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Die
Erfindung betrifft ein Kupfer-Inlay für Leiterplatten gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen
in der Automobilindustrie.
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Stand der Technik
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In
der Entwicklung der Leiterplattentechnik spielen die ständig steigenden
Anforderungen der elektrischen Verbindungstechnik eine große Rolle. Die
Bestückungsdichte
elektrischer Bauelemente auf Leiterplatten nimmt immer mehr zu,
da immer komplexere Schaltungen auf immer kleinerem Raum unterzubringen
sind. Hierdurch und durch den Einsatz von Leistungsbauelementen,
die teilweise eine hohe Verlustleistung in Form von Wärme erzeugen,
werden auch zunehmende Anforderungen an ein besseres Wärmemanagement,
das heißt
die gezielte Abführung
der Verlustwärme
vom Entstehungsort und deren Abgabe an die Umgebung, gestellt.
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Mit
der Einführung
der Kupfer-Inlay-Technologie konnte die Wärmeabführung gegenüber dem Einsatz von Thermo-Vias
deutlich verbessert werden. Durch das Einfügen von massiven Kupferelementen,
den so genannten Kupfer-Inlays, in eine Leiterplatte kann die durch
die Verlustleistung entstehende Wärme von elektrischen Bauelementen
sicher abgeführt
werden. Der thermische Widerstand der Leiterplatte kann deutlich
reduziert werden. Kritische Temperaturanstiege können so vermieden und die Baugruppe
innerhalb der zulässigen
Temperaturgrenzen betrieben und gehalten werden. Hierdurch können die
Zuverlässigkeit
und die Lebensdauer von elektronischen Baugruppen deutlich gesteigert
werden. Solche Baugruppen sind auch für den Einsatz in der Hochfrequenztechnik
geeignet.
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Das
Kupfer-Inlay wird üblicherweise
in runder oder im Wesentlichen rechteckiger Geometrie und mit planarem
Umfang ausgestaltet. Es kann in voller Leiterplattendicke in die
Leiterplatte eingepresst werden und in seiner Dimensionierung an
die Leiterplattendicke angepasst sein. Das Kupfer-Inlay dient dabei
einerseits mit seiner gesamten Oberseitenfläche als Lötfläche für die Aufbringung von elektrischen
Bauelementen und andererseits als Hochleistungswärmeleitpfad durch die Leiterplatte.
Das Kupfer-Inlay kann dann an seiner Unterseite wiederum je nach
Anforderung mit dem Gehäuse
oder einem zusätzlichen
Kühlkörper mit
bekannten Wärmeleitklebern
oder Wärmeleitfolien
verbunden werden.
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Die
Wirkung eines solchen Kupfer-Inlays kann nochmals erhöht werden,
wenn die Innenseite der Einpresszone in der Leiterplatte zusätzlich metallisiert,
beispielsweise verkupfert oder vernickelt, ist. Hierbei kann die
Wärme zusätzlich an
der Leiterplattenoberfläche
und den Kupferinnenlagen einer Leiterplatte verteilt und schneller
abgeführt
werden.
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Das
Einpressen der Kupfer-Inlays erfolgt mechanisch. Beim Einpressen
in eine metallisierte Aussparung der Leiterplatte wird dabei eine
sichere elektrische Anbindung zu den Innenlagen hergestellt. Das
Inlay verankert sich mit seiner planaren Umfangsfläche beim
Einpressen in der metallisierten Aussparung der Leiterplatte. Dieser
Vorgang ist der bekannten Einpresstechnik von Steckern und Stiften vergleichbar.
Bei den Einpressstiften muss ein solcher in die metallisierte Aussparung,
die so genannte Durchkontaktierung, einer Leiterplatte gepresst
werden. Das wesentliche Merkmal ist dabei, dass der Stift im Querschnitt
eine größere Diagonale
aufweist als die Aussparung in der Leiterplatte. Durch das Einpressen
und Einschneiden der Stiftkanten in die Metallisierung der Einpresszone
entsteht eine gasdichte elektrische Kaltschweiss-Verbindung, die sich bei richtiger Ausführung durch
eine hohe Zuverlässigkeit und
Langlebigkeit auszeichnet.
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Die
beim Einpressen entstehende Überpressung
kann bei Stiften in massiver Ausführung durch die Verformung
der Aussparung in der Leiterplatte aufgenommen werden. Besonders
wichtig ist hierbei die Einhaltung enger Toleranzen beim Durchmesser der
Aussparung, damit zum einen ein sicherer Kontakt hergestellt wird,
zum anderen jedoch keine Aufweitung und damit eine eventuelle Zerstörung der Durchkontaktierungen
erfolgt.
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Bei
der Verwendung der Kupfer-Inlays in Leiterplatten müssen gegenüber der
Stifteinpresstechnik noch höhere
Anforderungen bei der Fertigung eingehalten werden. So werden Kupfer-Inlay
und die metallisierte Oberfläche
der Aussparung der Leiterplatte in der Einpresszone im Wesentlichen
vollständig
zur Anlage gebracht. Durch deren massiven Aufbau und die vollständige Einpassung
in die Aussparung müssen
noch exakter als bei den massiven Einpressstiften sehr enge Toleranzen
in der Fertigung der Leiterplatten für die Einpressverbindung eingehalten
werden. Dies erfordert demnach eine sehr genaue Größenabstimmung
von metallisierter Aussparung in der Leiterplatte und der Kupfer-Inlays.
Zum einen muss eine gasdichte Verbindung zwischen der Umfangsfläche und
der metallisierten Durchkontaktierung hergestellt werden, zum anderen
dürfen
die Ränder
der Aussparung in der Leiterplatte nicht zu stark beansprucht werden.
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Die
Toleranzgrenzen konnten bei den Einpressstiften durch den Einsatz
flexibler oder elastischer Stifte mit unterschiedlichsten Verformzonen deutlich
vergrößert werden.
Die Verformung kann hierbei, gegebenenfalls auch zusätzlich zur
Verformung der Durchkontaktierung, durch die Einpresszone des Stifts
aufgenommen werden. Hierdurch konnten die notwendigen Einpresskräfte zusätzlich deutlich
verringert werden. Eine vergleichbare Möglichkeit der Vergrößerung der
Toleranzgrenzen bei der Fertigung und der Verringerung der Einpresskräfte beim
Herstellungsprozess der Einpressverbindung ist bei den massiven
Kupfer-Inlays nicht gegeben.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Kupfer-Inlay zur Verfügung zu
stellen, das in der Fertigung der Einpressverbindung mit einer Leiterplatte vergrößerte Toleranzgrenzen
erlaubt und zur Herstellung der sicheren Einpressverbindung geringere
Einpresskräfte
benötigt.
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Dies
wird erfindungsgemäß mit einem
Kupfer-Inlay entsprechend des Patentanspruchs 1 erreicht.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
ein Kupfer-Inlay zum Einpressen in eine Aussparung in einer Leiterplatte
zur Verfügung
zu stellen, das an seiner Umfangsfläche ein Rillenprofil aufweist,
wobei die Rillen im Wesentlichen senkrecht ausgestaltet sind. Bei
gleichem maximalen äußeren Radius
des Inlays ist durch die Täler
im Rillenprofil flächenbezogen
ein geringerer Überstand
der Aussparung zu überwinden
als bei Kupfer-Inlays
mit planarem Umfang. Durch diese Maßnahme kann das Einpressen des
Kupfer-Inlays in die Aussparung in einer Leiterplatte mit deutlich
geringeren Einpresskräften
erfolgen als bei Kupfer-Inlays mit planarem Umfang. Das Rillenprofil
kann sich vorteilhafterweise zudem deutlich leichter und besser
in die dafür
vorgesehene Aussparung der Leiterplatte einschneiden und eine sichere
und langzeitstabile Einpressverbindung herstellen. Die Einpresskräfte können durch
das Rillenprofil in der Einpresszone besser verteilt werden. Vorteilhafterweise
können
die Abmessungen des Kupfer-Inlays und der Aussparung daher mit größeren Toleranzen
gefertigt werden. Die Toleranzen für die Aussparung in der Leiterplatte
können –0,061+0,1 mm
betragen. In dieser Ausführungsform
kann im Herstellungsprozess neben der Verankerung des Inlays durch
das Einpressen in die gefräste
oder gebohrte Aussparung noch eine zusätzliche weitere Fixierung zwischen
der Leiterbahnen und dem Inlay durch einen galvanischen Verkupferungsprozess
erfolgen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Aussparung
in der Leiterplatte zusätzlich
metallisiert. Auf die se Weise kann sich das erfindungsgemäße Kupfer-Inlay
in diese Metallisierung einschneiden. Es entsteht eine Kaltverschweisung zwischen
der Umfangsfläche
des Kupfer-Inlay mit dem Rillenprofil und der metallisierten Oberfläche der Aussparung
der Leiterplatten, die zu sehr geringen Übergangswiderständen, beispielsweise < 0,5 mOhm führen kann.
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Zusätzlich hat
die erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Kupfer-Inlays
mit dem Rillenprofil den Vorteil, dass im eingepressten Zustand
eine Relativbewegung zwischen der gegebenenfalls metallisierten
Aussparung in einer Leiterplatte und dem Kupfer-Inlay und eine möglicherweise
daraus folgende Lockerung des Presssitzes vermieden werden kann. Die
Einpressverbindung mit einem erfindungsgemäßen Kupfer-Inlay kann daher
eine verbesserte Stoß- und
Vibrationsfestigkeit aufweisen. Dies ist besonders für Anwendungen
in der Automobiltechnik vorteilhaft.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Kupfer-Inlay
zusätzlich
zum Rillenprofil an der Umfangsfläche ein oder mehrere Rastnasen
auf. Die Rastnasen können
in ihrem Scheitelpunkt über
den maximalen Umfang des Rillenprofils heraus ragen. Durch diese
Rastnasen kann der Presssitz des Kupfer-Inlays nochmals verbessert werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Kupfer-Inlay
zusätzlich
beispielsweise mit Sn oder SnPb überzogen
(verzinnt) sein. Die aufgebrachte Zinn- oder Zinnlegierungsschicht kann
eine Dicke in einem Bereich von 0,4 μm bis 2 μm aufweisen. Durch das Verzinnen
kann die Korrosionsbeständigkeit
erhöht
werden. Außerdem
wird das Auflöten
von elektrischen Bauelementen auf die Inlay-Oberfläche deutlich
erleichtert. Alternativ können
auch andere Schichten, beispielsweise eine Black/Brown-Oxidschicht
auf das Kupfer-Inlay aufgetragen werden, die ebenfalls die Korrosionsbeständigkeit
verbessert und darüber
hinaus eine Kontaktierung des Inlays beispielsweise mit Kupfer-Bonddrähten ermöglicht.
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Die
erfindungsgemäßen Kupfer-Inlays
können
für Serienanwendungen
durch bekannte Verfahren, insbesondere Stanzverfahren gefertigt
werden. Die Rillenform und Rillengröße kann dabei je nach Anwendung
variabel angepasst werden.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Leiterplatte mit mindestens einer
Aussparung, die mit einem erfindungsgemäßen Kupfer-Inlay durch eine Einpressverbindung
verbunden ist. Das Kupfer-Inlay kann dabei in jede Art durchkontaktierter
Leiterplatte, insbesondere in PCB – Leiterplatten und mehrschichtige
Leiterplatten, so genannten Multilager-Aufbauten, eingepresst sein.
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Die
Aussparung in der Leiterplatte kann in ihrer Form im Wesentlichen
auf die Geometrie des Kupfer-Inlays angepasst sein. Bevorzugt sind
hierbei runde und im Wesentlichen rechteckige Formen, wobei auch
andere Ausgestaltungen möglich
sind. Das durch Einpressen der Rillenberge verdrängte Material kann in den Rillentälern aufgenommen
werden, so dass eine vollständige
Anlage der Umfangsfläche des
Inlays erzielt werden kann.
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Die
Aussparung in der Leiterplatte kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung eine metallisierte Oberfläche aufweisen. Beim Einpressen kann
eine Kaltverschweißung
zwischen Kupfer-Inlay Umfangsfläche
mit dem Rillenprofil und der Leiterplatten-Durchkontaktierung entstehen,
die zu sehr geringen Übergangswiderständen, zum
Beispiel ≤ 0,5
mOhm führen
kann. Die Metallisierung kann beispielsweise aus Kupfer, Nickel,
Gold, Silber, Messing (CuZn), Zinn oder anderen leitfähigen Metallen
oder Legierungen bestehen. Zinn kann beispielsweise als chemische
Zinn-Oberfläche
oder durch Heißluftverzinnung
(HAL) aufgetragen werden. Die chemisch Zinn-Oberfläche wird erfindungsgemäß bevorzugt, da
diese besonders gut für
die Einpresstechnik geeignet ist. Die Metallisierung der Aussparung
kann beispielsweise eine Dicke in einem Be reich von 25 μm bis 50 μm, bevorzugt > 35 μm aufweisen
und kann zum Beispiel durch Galvanisierung erzeugt werden. Die Dicke
des Kupfer-Inlays kann zusätzlich an
die Dicke der Leiterplatte angepasst sein. Beim Einpressen in die
metallisierte Aussparung kann sich ein erfindungsgemäßes Kupfer-Inlay
mit dem Rillenprofil und gegebenenfalls zusätzlich mit den Rastnasen in
die Metallisierung einschneiden und eine sichere Verankerung und
Kaltverschweißung
in der Einpresszone bilden.
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Die
metallisierte Oberfläche
kann auch einen Schichtaufbau verschiedener Metallschichten aufweisen.
Ein solcher Schichtaufbau kann beispielsweise eine Kupferschicht
in einer Dicke von 15 μm bis
30 μm und
eine Zinn oder Blei/Zinnschicht in einer Dicke von 5 μm bis 25 μm umfassen.
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In
einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Umfangsoberfläche des
Kupfer-Inlays mit der metallisierten Oberfläche im Wesentlichen vollständig verbunden.
Vorteilhafterweise sind die Rillentiefe, das heißt die Radiusdifferenz gemessen
vom äußeren Scheitelpunkt
bis zum inneren unteren Scheitelpunkt des Rillenprofils, und die
Dicke der metallisierten Oberfläche
der Aussparung derart aufeinander abgestimmt, dass an jeder Stelle,
insbesondere an den äußeren Scheitelpunkten
des Rillenprofils, nach dem Einpressvorgang eine ausreichende Restdicke
der Metallisierung verbleibt. Besonders bevorzugt kann nach dem
Einpressvorgang eine Restdicke an metallisierter Oberfläche von
mindestens 8 μm
verbleiben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von zwei
Ausführungsvarianten in
Verbindung mit den Zeichnungen erläutert.
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In
dieser zeigt:
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1 eine
Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Kupfer-Inlay
mit runder Geometrie
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2 eine
Seitenansicht auf ein Kupfer-Inlay aus 1 mit zusätzlich daran
angeordneten Rastnasen.
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1 zeigt
ein Kupfer-Inlay 1 mit runder Geometrie und Rillen 2 an
der Umfangsfläche.
Hierdurch kann das Einpressen des Kupfer-Inlays 1 in eine
Aussparung in einer Leiterplatte mit deutlich geringeren Einpresskräften erfolgen.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass im eingepressten Zustand eine
Relativbewegung zwischen der gegebenenfalls metallisierten Aussparung
in einer Leiterplatte und dem Kupfer-Inlay 1 und eine möglicherweise
daraus folgende Lockerung des Presssitzes vermieden werden kann.
Die Einpressverbindung mit einem erfindungsgemäßen Kupfer-Inlay 1 kann
daher eine verbesserte Stoß-
und Vibrationsfestigkeit aufweisen.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausgestaltung
eines Kupfer-Inlays 1 in einer Seitenansicht mit Rillen 2 an
der Umfangsfläche
und zusätzlich zwei
daran angeordneten Rastnasen 3. Die Rastnasen 3 können in
ihrem Scheitelpunkt über
den maximalen Umfang des Rillenprofils 2 heraus ragen. Durch
diese Rastnasen kann der Presssitz des Kupfer-Inlays 1 nochmals
verbessert werden.
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Zusammenfassend
kann aufgrund des Rillenprofils der Umfangsfläche des Kupfer-Inlays demnach
eine verbesserte Einpressverbindung zu einer metallisierten Aussparung
in einer Leiterplatte gebildet werden. Zudem können Kupfer-Inlay und die Aussparung
in der Leiterplatte mit größeren Toleranzen hergestellt
werden, was eine einfache Herstellung der elektronischen Baugruppen
ermöglicht.
Gleichzeitig können
alle Vorteile der Kupfer-Inlay-Technologie genutzt werden.