DE102015217426A1

DE102015217426A1 - Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte

Info

Publication number: DE102015217426A1
Application number: DE102015217426.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Sperber; Wilfried Lassmann; Dirk Schramm
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2017-03-16
Also published as: US10375824B2; WO2017041984A1; JP6961578B2; CN108029189A; US20180263111A1; CN108029189B; JP2018526834A

Abstract

Eine Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte umfasst eine Hochstrom führende Stromleitungsschicht (4) und eine Schaltschicht (3), an die mindestens eine Wärmequelle (15, 21) angeschlossen ist, wobei Hochstrom führende Potentiale in die Schaltschicht (3) geführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte. Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2014 207 596.3 ist eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte zu verbessern und insbesondere eine verbesserte Wärmeabfuhr zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Die mehrfunktionale Hochstromleiterplatte umfasst eine hochstromführende Stromleitungsschicht und eine Schaltschicht, an die mindestens eine Wärmequelle angeschlossen ist. Wesentlich ist, das hochstromführende Potenzial in die Schaltschicht geführt sind. Dadurch ist eine thermisch niederimpedante Anbindung an die mindestens eine Wärmequelle gewährleistet. Ein Wärmefluss von der mindestens einen Wärmequelle in die mehrfunktionale Hochstromleiterplatte ist möglich. Ein optimierter, insbesondere verzweigter und effektiver, Wärmeabfluss von der mindestens einen Wärmequelle ist gewährleistet. Gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten Hochstromleiterplatte, bei der hochstromführende Potenziale in der Schaltschicht nicht geführt sind und für deren Anbindung deshalb Lagenverbinder und/oder Mikro-Durchkontaktierungen zur Stromleitungsschicht erforderlich sind, ist ein optimierter Wärmefluss innerhalb der Hochstromleiterplatte gewährleistet. Die hochstromführenden Signale müssen bei der Hochstromleiterplatte gemäß dem Stand der Technik Lagenverbinder und/oder die Mikro-Durchkontaktierungen passieren, wodurch zusätzliche thermische Widerstände erzeugt zusätzliche, unerwünschte Wärmequellen während des Betriebs, insbesondere von Leistungsschaltern, verursacht werden. Die erfindungsgemäße Hochstromleiterplatte ermöglicht ein optimiertes Wärmeabfuhrkonzept. Die mehrfunktionale Hochstromleiterplatte kann zerstörungsfrei betrieben werden. Die Lebensdauer der Hochstromleiterplatte ist erhöht. Insbesondere kann die Hochstromleiterplatte in Bauräumen mit eingeschränkter aktiver Kühlmöglichkeit betrieben werden. Hochtemperaturanwendungen, die beispielsweise in einem Getrieben vorherrschen, sind möglich. Die mehrfunktionale Hochstromleiterplatte ist thermisch robust. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Hochstromleiterplatte ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte, bei der zwei der mindestens einen Wärmequelle benachbart, insbesondere nächstliegend, angeordnete Schaltschichtlagen der Schaltschicht mit den hochstromführenden Potenzialen belegt sind. Damit kann die thermische Impedanz der Schaltschichtlagen zusätzlich reduziert werden. Die Schaltschichtlagen sind als Kupferlagen ausgeführt.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte, bei der die zwei nächstliegenden Schaltschichtlagen miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung insbesondere durch mindestens eine Mikro-Durchkontaktierung ausgeführt ist. Durch die zwei verbundenen Schaltschichtlagen kann ein erhöhter Kupferquerschnitt zur Wärmeabfuhr bereitgestellt werden.
Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte, bei der die mindestens eine Wärmequelle einen Elektrolytkondensator und/oder einen Leistungsschalter aufweist. Elektrolytkondensatoren und Leistungsschalter sind wesentliche Komponenten einer mehrfunktionalen Hochstromleiterplatte. Diese Komponenten werden vielfach an Hochstromleiterplatten genutzt. Dadurch, dass diese Komponenten als Wärmequelle für die mehrfunktionale Hochstromleiterplatte berücksichtigt sind, ermöglicht die Hochstromleiterplatte ein breites Anwendungsspektrum.
Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte mit einem passiven Kühlelement. Das passive Kühlelement ist insbesondere als Wärmeableitungsschicht ausgeführt. Ein passives Kühlelement im Sinne der vorliegenden Erfindung betrifft eine Kühlung ohne externen Energieaufwand, insbesondere durch Wärmeleitung über ein Wärmeleitmedium an den Kühler.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte, bei der das passive Kühlelement zumindest abschnittsweise mittels Wärmeleitmedium an die Hochstromleiterplatte angebunden ist. Das passive Kühlelement bildet also abschnittsweise eine Übergangsfläche zur Hochstromleiterplatte. Dadurch ist die Wärmeleitung von der Hochstromleiterplatte über das Wärmeleitmedium an das Kühlelement begünstigt. Das passive Kühlelement ist effektiv eingesetzt.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte, bei der das passive Kühlelement unmittelbar mit der mindestens einen Wärmequelle und/oder mit den zwei Schaltschichtlagen, insbesondere mittelbar, über ein thermisches Verbindungselement verbunden ist. Ein Wärmefluss von der mindestens einen Wärmequelle und/oder von den zwei Schaltschichtlagen in das passive Kühlelement ist verbessert. Die Wärmeabfuhr über das passive Kühlelement durch Wärmeleitung ist gewährleistet.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte, bei der das thermische Verbindungselement eine Vergussmasse und/oder ein Wärmeleitmedium ist. Dadurch ist der Wärmefluss von der mindestens einen Wärmequelle in das passive Kühlelement verbessert.
Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte mit einem aktiven Kühlelement. Ein aktives Kühlelement im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein angetriebenes Kühlelement, das externe Energie zum Betrieb der Kühlung nutzt. Das aktive Kühlelement ist insbesondere benachbart zu der mindestens einen Wärmequelle angeordnet. Die Wärmeabfuhr ist dadurch verbessert.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte, bei der das aktive Kühlelement als Kühlwasserpumpe ausgeführt ist. Dadurch ist eine vorteilhafte Integration des aktiven Kühlelements in die Hochstromleiterplatte vereinfacht.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte, bei der das aktive Kühlelement über ein thermisches Verbindungselement und/oder über ein passives Kühlelement mit der mindestens einen Wärmequelle verbunden ist. Insbesondere die Kombination von passivem Kühlelement mit aktivem Kühlelement ermöglicht eine besonders effektive Wärmeabfuhr.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß der Erfindung,
2 einen 1 entsprechenden vergrößerten Detailausschnitt einer mehrfunktionalen Hochstromleiterplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform und
3 eine schematische Darstellung des Wärmeflusses für die Hochstromleiterplatte gemäß 2.
Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch Einzelheiten der im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiele können für sich genommen eine Erfindung darstellen oder Teil eines Erfindungsgegenstands sein.
Eine in 1 gezeigte mehrfunktionale Hochstromleiterplatte 1 ist im Wesentlichen ein flächiges Bauteil. Flächig bedeutet, dass eine Längenausdehnung und eine Breitenausdehnung jeweils deutlich größer sind als eine Dickenausdehnung. Insbesondere sind die Längen- und Breitenausdehnung der Hochstromleiterplatte 1 mindestens um den Faktor 5, insbesondere mindestens um den Faktor 10, insbesondere mindestens um den Faktor 20 und insbesondere mindestens um den Faktor 50 größer als die Dickenausdehnung. Die Dickenausdehnung der Hochstromleiterplatte 1 ist in 1 durch den Doppelpfeil 2 symbolisiert.
Entlang der Dickenrichtung 2 weist die Hochstromleiterplatte 1 eine Schaltschicht 3, eine Stromleitungsschicht 4 und eine Ansteuerschicht 5 auf. Die Schaltschicht 3, die Stromleitungsschicht 4 und die Ansteuerschicht 5 gewährleisten die Multifunktionalität der Hochstromleiterplatte. Insbesondere ermöglicht jede der Schichten 3, 4, 5 mindestens eine Grundfunktion der Hochstromleiterplatte 1, nämlich Schalten, Stromleiten bzw. Ansteuern.
Die Ansteuerschicht 5 weist zwei Ansteuerlagen 6 auf. Zwischen den Ansteuerlagen 6 ist eine Isolationslage 7 angeordnet. Die Isolationslage 7 verhindert den unmittelbaren Stromfluss zwischen den benachbarten Ansteuerlagen 6. Die Isolationslage 7 ist insbesondere als Kunststoffstruktur zwischen den beiden Ansteuerlagen 6 ausgeführt. Durch die Isolationslage 7 sind die Ansteuerlagen 6 in Dickenausdehnung 2 elektrisch voneinander getrennt.
An der der Stromleitungsschicht 4 abgewandten Ansteuerlage 6 ist mindestens ein Ansteuerbauteil 8 kontaktiert. Die Ansteuerlagen 6 sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Die Ansteuerlagen 6 sind beispielsweise mittels nicht dargestellter, kupfergefüllter Mikro-Durchkontaktierungen miteinander verbunden. Das Ansteuerbauteil 8 ist insbesondere an einer freien Oberfläche der Hochstromleiterplatte 1 angeordnet. Das Ansteuerbauteil 8 ist unmittelbar und deshalb unkompliziert an der äußeren Ansteuerlage 6 der Ansteuerschicht 5 kontaktierbar. Die Ansteuerung der Hochstromleiterplatte 1 ist vereinfacht.
Die Stromleitungsschicht 4 weist eine hochstromführende Struktur 9 auf. Die hochstromführende Struktur 9 weist insbesondere mehrere, nicht einzeln dargestellte Stromleitungslagen auf. Wesentlich ist, dass mindestens zwei Stromleitungslagen vorgesehen sind. Vorteilhaft ist es, wenn eine geradzahlige Anzahl von Stromleitungslagen vorgesehen ist. Die Stromleitungslagen dienen zum Zu- und Abführen von Strom aus und zu einer Spannungsquelle. Die Stromleitungslagen sind insbesondere als Kupferlagen und insbesondere als Dickkupferlagen ausgeführt. Die Stromleitungsschicht 4 wird auch als Dickkupferschicht oder Dickkupferbereich bezeichnet. Zwischen zwei benachbarten Stromleitungslagen kann eine Isolationslage 7 angeordnet sein. Die hochstromführende Struktur 9 ist mittels einer ersten Abschirmlage 10 gegenüber der Ansteuerschicht 5 elektromagnetisch abgeschirmt. Die hochstromführende Struktur 9 ist mittels einer zweiten Abschirmlage 11 gegenüber der Schaltschicht 3 elektromagnetisch abgeschirmt.
Die Schaltschicht 3 weist zwei Schaltschichtlagen 12 auf. Die Schaltschichtlagen 12 sind durch eine Isolationslage 7 elektrisch voneinander getrennt. Die Schaltschichtlagen 12 sind durch mehrere Mikro-Durchkontaktierungen 13 miteinander verbunden. Die Mikro-Durchkontaktierungen 13 sind kupfergefüllt. Die durch die Mikro-Kontaktierungen 13 miteinander verbundenen Schaltschichtlagen 12 bilden eine Wärmeabfuhrschicht mit erhöhtem Kupferquerschnitt. Die Wärmeleitung in den miteinander verbundenen Schaltschichtlagen 12 ist verbessert. Die Schaltschichtlagen 12 sind mittels mehrerer Durchführungen 14 unmittelbar an die hochstromführende Struktur 9 der Stromleitungsschicht 4 angebunden. An die miteinander verbundenen Schaltschichtlagen 12 ist eine Wärmequelle in Form eines Leistungsschalters 15 angeschlossen. Der Leistungsschalter 15 ist als High-Side-(HS-)Switch ausgeführt. Alternativ kann der Leistungsschalter 15 als Low-Side-(LS-)Switch ausgeführt sein. Der Leistungsschalter 15 verbindet die hochstromführenden Potenziale der Schaltschichtlagen 12 in der Schaltschicht 4 mit der Kontaktierung zu einer nicht dargestellten Hochstrombatterie, insbesondere DC+.
Dadurch, dass die zwei nächstliegenden Schaltschichtlagen 12 mit hochstromtragenden Potenzialen belegbar sind und die Schaltschichtlagen 12 durch die Mikro-Durchkontaktierungen 13 miteinander verbunden ist, ist ein vergrößerter Kupferquerschnitt zur Wärmeabfuhr bereitgestellt. Die Wärmeabfuhr ist verbessert.
Nachfolgend wird eine weitere Ausführungsform einer Hochstromleiterplatte 16 erläutert. Die Schaltschicht 17 der Hochstromleiterplatte 16 ist in 2 dargestellt. Aus darstellerischen Gründen ist die übrige Struktur, insbesondere die Stromleitungsschicht 4 und die Ansteuerschicht 5, nicht dargestellt. Die Stromleitungsschicht 4 und die Ansteuerschicht 5 sind entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt. Anders als bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind die Anbindungen an die Hochstrombatterie in der Schaltschicht 17 alternierend angeordnet. Die Verbindungen zur Hochstrombatterie DC+ 18 und DC– 19 sind in 2 symbolisch dargestellt.
Ein weiterer Unterschied gegenüber der ersten Ausführungsform ist ein passives Kühlelement 20, das als Wärmeableitungsschicht ausgeführt ist. Die Wärmeableitungsschicht 20 ist mittels Wärmeleitmedium an die Hochstromleiterplatte 16 angebunden und begünstigt Wärmeleitung.
Zusätzlich zu dem Leistungsschalter 15 ist bei der Hochstromleiterplatte 16 ein Elektrolytkondensator 21 als zusätzliche Wärmequelle vorgesehen. Der Elektrolytkondensator 21 ist unmittelbar an die Verbindungsanschlüsse 18, 19 angeschlossen. Über eine Vergussmasse 22 ist der Elektrolytkondensator 21 an das passive Kühlelement 20 angebunden. Die Vergussmasse 22 wirkt als thermisches Verbindungselement. Ein weiteres thermisches Verbindungselement ist ein Wärmeleitmedium 23, das insbesondere zwischen den Hochstrombatterie-Verbindungen 18, 19 und dem passiven Kühlelement 20, zwischen den Schaltschichtlagen 12 und dem passiven Kühlelement 20 sowie zwischen dem Leistungsschalter 15 und dem passiven Kühlelement 20 angeordnet ist. Die Vergussmasse 22 und das Wärmeleitmedium 23 sind thermische Verbindungselemente.
Benachbart zu dem Leistungsschalter 15 und/oder zu dem Elektrolytkondensator 21 ist ein aktives Kühlelement 24 angeordnet. Das aktive Kühlelement 24 ist beispielsweise als Kühlwasserpumpe ausgeführt. Das aktive Kühlelement 24 ist über das passive Kühlelement 20 an dem Elektrolytkondensator 21 und/oder dem Leistungsschalter 15 angebunden.
Der Leistungsschalter 15 und der Elektrolytkondensator 21 sind Wärmequellen.
Nachfolgend wird anhand von 3 ein während des Betriebs der Hochstromleiterplatte 16 stattfindender Wärmefluss erläutert. Beim Betrieb der Hochstromleiterplatte 16 erzeugen die Wärmequellen, also der Elektrolytkondensator 21 und der Leistungsschalter 15, Wärme. Ein Abfluss der Wärme erfolgt entlang der in 3 symbolisch dargestellten Wärmeflussrichtung 25. Eine wesentliche Wärmeflussrichtung 25 ist von den Wärmequellen 15, 21 zu dem aktiven Kühlelement 24 hin gerichtet. Die Wärmequellen 15, 21 werden insbesondere zweiseitig gekühlt. Dadurch ist gewährleistet, dass unzulässig hohe Temperaturen an dem Leistungsschalter 15 und/oder dem Elektrolytkondensator 21 auftreten. Die zweiseitige Kühlung wird dadurch ermöglicht, dass Wärme horizontal durch die optimierte Kupferstruktur in der Schaltschicht 17 entlang der Schaltschichtlagen 12 abgeleitet werden kann. Ein zweiter zusätzlicher Wärmefluss ist über das passive Kühlelement 20 und das aktive Kühlelement 24 und insbesondere das dazwischen angeordnete Wärmeleitmedium 23 bzw. die Vergussmasse 22 gewährleistet.
Die Hochstromleiterplatte weist ein optimiertes Wärmeleitsystem auf. Die Wärmeableitstruktur ist einerseits durch die integrale Ausführung der hochstromführenden Potenziale in der Schaltschicht 17 und durch die optimierte Anbindung von Kühlelementen 20, 24 geschaffen. Die Hochstromleiterplatte ist für Hochtemperaturanwendungen und/oder für Anwendungen einer Leiterplatte bei eingeschränkter aktiver Kühlung möglich.
Bezugszeichenliste

1: Hochstromleiterplatte
2: Dickenausdehnung
3: Schaltschicht
4: Stromleitungsschicht
5: Ansteuerschicht
6: Ansteuerlage
7: Isolationslage
8: Ansteuerbauteil
9: hochstromführende Struktur
10: erste Abschirmlage
11: zweite Abschirmlage
12: Schaltschichtlage
13: Mikro-Durchkontaktierung
14: Durchführung
15: Leistungsschalter
16: Hochstromleiterplatte
17: Schaltschicht
18: DC+
19: DC–
20: passives Kühlelement
21: Elektrolytkondensator
22: Vergussmasse
23: Wärmeleitmedium
24: aktives Kühlelement
25: Wärmefluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014207596 [0001]

Claims

Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte umfassend a. eine Hochstrom führende Stromleitungsschicht (4), b. eine Schaltschicht (3), an die mindestens eine Wärmequelle (15, 21) angeschlossen ist, wobei Hochstrom führende Potentiale in die Schaltschicht (3) geführt sind.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der mindestens einen Wärmequelle (15, 21) benachbart, insbesondere nächstliegend, angeordnete Schaltschichtlagen (12) der Schaltschicht (3) mit den Hochstrom führenden Potentialen belegt sind.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Schaltschichtlagen (12), insbesondere durch mindestens eine Mikro-Durchkontaktierung (13), miteinander verbunden sind.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmequelle einen Elektrolytkondensator (21) und/oder einen Leistungsschalter (15) aufweist.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein passives Kühlelement (20), das insbesondere als Wärmeableitungsschicht ausgeführt ist.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Kühlelement (20) zumindest abschnittsweise mittels Wärmeleitmedium an die Hochstromleiterplatte (1; 16) angebunden ist.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Kühlelement (20) unmittelbar mit der mindestens einen Wärmequelle (15, 21) und/oder mit den zwei Schaltschichtlagen (12), insbesondere mittelbar, über ein thermisches Verbindungselement verbunden sind.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Verbindungselement eine Vergussmasse (22) und/oder ein Wärmeleitmedium (23) ist.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein aktives Kühlelement (24), das insbesondere benachbart zu der mindestens einen Wärmequelle (15, 21) angeordnet ist.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Kühlelement (24) als Ventilator oder als Kühlwasserpumpe ausgeführt ist.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Kühlelement (24) über ein thermisches Verbindungselement und/oder über ein passives Kühlelement (20) mit der mindestens einen Wärmequelle (15, 21) verbunden ist