. Es ist hierbei kein Kühlkörper für die elektrischen Bauteile innerhalb der Leiterplattenanordnung vorgesehen. Dementsprechend ist die Wärmeableitung von den Bauteilen nicht optimal.
Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Hauptansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen davon sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar. Demnach wird eine Leiterplattenanordnung und ein Wechselrichter vorgeschlagen, und es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung vorgeschlagen.
Die Leiterplattenanordnung weist zumindest eine Leiterplatte und ein in eine ausgehärtete Kunststoffschicht eingebettetes elektrisches Bauteil sowie einen Kühlkörper zur Kühlung des Bauteils auf. Dabei ist das Bauteil mit einer ersten Seite (Unterseite) auf einer zum Kühlkörper gerichteten Oberfläche der Leiterplatte angeordnet. Das Bauteil ist auch mit der Leiterplatte elektrisch kontaktiert. Außerdem befindet sich das Bauteil in einem Fenster einer Kunststoffschicht. Das Bauteil ist des Weiteren mit einer zur ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite (Oberseite) mit einer zur Leiterplatte gerichteten Oberfläche des Kühlkörpers stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötet oder aufgesintert. Die Kunststoffschicht ist zwischen der Oberfläche der Leiterplatte und der Oberfläche der Kühlkörpers verpresst und ausgehärtet.
Das Bauteil ist insbesondere mit elektrischen Leitungen auf oder in der Leiterplatte elektrisch kontaktiert. Das Fenster in der Kunststoffschicht bildet eine die Kunststoffschicht durchdringende Öffnung. In dieser ist das Bauteil angeordnet. Die Kunststoff- schicht umgibt das Bauteil insbesondere seitlich. Somit ist das Bauteil insbesondere seitlich von dem ausgehärteten Kunststoff umgeben und von seiner Unterseite mit der Leiterplatte und von seiner Oberseite mit Material zum stoffschlüssigen Verbinden, wie insbesondere Lot oder Sintermaterial (insbesondere Sintermetall), bzw. dem aufgelöteten Kühlkörper.
Bei dem elektrischen Bauteil kann es sich um ein SMD-Bauteil handeln (SMD= surface-mount device). Bei dem elektrischen Bauteil kann es sich um einen elektrischen Widerstand, eine Spule bzw. Induktivität oder einen Kondensator bzw. eine Kapazität handeln. Bei dem elektrischen Bauteil kann es sich allerdings auch um ein elektrisches Logikbauteil (FlipFlop etc.) bzw. eine integrierte Schaltung oder einen elektrischen Schalter handeln. Insbesondere handelt es sich bei dem elektrischen Bauteil um einen Leistungshalbleiterschalter, wie beispielsweise einen IGBT (= insulated-gate bipolar transistor) oder MOSFET (= metal-oxide-semiconductor field-effect transistor).
Bei der Leiterplatte kann es sich um ein PCB (= printed circuit board) handeln. Bei der Leiterplatte kann es sich allerdings auch um ein Keramiksubstrat mit darauf angeordneten Leiterbahnen handeln. Die Leiterplatte kann einseitig mit dem oder mehreren elektrischen Bauteilen bestückt sein, d.h. die Bauteile sind alle auf einer gemeinsamen Seite der Leiterplatte angeordnet, wobei dies dann die zum Kühlkörper gerichtete Seite ist. Andererseits kann die Leiterplatte auch doppelseitig mit elektrischen Bauteilen bestückt sein. Dann verfügt die Leiterplatte nicht nur über das genannte elektrische Bauteil, das in dem Fenster der Kunststoffschicht angeordnet ist und mit dem Kühlkörper verlötet ist, sondern auch noch über eines oder mehrere weitere elektrische Bauteile, welche auf einer zum erstgenannten Bauteil gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte angeordnet ist/sind.
Bei der Kunststoffschicht handelt es sich insbesondere um einen mit dem bzw. den Fenstern für das/die elektrischen Bauteile versehenen aushärtbaren Kunststoff rahmen. Die Kunststoffschicht kann daher auch als Kunststoffrahmen bezeichnet werden. Insbesondere ist die Kunststoffschicht auch im unausgehärteten Zustand rah- menförmig und somit nicht-flüssig. Insbesondere handelt es sich bei der Kunststoff- Schicht um einen Prepreg, also eine mit Harz vo mprägnierte Faserplatte. Hierin können das/die Fenster vorgefertigt sein, beispielsweise ausgeschnitten oder ausgestanzt sein. Die Kunststoffschicht sorgt für eine feste Verbindung zwischen Leiterplatte und Kühlkörper. Dazu haftet sie an diesen an bzw. verklebt diese miteinander. Somit bildet die Leiterplattenanordnung eine mechanisch feste Einheit. Andere Verbindungsmittel zur mechanischen Verbindung von Leiterplatte und Kühlkörper, beispielsweise Schrauben oder Nieten oder Klemmbügel, sind somit nicht erforderlich bzw. können entfallen. Lücken zwischen dem elektrischen Bauteil und dem zugehörigen Fenster der Kunststoffschicht können mit Füllstoff, beispielsweise Harz, verfüllt sein.
Die Kunststoffschicht kann also aus einem mit Füllstoffen vorgefüllten Duroplast, vorzugsweise Epoxidharz, bestehen. Die Kunststoffschicht zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie die gleichen oder ähnlichen Eigenschaften wie der im Lagenaufbau der Leiterplatte verwendete Kunststoff hat. Eine dieser Eigenschaften ist, dass der Kunststoff auf metallischen Werkstoffen haftet, vorzugsweise auf Kupfer oder Aluminium. Eine weitere Eigenschaft ist eine gute Wärmeleitfähigkeit.
Der Kühlkörper kann insbesondere über eine extra Kühlstruktur verfügen, wie Kühlrippen und/oder Leitungen zum Hindurchleiten von Kühlmittel. Der Kühlkörper weist bezüglich seiner zum Bauteil gerichteten Oberfläche insbesondere eine größere Er- streckung auf, als das Bauteil oder das zugehörige Fenster in der Kunststoffschicht. Somit kann der Kühlkörper an dieser Oberfläche mit gleich mehreren elektrischen Bauteilen verlötet sein, die auf der Leiterplatte angeordnet sind und für die (insbesondere je) ein Fenster in der Kunststoffschicht vorgesehen ist.
Bevorzugt weist die Kunststoffschicht dieselbe Höhe auf wie das Bauteil zusammen mit der Material Schicht, die zum stoffschlüssigen Verbinden mit dem Kühlkörper dient, beispielsweise eine Lotschicht oder eine Sintermetallschicht. Somit kann der Kühlkörper plan sowohl auf der Kunststoffschicht anliegen, als auch mit der Oberseite des Bauteils stoffschlüssig verbunden sein. Somit kann auch Wärme aus der Kunststoffschicht abgeführt werden. Bevorzugt ist die zweite Seite des Bauteils (Oberseite), also die zum Kühlkörper gerichtete Seite, vollflächig mit dem Kühlkörper stoffschlüssig verbunden. Somit kann besonders gut Wärme von dem Bauteil abgeführt werden. Dazu ist diese zweite Seite bzw. Oberseite bevorzugt plan ausgeführt.
Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leiterplattenanordnung sieht vor, dass die Kunststoffschicht zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper unter Wärmezugabe in einem Herstellungsschritt verpresst und ausgehärtet wird und durch die Wärmezugabe Material zum stoffschlüssigen Verbinden, insbesondere Lot oder Sintermaterial, zwischen dem elektrischen Bauteil und dem Kühlkörper aufschmilzt, sodass das Bauteil mit dem Kühlkörper stoffschlüssig verbunden wird.
Das Verfahren zur Herstellung einer solchen Leiterplattenanordnung weist insbesondere zumindest die folgenden Schritte auf:
1 . Bereitstellen einer Leiterplatte mit zumindest einem auf einer Oberfläche der Leiterplatte angeordneten und mit der Leiterplatte kontaktierten elektrischen Bauteil,
2. Bereitstellen einer aushärtbaren Kunststoffschicht mit einem Fenster für das Bauteil, insbesondere auf die Oberfläche der Leiterplatte oder auf einer in der fertigen Leiterplattenanordnung zur Leiterplatte gerichteten Seite des Kühlkörpers,
3. Aufbringen von Material zum stoffschlüssigen Verbinden des Bauteils mit dem Kühlkörper, insbesondere auf eine in der fertigen Leiterplattenanordnung zum Kühlkörper gerichteten Seite des Bauteils oder auf eine in der fertigen Leiterplattenanordnung mit dem Bauteil korrespondierenden Stelle des Kühlkörpers,
4. Anordnen des Kühlkörpers auf das Bauteil, sodass die Kunststoffschicht und das Bauteil zusammen mit dem Material zum stoffschlüssigen Verbinden zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper angeordnet sind und sich das Bauteil innerhalb des Fensters befindet,
5. Verpressen und Aushärten der Kunststoffschicht zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper unter Wärmezugabe, sodass dabei das Material zum stoff- schlüssigen Verbinden aufschmilzt und das Bauteil mit dem Kühlkörper stoffschlüssig verbunden wird.
Demnach ist die Leiterplatte also vorbestückt mit dem elektrischen Bauteil. Es können, wie erläutert, auch mehrere entsprechende elektrische Bauteile vorgesehen sein.
Die zeitliche Reihenfolge der Schritte bei der Herstellung der Leiterplattenanordnung kann genau dieser angegebenen Reihenfolge (von oben nach unten bzw. von Schritt 1 nach 5) entsprechen. Die Reihenfolge der Schritte kann, sofern sinnvoll, jedoch auch vertauscht sein, beispielsweise Schritt 2 und 3. Einige Schritt können auch zeitlich parallel stattfinden, beispielsweise kann die Kunststoffschicht auf die Leiterplatte angeordnet werden (Schritt 2), wenn der Kühlkörper mit dem Material zum stoffschlüssigen Verbinden bestückt wird (Schritt 3).
Bevorzugt ist der Kühlkörper zum Verpressen der Kunststoffschicht lösbar auf einem Presswerkzeug angeordnet. Somit kann während des Schrittes 5 der Kühlköper fest an dem Presswerkzeug angeordnet sein. Nach dem Verpressen kann der Kühlkörper dann einfach von dem Presswerkzeug entfernt werden. Die Position des Kühlkörpers in der Leiterplattenanordnung kann somit sicher eingehalten werden.
Bevorzugt weist das Presswerkzeug eine Heizung zum Aufschmelzen des Materials zum stoffschlüssigen Verbinden auf. Zum Aufschmelzen dieses Materials bedarf es dann keines separaten Werkzeugs. Im unaufgeschmolzenen Zustand kann das Material zum stoffschlüssigen Verbinden insbesondere in Form von Paste, insbesondere Lotpaste, oder Pulver, insbesondere Sinterpulver, vorliegen.
Bevorzugt erfolgt der Schritt des Verpressens und Aushärtens (Schritt 5) unter Unterdruck bzw. Vakuum. Die Komponenten der Leiterplattenanordnung befinden sich also unter Unterdruck während des Schrittes 5. Somit kann Luft oder Prozessgas, beispielsweise durch das Aufschmelzen des Materials zum stoffschlüssigen Verbinden bzw. des Lots oder Sintermaterials, aus dem Fenster in der Kunststoffschicht und insbesondere zwischen dem Bauteil und dem Kühlkörper weitestgehend entfernt werden. Die stoffschlüssige Verbindung ist dadurch besonders arm an Lunkern oder anderer Einschlüsse und somit zuverlässig und gut wärmeleitend. Mit Unterdruck ist hierbei ein atmosphärischer Druck gemeint, der unterhalb eines atmosphärischen Umgebungsluftdruckes liegt. Damit Schritt 5 unter Unterdruck erfolgen kann, werden die entsprechenden Teile der Leiterplattenanordnung beispielsweise in einem
(Unter-)Druckbehältnis angeordnet, in dem der im Vergleich zu einem äußeren Umgebungsluftdruck reduzierte Druck (Unterdruck) für den Schritt 5 erzeugt und aufrecht erhalten wird.
Die Leiterplattenanordnung kann ein so genanntes Leistungsmodul bilden. Ein solches Leistungsmodul bildet eine eigene bauliche Einheit. Das Leistungsmodul kann eine elektrische Halbbrücke bilden. Ein als Halbbrücke ausgeführtes Leistungsmodul verfügt insbesondere über einen Phasenanschluss, der elektrisch zwischen einem als Highside-Schalter ausgeführten ersten elektrischen Bauteil und einem als Lowsi- de-Schalter ausgeführten zweiten elektrischen Bauteil angeordnet ist, sowie über zwei Gleichspannungsanschlüsse, sowie über Anschlüsse zur Ansteuerung des Highside- und Lowside-Schalters. Die Bauteile sind in der beschriebenen Art zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper in einem (gemeinsamen oder individuellen) Fenster der ausgehärteten Kunststoffschicht angeordnet und mit dem Kühlkörper jeweils verlötet.
Die eine oder mehrere der vorgeschlagenen Leiterplattenanordnungen bzw. ein oder mehrere der Leistungsmodule können einen Wechselrichter bilden. Ein solcher Wechselrichter kann auch als DC-AC-Wandler bezeichnet werden. Er ist dazu ausgeführt, einen Gleichstrom (DC = direct current) in einen (quasi) Wechselstrom (AC = alternating current) umzuwandeln. Umgekehrt kann er auch dazu ausgeführt sein, einen Wechselstrom in einen Gleichstrom umzuwandeln.
Ein vorgeschlagenes Kraftfahrzeugantriebsystem verfügt über eine E-Maschine als Traktionsantrieb, also zur Bereitstellung eines Antriebsdrehmoments, und es verfügt über einen solchen Wechselrichter zum Betreiben der E-Maschine. Somit versorgt der Wechselrichter die E-Maschine mit dem zum Betrieb der E-Maschine erforderlichen elektrischen Strom, insbesondere einem (quasi) Wechselstrom. Bei der E-Maschine kann es sich daher insbesondere um eine Drehfeldmaschine, wie beispielsweise eine Synchronmaschine oder Asynchronmaschine handeln.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur näher erläutert, aus welcher weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung entnehmbar sind. Die Figur zeigt eine Leiterplattenanordnung in schematischer Darstellung.
Die Leiterplattenanordnung weist eine Leiterplatte 1 auf, sowie ein in eine ausgehärtete Kunststoffschicht 2 eingebettetes elektrisches Bauteil 3. Außerdem weist die Leiterplattenanordnung einen Kühlkörper 4 auf, zur Kühlung des Bauteils 3. Wie dargestellt kann der Kühlköper über zumindest einen Kühlkanal 4A verfügen, durch welchen Kühlmittel zur Kühlung des Bauteils 3 bzw. der Leiterplatte 1 geleitet wird. Alternativ oder zusätzlich können Kühlrippen oder andere Kühl strukturen, beispielsweise so genannte Fin-Pins, an dem Kühlkörper 4 vorgesehen sein. Auf oder innerhalb der Leiterplatte 1 können noch weitere elektrische Bauteile 6 vorgesehen sein. Somit kann die Leiterplatte 1 beispielsweise auch beidseitig mit elektrischen Bauteilen 3, 6 bestückt und kontaktiert sein.
Das elektrische Bauteil 3 ist mit einer ersten flachen Seite 3A (Unterseite) auf einer zum Kühlkörper gerichteten Oberfläche der Leiterplatte 1 angeordnet, und es ist mit der Leiterplatte 1 elektrisch kontaktiert. Dazu kann die Leiterplatte 1 über Leiterbahnen verfügen, die auf deren Oberfläche und/oder innerhalb der Leiterplatte 1 verlaufen. Das Bauteil 3 befindet sich in einem Fenster 2A der ausgehärteten Kunststoffschicht 2. Das Fenster 2A bildet einen Durchbruch, also eine Durchgangsöffnung, in der Kunststoffschicht 2. Es kann beliebig geeignet hergestellt worden sein, beispielsweise ausgestanzt oder ausgeschnitten. Innerhalb des Fensters 2A kann, wie gezeigt, genau ein elektrisches Bauteil 3 angeordnet sein oder auch mehrere.
Das Bauteil 3 ist außerdem mit einer zur ersten Seite 3A gegenüberliegenden zweiten flachen Seite 3B (Oberseite) mit einer zur Leiterplatte gerichteten Oberfläche des Kühlkörpers 4 stoffschlüssig verbunden. Bevorzugt ist wird als stoffschlüssige Verbindung eine Lötverbindung gewählt. Eine Sinterverbindung ist jedoch ebenfalls einsetzbar. Zum Verlöten ist eine Lotschicht 5 zwischen dem Bauteil 3 und dem Kühl- körper 4 vorgesehen. Die Lotschicht 5 verbindet das Bauteil 3 mit dem Kühlkörper stoffschlüssig. Die Kunststoffschicht 2 ist zwischen dieser Oberfläche der Leiterplatte 1 und dieser Oberfläche der Kühlkörpers 4 verpresst und dabei ausgehärtet. Sie haftet daher am Kühlkörper 4 und an der Leiterplatte 1 beiderseits an und verbindet diese daher mechanisch.
Die Kunststoffschicht 2 weist dieselbe Höhe H auf, wie das Bauteil 3 zusammen mit der Lotschicht 5 zum Verlöten mit dem Kühlkörper 4. Somit liegen die Kunststoffschicht 2 und das Bauteil 3 über die Lötschicht 5 flächig und auf einer gemeinsamen Ebene an dem Kühlkörper 4 an. Die Lötschicht 5 verbindet das Bauteil 3 auf dessen Oberseite 3B also vollflächig mit dem Kühlkörper 4.
Die Leiterplattenanordnung gemäß der Figur wird insbesondere in einem Wechselrichter eingesetzt. Hierbei kann das elektrische Bauteil 3 ein Halbleiterschalter sein, beispielsweise ein Highside- oder Lowside-Schalter einer Brückenschaltung des Wechselrichters.
Bei einem bevorzugten Herstellungsverfahren zur Herstellung der in der Figur gezeigten Leiterplattenanordnung wird die Kunststoffschicht 2 zwischen der Leiterplatte 1 und dem Kühlkörper 4 unter Wärmezugabe verpresst und ausgehärtet. Dabei wird gleichzeitig durch die Wärmezugabe das vorher eingebrachte Lot 5 bzw. Lotpaste zwischen dem elektrischen Bauteil 3 und dem Kühlkörper 4 aufgeschmolzen, sodass das Bauteil 3 mit dem Kühlkörper 4 verlötet wird. Das Lot 5 überbrückt dabei gleichzeitig einen toleranzbedingten Spalt zwischen dem Bauteil 3 und dem Kühlkörper 4. Somit ist eine sehr gute Wärmeübertragung vom Bauteil 3 auf den Kühlkörper 4 möglich.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kühlkörper 4 vorab des Verpressens der Kunststoffschicht 2 lösbar auf ein Presswerkzeug angeordnet wird, das zum Pressen des Kühlkörpers 4 auf die Kunststoffschicht 2 bzw. die Leiterplatte 1 dient. Nach erfolgtem Verpressen und Aushärten wird diese Verbindung zwischen Kühlkörper 4 und Presswerkzeug gelöst und der Kühlkörper mit der Leiterplattenanordnung davon entfernt. Bevorzugt verfügt das Presswerkzeug auch gleich über eine Heizung, die zur Wärmezugabe während des Verpressens und somit gleichzeitig zum Aufschmelzen des Lots dient. Das Verpressen erfolgt insbesondere unter Unterdruck, damit Gase bzw. Luft aus dem Lot 5 und der Kunststoffschicht 2 entfernt werden.
Beispielhaft läuft das Herstellungsverfahren wie folgt ab:
Beim Aufbringen der Kunststoffschicht 2 auf die mit elektronischen Bauteilen 3 ein- oder doppelseitig bestückte Leiterplatte 1 wird der nicht ausgehärtete Kunststoff für die Kunststoffschicht 2 als Folie oder Platte auf die Leiterplatte 1 aufgelegt. Nun oder vorab werden Fenster 2A an den Stellen der zu kühlenden Bauteile 3 in den Kunststoff geschnitten. Im Bereich der Fenster 2A wird Lot 5 auf die zu kühlenden Bauteile 3 aufgebracht. Anschließend wird der Kühlkörper 4 auf die Kunststoffschicht 2 und das Lot 5 aufgelegt.
Nun wird mittels Unterdruck bzw. Vakuum die Luft zwischen der Leiterplatte 1 , den elektronischen Bauteil 3, der Kunststoffschicht 2 und dem Kühlkörper 4 entfernt. Gleichzeitig oder anschließend wird die Kunststoffschicht 2 mit dem Lot 5 auf die Leiterplatte 1 gepresst. Die Viskosität der Kunststoffschicht 2 wird dabei kleiner und der Kunststoff fließt in bestehende Zwischenräume der Leiterplatte 1 und der elektrischen Bauteile 3. In diesem Schritt wird das Presswerkzeug so lange nachgeführt, bis der relativ niedrig viskose Kunststoff soweit zur Seite verdrängt oder komprimiert wurde, dass der Abstand zwischen der Oberseite 3B der Bauteile 3 und dem Presswerkzeug bzw. dem darauf befindlichen Kühlkörper 4 minimal wird. Während dieses Schritts wird Wärme zugeführt, wodurch das Lot 5 aufschmilzt und die mit den Bauteilen 3 korrespondierenden Stellen / Fläche des Kühlkörpers 4 benetzt und diese thermisch miteinander verbindet. Ist der gewünschte Abstand erreicht, wird das Presswerkzeug in Position gehalten. Aufgrund der durch die Wärmzufuhr bewirkten Prozesstemperatur und des bestehenden Drucks härtet gleichzeitig der Kunststoff in der Kunststoffschicht 2 aus. Beim Aushärteprozess des Kunststoff materials sowie des Lots 5 entsteht eine stoffschlüssige, vollflächige und feste Verbindung zwischen Leiterplatte 1 und Kühler 4. Das vorgeschlagene Herstellungsverfahren und/oder die vorgeschlagene Leiterplattenanordnung bieten folgende Vorteile:
• Durch die resultierende minimale Schichtdicke des Lots 5 zwischen elektronischem Bauteil 3 und Kühler 4, kombiniert mit der hohen Wärmeleitfähigkeit des Lots 5, ergibt sich eine sehr gute Wärmeübertragung zwischen elektronischem Bauteil 3 und Kühler 4. Ferner ist die Leiterplatte 1 flächig über die Kunststoffschicht 2 mit dem Kühlkörper 4 verbunden und besitzt daher eine gute thermische Anbindung.
• Aufgrund der stoffschlüssigen, vollflächigen und festen Verbindung zwischen Leiterplatte 1 und Kühler 4 können mechanische Verbindungselemente teilweise oder ganz entfallen. Der benötigte Bauraum wird reduziert. Das Aufbringen von zusätzlichen TIMs zur elektrischen Isolierung von unter Spannung stehenden elektrischen Elementen bzw. Bauteile der Leiterplatte 1 entfällt. Montage- und Fertigungskosten werden eingespart.
• Durch die vollflächige Anbindung an den Kühler 4 reduziert sich auch die
Schwing-A/ibrationsbelastung der Leiterplatte 1 , denn durch sonst erforderliche Verbindungselemente entstehenden mechanischen Spannungsspitzen in der Leiterplatte 1 , die nun entfallen können. Somit wird auch eine höhere Zuverlässigkeit erreicht. Die vollflächige, kompakte und dichte Anbindung verhindert ferner das Eindringen von Verschmutzungen.
Die gezeigte Leiterplattenanordnung eignet sich daher besonders zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Wechselrichter eines elektrischen Kraftfahrzeugantriebsystems.
Bezuqszeichen
1 Leiterplatte
Kunststoffschicht
A Fenster
3 Elektrisches Bauteil
3A erste Seite
3B zweite Seite
Kühlkörper
4A Kühlkanal
5 Lotschicht, Lot
6 Elektrisches Bauteil
H Höhe

Claims

Patentansprüche
1 . Leiterplattenanordnung mit einer Leiterplatte (1 ) und einem in eine ausgehärtete Kunststoffschicht (2) eingebetteten elektrischen Bauteil (3) sowie mit einem Kühlkörper (4) zur Kühlung des Bauteils (3), dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (3) mit einer ersten Seite (3A) auf einer zum Kühlkörper (4) gerichteten Oberfläche der Leiterplatte (1 ) angeordnet ist und mit der Leiterplatte (1 ) elektrisch kontaktiert ist und sich in einem Fenster (2A) der ausgehärteten Kunststoffschicht (2) befindet, und
das Bauteil (3) mit einer zur ersten Seite (3A) gegenüberliegenden zweiten Seite (3B) mit einer zur Leiterplatte (1 ) gerichteten Oberfläche des Kühlkörpers (4) stoffschlüssig verbunden ist, insbesondere verlötet oder aufgesintert ist, und
die Kunststoffschicht (2) zwischen der Oberfläche der Leiterplatte (1 ) und der Oberfläche der Kühlkörpers (4) verpresst und ausgehärtet ist.
2. Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1 , wobei die Kunststoffschicht (2) dieselbe Höhe (H) aufweist wie das Bauteil (3) zusammen mit einer Lotschicht (5) oder Sinterschicht, die zum stoffschlüssigen Verbinden mit dem Kühlkörper (4) dient.
3. Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kunststoffschicht (2) durch ein Prepreg gebildet wird.
4. Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Seite des Bauteils (3) vollflächig mit dem Kühlkörper (4) stoffschlüssig verbunden ist.
5. Wechselrichter, insbesondere eines Kraftfahrzeugantriebsystems, gekennzeichnet durch eine Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
6. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kunststoffschicht (2) zwischen der Leiterplatte (1 ) und dem Kühlkörper (4) unter Wärmezugabe verpresst und ausgehärtet wird und durch die Wärmezugabe Material (5) zum stoffschlüssigen Verbinden, insbesondere Lot oder Sintermaterial, zwischen dem elektrischen Bauteil (3) und dem Kühlkörper (4) aufschmilzt, sodass das Bauteil (2) mit dem Kühlkörper (4) stoffschlüssig verbunden wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung gemäß Anspruch 6, aufweisend die Schritte:
1 . Bereitstellen einer Leiterplatte (1 ) mit zumindest einem auf einer Oberfläche der Leiterplatte (1 ) angeordneten und mit der Leiterplatte (1 ) kontaktierten elektrischen Bauteil (3),
2. Bereitstellen einer aushärtbaren Kunststoffschicht (2) mit einem Fenster (2A) für das Bauteil (3), insbesondere auf die Oberfläche der Leiterplatte
(1 ) oder auf einer in der fertigen Leiterplattenanordnung zur Leiterplatte (3) gerichteten Seite des Kühlkörpers (4),
3. Aufbringen von Material (5) zum stoffschlüssigen Verbinden des Bauteils
(3) mit dem Kühlkörper (4), insbesondere auf eine in der fertigen Leiterplattenanordnung zum Kühlkörper (4) gerichteten Seite (3B) des Bauteils (3) oder auf eine in der fertigen Leiterplattenanordnung mit dem Bauteil (3) korrespondierenden Stelle des Kühlkörpers (4),
4. Anordnen des Kühlkörpers (4) auf das Bauteil (3), sodass die Kunststoffschicht (2) und das Bauteil (3) zusammen mit dem Material (5) zum stoffschlüssigen Verbinden zwischen der Leiterplatte (1 ) und dem Kühlkörper
(4) angeordnet sind und sich das Bauteil (3) innerhalb des Fensters (2A) befindet,
5. Verpressen und Aushärten der Kunststoffschicht (2) zwischen der Leiterplatte (1 ) und dem Kühlkörper (4) unter Wärmezugabe, wobei das Material
(5) zum stoffschlüssigen Verbinden durch die Wärmezugabe aufschmilzt und das Bauteil (3) mit dem Kühlkörper (4) stoffschlüssig verbunden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Kühlkörper (4) zum Verpressen der Kunststoffschicht (2) lösbar auf einem Presswerkzeug angeordnet ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Presswerkzeug eine Heizung zur Wärmezugabe und zum Aufschmelzen des Materials (5) zum stoffschlüssigen Verbinden aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Schritt des Verpressens und Aushärtens unter Unterdruck erfolgt.
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