DE102018109920A1

DE102018109920A1 - Kühlung von leistungselektronischen Schaltungen

Info

Publication number: DE102018109920A1
Application number: DE102018109920.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Eduard Specht
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2019-10-31
Also published as: CN110402061B; KR102254469B1; US10980103B2; US20190335577A1; CN110402061A; KR20190124146A

Abstract

Verfahren zur Kühlung von leistungselektronischen Schaltungen, bei dem eine Platine (102) nach einem vorgegebenen Leiterplattenprozess hergestellt und mit mindestens einem leistungselektronischen Bauelement (110) bestückt wird, wobei mindestens eine Stelle auf mindestens einer auf einer Oberfläche der Platine (102) verlaufenden metallischen Leiterbahn (120) mit mindestens einem Metallelement (104), welches sowohl elektrisch leitend als auch wärmeleitend ist und dessen Bauhöhe mindestens so groß wie die des mindestens einen leistungselektronischen Bauelements (110) gestaltet wird, kontaktiert wird, und wobei auf das mindestens eine leistungselektronische Bauelement (110) und/oder das mindestens eine Metallelement (104) eine Kühlplatte (116) plan aufgesetzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von leistungselektronischen Schaltungen, bei dem mindestens eine Leiterbahn auf einer Platine hinsichtlich Möglichkeiten zur Wärmeabführung gestaltet wird. Ferner wird eine derart gestaltete Platine beansprucht.
Konventionelle Leistungselektroniken werden zumeist mit diskreten elektrischen Bauelementen, bspw. Thyristoren und IGBTs, vom Fachmann abgekürzt für „Isolated gate bi-polar transistors“, mit Schraubanschlüssen und Stromschienen implementiert. Hingegen erlauben neueste Leistungstransistoren eine Integration von Hochleistungsschaltungen in typische Schaltungsplatinen. Derartige Schaltungsplatinen, vom Fachmann mit „printed circuit board“ oder PCB bezeichnet, sind allerdings mit typischen Metalldicken von 35 µm nicht in der Lage, hohe Ströme zu leiten oder deren Abwärme zu absorbieren.
Moderne modulare Leistungselektroniken, wie bspw. der in der US-amerikanischen Druckschrift US 9,496,799 B2 beschriebene modulare Multilevelkonverter, zerlegen hohe Leistungen in kleinere, von den von ihnen umfassten Niederspannungshalbleitern schaltbare Anteile. Es ist jedoch vonnöten, diese hohen Leistungen und Ströme auf Platinen mit den besagten modernen Leistungselektroniken zu leiten.
Ferner benötigen moderne, schnell schaltende Leistungshalbleiter sehr kompakte Schaltungsimplementierungen, um ihre Geschwindigkeit einsetzen zu können. Hintergrund sind vor allem die hohen parasitären Induktivitäten, die sich bei einem räumlich großen Schaltungsaufbau ergeben. Eine in den parasitären Induktivitäten gespeicherte magnetische Energie kann sich ungewollt in Schaltvorgängen entladen und ungewollte Schaltüberspannungen erzeugen, die Bauelemente schädigen oder zerstören. Platinen aus dem Stand der Technik beinhalten jedoch mehrere Lagen dickeres Kupfer, wodurch große Platinendicken erreicht werden. Bauelemente, die gewöhnlich auf der obersten und untersten Lage angeschlossen sind, haben so einen großen Abstand voneinander, wodurch sich die von dem Strom aufgespannte Fläche und damit die parasitären Induktivitäten enorm vergrößern.
Die Druckschrift US 5,214,309 erörtert eine Leiterplatte mit einem dicken Metallstück zum Ableiten der Wärme von einem Leistungstransistor.
Während gewöhnliche Leiterplatten in der Regel mit einer gewissen Anzahl von Kupferlagen mit etwa 35 µm bis 70 µm Dicke gefertigt werden, kennt der Stand der Technik inzwischen Möglichkeiten, mit sehr ähnlichem Herstellungsverfahren Platinen mit einigen Lagen von 400 µm und mehr zu fertigen. Wie bei Standardplatinen wird die Kupferlage vollflächig elektrolytisch (galvanisch) abgeschieden oder als Metallfolie auflaminiert, anschließend mit einem Photolack (positiv oder negativ) beschichtet, dieser mit dem entsprechenden Muster positiv oder negativ belichtet, entwickelt und anschließend partiell abgetragen, um abschließend die nicht mehr von Photolack bedeckten Flächen nasschemisch zu ätzen. Die Ätzung von Kupfer ist jedoch weitgehend isotrop unidirektional und ätzt daher auch von der Seite in die vom Photolack noch bedeckten Kupferbereiche. Daher nimmt die Auflösung der möglichen Strukturen mit der Schichtdicke ab. Ansonsten lassen sich nahezu alle etablierten Methoden in der Herstellung einsetzen, um beispielsweise unterschiedliche Lagen der Leiterplatten durch Durchkontaktierungen, den sog. Vias, lokal zu verbinden. Hochstrompfade auf der Platine werden im Stand der Technik bspw. mit vertikal angeordneten Stromschienen gebildet. Diese Stromschienen sind meist in Durchsteckmontage ausgeführt, wobei Oberflächenmontage, sog. surface mounted device bzw. SMD, ebenfalls denkbar ist.
Da das Ätzen von Dickkupfer zumeist auf Schichtdicken deutlich unter einem Millimeter begrenzt ist, werden für höhere Dicken von wenigen Millimetern oft sogenannte Inlays erzeugt. Inlays werden auf Kupfer gemäß der benötigten Form zugeschnitten und anschließend in einer Leiterplatte eingebettet. Das Inlay wird in der Regel in eine Innenlage der Leiterplatte eingesetzt. Die Leerräume, die auf der Ebene der eingesetzten massiven Kupferelemente entstehen, müssen mit Material, in der Regel preimpregnated fibers, verfüllt werden.
Im Stand der Technik werden Leiterplatten für SMD-Halbleiter an der Oberfläche lediglich mit einer Inlay-Ebene und gegebenenfalls einigen darüber- oder darunterliegenden gewöhnlich geätzten Platinenlagen angeboten, jedoch können dabei keine überlappenden Strompfade realisiert werden. Denkbar ist hier eine Einbettung mehrerer Inlay-Lagen, allerdings besteht das Problem, dass mit den Standardverfahren keine preisgünstige leitfähige Verbindung bzw. Durchkontaktierung von der Oberfläche zu allen gestapelten Inlay-Lagen möglich ist. Die jeweils ferneren Lagen wären nur schwer und kostenintensiv für hohe Ströme und/oder eine Wärmeabfuhr anzubinden.
Viele moderne elektronische Bauelemente, beispielsweise Transistoren, sind so ausgelegt, dass sie ihre Wärme über die elektrischen Kontakte in die Leiterbahnen abgeben können. Bei der Inlay-Technik entsteht das Problem, dass die Wärme zwar sehr gut in das dicke Kupfer des Inlays abgegeben werden kann. Allerdings steckt eine Wärmeenergie anschließend im Inneren der im Allgemeinen thermisch isolierenden Platine, welche bspw. aus Glasfaserverbundmaterial besteht. Diese Wärme muss anschließend aufwändig aus dem Inlay abgeführt werden.
Zu einer Wärmeabführung beschreibt die US-amerikanische Druckschrift US 2001/0038310 A1 einen Kühlkörper, der mit der Leiter- und Bodenplatte eines Leistungstransistormoduls verbunden ist. Jedoch besteht das Problem, dass zwar viele Leistungsbauelemente für erhöhte Temperaturen zugelassen sind, allerdings liegen auf der Platine i. d. R. ebenfalls gewöhnliche ICs und Standardbauteile wie Widerstände, die bsw. 85 °C nicht übersteigen dürfen. Diese befinden sich aber zumeist auf einem Kühlpfad und näher zu einer Wärmequelle als zu einer Kühlung. Somit heizen sich diese Bauteile höher auf, als wenn die Kühlung direkt an der Wärmequelle lokalisiert wäre. Technisch erfordert dies meist eine höhere Dimensionierung der Kühlung.
In der Druckschrift US 2012/0236500 A1 wird eine Leiterplatte mit Leistungskomponenten offenbart, welche von einer mit Kühlflüssigkeit durchströmten Leitung durch ein elektrisch isolierendes harz-artiges Material getrennt ist.
Beachtet werden muss bei einer Platine mit Inlays, dass die Dicke der Platine enorm ansteigt, da Leiter und Bauelemente aufeinander gestapelt werden müssen und pro Inlay-Lage keine Überkreuzungen vorkommen können.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches für leistungselektronische Schaltungen auf einer Platine, und insbesondere deren Leiterbahnen, eine Wärmeabführung gestaltet bzw. ermöglicht. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechend gestaltete Platine bereitzustellen.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Kühlung von leistungselektronischen Schaltungen beansprucht, bei dem eine Platine nach einem vorgegebenen Leiterplattenprozess hergestellt und mit mindestens einem leistungselektronischen Bauelement bestückt wird, wobei mindestens eine Stelle auf mindestens einer auf einer Oberfläche der Platine verlaufenden metallischen Leiterbahn mit mindestens einem Metallelement, welches sowohl elektrisch leitend als auch wärmeleitend ist und dessen Bauhöhe mindestens so groß wie die des mindestens einen leistungselektronischen Bauelements gestaltet wird, kontaktiert wird, und wobei auf das mindestens eine leistungselektronische Bauelement und/oder das mindestens eine Metallelement eine Kühlplatte im Wesentlichen plan, d.h. ohne merkbare Neigung oder merkbare Erhebungen, Vertiefungen oder Krümmungen aufgesetzt wird.
Durch das an ausgewählten Stellen auf der Leiterbahn kontaktierte Metallelement werden lokal eine hohe Stromleitfähigkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität bereitgestellt, wobei ein Stromtransport vorzugsweise senkrecht zu einer Richtung des Wärmetransports stattfindet. Dies steht im Gegensatz zu bisherigen Implementierungen von direkt auf der Platine aufgesetzten Kühlkörpern, die keinen Strom leiten und lediglich der Wärmeabfuhr dienen.
Durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einer Ebene, insbesondere an der Oberfläche, eine Hochstromleitung und leistungselektronische Bauelemente kombiniert, wobei sich die jeweiligen Bauhöhen nicht aufaddieren. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die Platine in einem aus dem Stand der Technik bekannten Leiterplattenprozess hergestellt werden kann. Auch für eine Bestückung der Platine mit dem mindestens einen Metallelement und dem mindestens einen leistungselektronischen Bauelement stellt der Stand der Technik bekannte Verfahren zur Verfügung.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Schichtdicke für die Leiterbahnen im Leiterplattenprozess aus folgender Liste gewählt: 18 µm, 35 µm, 70 µm, 105 µm, 210 µm, 360 µm. Die voranstehende Liste soll dabei nicht andere Schichtdicken ausschließen, sondern dient lediglich als Nennung für in einer Fertigung gemäß dem Stand der Technik üblichen Schichtdicken. Bspw. kann eine Herstellung der jeweiligen Schichtdicken in einem photochemisch strukturierten, nasschemischen Ätzverfahren erfolgen, wobei dünnere Schichtdicken entsprechend höhere Auflösungen für kleine Strukturen bei ICs bzw. integrierten Schaltkreisen zulassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also einerseits durch die Anwendbarkeit des jeweiligen aus dem Stand der Technik bekannten Leiterplattenprozesses eine hohe Auflösung für die Leiterbahnen für Steuerungs-ICs oder für diverse Transistoren, z. B. kann der Anschluss eines Gate-Pins sehr fein ausfallen. Andererseits können ausgewählte Leiterbahnen, bspw. jene zu leistungselektronischen Bauelementen, durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Oberfläche der Platine lokal verstärkt werden.
Im Gegensatz zu Stromschienen aus dem Stand der Technik ist das mindestens eine aufgesetzte Metallelement jedoch nicht vertikal angeordnet, sondern bildet zumindest an einer Stelle eine plane Oberfläche. Dadurch wird eine Kontaktfläche zu der Kühlplatte geschaffen. Ein jeweiliges Metallelement kann in der gewünschten Form durch Stanzen oder Wasserstrahlschneiden oder Fräsen oder Laser-Schneiden erhalten werden.
Gerade in heutigen leistungselektronischen Schaltungen auf Basis von Leiterplatten sind neben einer Stromleitung zentrale Wärmequellen durch das mindestens eine leistungselektronische Bauelement, bspw. ein Transistor, durch Kontaktstellen oder durch Anschlusspunkte, bspw. an eine Stromversorgung, gegeben. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mindestens eine leistungselektronische Bauelement und das mindestens eine zur Stromleitung herangezogene Metallelement zugleich über die Kühlplatte gekühlt und damit auch die Platine. Die Platine enthält zumeist weitere elektronische Bauelemente, wie Widerstände, Kondensatoren und ICs, die deutlich niedrigere Grenztemperaturen tolerieren als die leistungselektronischen Bauelemente. Im Stand der Technik, in dem bspw. nur die Transistoren direkt gekühlt werden, geben die Transistoren dagegen gleichzeitig auch über ihre Kontakte Wärme an die Platine ab, wodurch diese sich auf höhere Temperaturen aufwärmt als die gekühlten Transistoren. Obwohl die übliche Auslegung von Transistoren lediglich mit Kühlung aus einem jeweiligen Stromanschluss an der Unterseite der Platine ist, kann die Kühlung durch thermische Kontaktierung an einer Oberseite des Transistors unterstützt werden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für das mindestens eine Metallelement eine gleiche Bauhöhe wie die des mindestens einen leistungselektronischen Bauelements gewählt.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für das mindestens eine Metallelement eine größere Bauhöhe als die des mindestens einen leistungselektronischen Bauelements gewählt. Die plan aufliegende Kühlplatte kühlt in diesem Fall das mindestens eine Metallelement alleine, d. h. ohne in thermischen Kontakt mit einem leistungselektronischen Bauelement zu stehen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mindestens eine an einer Stelle aufgesetzte Metallelement in Teilstücke unterteilt. Dies ist insbesondere dann von Nöten, wenn das mindestens eine Metallelement in länglicher Form ausgebildet wird. Lange Metallstücke an der Oberseite auf der Platine neigen dazu, eine andere Längenausdehnung beispielsweise unter Erwärmung oder Abkühlung einzunehmen als ein Platinensubstrat. Dabei ist zu beachten, dass eine Montage, zumindest bei einem Lötprozess, bereits bei erhöhten Temperaturen erfolgt. Es ist daher vorteilhaft, ein jeweiliges in länglicher Form ausgebildetes Metallelement in zwei oder mehr Teilstücke zu unterteilen. Als Nebeneffekt wird durch eine kleinere Herstellungsgröße auch ein möglicher Materialverschnittausschuss verringert. In Längsrichtung weisen bei Montage die Teilstücke dann gegeneinander einen gewissen Spalt auf, um thermisch bedingte Längenausdehnungen zu kompensieren. Bei Bedarf soll auch ein ausreichender Zugang für die Kontaktierung zu der unter den Teilstücken liegenden metallischen Leiterbahn, bspw. galvanisch oder durch einen Lötprozess, bestehen. Um in dem Spalt hohe Stromdichten in der dünnen Leiterbahn auf der Platine zu vermeiden, ist es vorteilhaft, den in der Längsrichtung auftretenden Spalt durch Streckung oder geeignete Formgebung in der Querrichtung zu gestalten. Siehe hierzu auch 3. Damit sinkt einerseits ein effektiver Widerstand durch Verbreiterung des Strompfades. Andererseits kann ausgenutzt werden, dass die Toleranz in Längsrichtung aufgrund der Ausdehnung höher ist als in Querrichtung. Aus diesem Grund kann die Lücke in Querrichtung kürzer gehalten werden und eine Strompfadlänge sinkt erneut zugunsten eines niedrigeren Widerstandes.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kühlplatte entweder als eine flüssigkeitsdurchströmte Metallplatte oder als ein Metallstück mit gezielt vergrößerter Oberfläche, bspw. ein Kühlkörper, oder als ein Wärmeleiter gewählt.
Wärmeleiter werden bspw. durch Wärmeleitbleche, Graphitelemente oder auch sogenannte Heatpipes gebildet.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Kühlung der leistungselektronischen Schaltung sowohl von einer Oberseite wie auch von einer Unterseite der Platine durchgeführt. Erfindungsgemäß weist ein erstes mindestens eine Metallelement an der Oberseite der Platine mindestens die gleiche Bauhöhe auf wie ein erstes mindestens eine leistungselektronisches Bauelement an der Oberseite der Platine, genauso wie ein zweites mindestens eine Metallelement an der Unterseite der Platine mindestens die gleiche Bauhöhe aufweist wie ein zweites mindestens eine leistungselektronisches Bauelement an der Unterseite der Platine.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum Ausgleich geringer Unterschiede in der Bauhöhe zwischen dem mindestens einen leistungselektronischen Bauelement und dem mindestens einen Metallelement mindestens ein Gap-Pad an einer Kontaktfläche zur Kühlplatte positioniert. Das mindestens eine Gap-Pad weist vorteilhaft eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Weiterhin wird es aus einem flexiblen Material gebildet, wodurch geringe Höhenunterschiede zwischen einzelnen von der Kühlplatte kontaktierten Bauelementen ausgeglichen und mechanischen Verspannungen vermieden werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mindestens eine Metallelement als über einen Flächenbereich der von ihm kontaktierten Leiterbahn hinausragend gestaltet. In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der über einen Flächenbereich der Leiterbahn hinausragende Teil des Metallelements zu einer Montage der Platine verwendet. Vorteilhaft werden an mindestens zwei Seiten der Platine an jeweiligen über die Platine hinausragenden Metallelementen Anschlusspunkte und/oder Anschraubpunkte vorgesehen, an denen eine elektrische Verbindung mit externen Anschlüssen durchgeführt und/oder eine mechanische Befestigung der Leiterplatte innerhalb eines Batteriegehäuses vorgenommen wird. Insbesondere dient die mechanische Befestigung mittels eines jeweiligen hinausragenden Metallelements dazu, ein Platinenmaterial, bspw. glasfaserverstärkten Kunststoff, mit GFK abgekürzt, nicht thermisch oder mechanisch durch einen Anpressdruck zu beschädigen. Vorteilhaft werden zur Verschraubung der Leiterplatte mit dem Batteriegehäuse Schrauben eingesetzt, deren Bauhöhe im verschraubten Zustand nicht die Bauhöhe der Leiterplatte samt Kühlplatte übersteigen. Vorteilhaft können die herausragenden Metallelemente auch mit Anschlusspunkten im Batteriegehäuse verschweißt oder verlötet werden. Eine Freilegung eines jeweiligen Metallelementes kann auch durch eine Fensterfräsung in die Platine erfolgen, falls das jeweilige Metallelement bereits auf der Leiterplatte verbaut wurde. Denkbar ist auch eine Montage mittels einer Press-Fit-Verbindung.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Material für das mindestens eine Metallelement entweder Kupfer oder Aluminium gewählt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch bei Auswahl eines anderen Leitermaterials anwendbar. Vorteilhaft bieten Kupfer und Aluminium hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit. Kupfer, sowie Kupfer-Aluminium-Laminate bei Kupfer als zu kontaktierende Oberfläche, kann als Material direkt verwendet werden. Gegebenenfalls müssen Prozessschritte zu einer Oberflächenoxidentfernung durchgeführt werden, wie bspw. Deburring, Schleifen, Beizen und anderes mehr. Aluminium, sowie Kupfer-Aluminium-Laminate bei Aluminium als zu kontaktierender Oberfläche, kann mit Ausnahme von Lötprozessen ebenfalls als Material direkt verwendet werden. Für Lötprozesse ist es vorteilhaft, das Aluminium mit einem lötbaren Metall zu überziehen, bspw. elektrochemisch durch Galvanisieren nach vorherigem Beizen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kontaktierung des mindestens einen Metallelements mit der Leiterbahn entweder durch Löten, bspw. mit Lotpaste in einem Reflow-Prozess, oder durch Pinning, z. B. vorteilhaft mittels Press-Fit-Verbindung, oder durch Nieten bewirkt. Die Bestückung der Platine mit dem mindestens einen Metallelement kann entweder nach der Montage anderer elektrischer Bauteile oder gleichzeitig mit ihnen erfolgen. Damit kann die Platine wie gewöhnlich bestückt und auch das Lot als Paste mit Siebdruck aufgebracht werden, ohne dass andere Bauteile im Weg wären.
Allgemein ist eine elektrische und thermische Kontaktierung der Leiterplatte mit den Bauelementen nötig. Vorteilhaft erfolgt dies über Kontaktierung über die strukturierten Leiterbahnen der Platine. Dort, wo Strom- und/oder Wärmeeintrag von einer Leiterbahn der Platinen zu erwarten ist, sollte eine elektrische Kontaktierung, die physikalisch durch elektronischen Wärmetransport auch gleichzeitig eine thermische Leitung herstellt, erfolgen. Somit muss keine großflächige Kontaktierung auf der gesamten Unterseite eines jeweiligen Metallelements erfolgen, mindestens aber an jenen Stellen, an welchen Strom in oder aus dem Metallelement fließen soll.
Ferner wird eine Platine beansprucht, welche mit einem vorgegebenen Leiterplattenprozess hergestellt wurde und mit mindestens einem leistungselektronischen Bauelement bestückt ist, welche weiter an mindestens einer Stelle auf mindestens einer auf einer Oberfläche der Platine verlaufenden metallischen Leiterbahn mindestens ein Metallelement aufweist, dessen Bauhöhe mindestens so groß ist wie die des mindestens eine leistungselektronischen Bauelements, und welche eine Kühlplatte umfasst, die auf das mindestens eine leistungselektronische Bauelement und/oder das mindestens eine Metallelement plan aufgesetzt ist.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Platine weisen die Leiterbahnen im Leiterplattenprozess eine Schichtdicke aus folgender Liste auf: 18 µm, 35 µm, 70 µm, 105 µm, 210 µm, 360 µm.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Platine umfasst das mindestens eine an einer Stelle aufgesetzte Metallelement mehrere Teilstücke.
Schließlich weist in noch weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Platine diese zusätzlich zwischen der Kühlplatte und dem mindestens einen leistungselektronischen Bauelement und/oder dem mindestens einen Metallstück ein Gap-Pad auf.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Platine.
2 zeigt in schematischer Darstellung mehrere von in Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildeter Metallelemente für eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Platine.
3 zeigt in schematischer Darstellung mehrere Vorlagen für in Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu stanzende Metallstücke und gegebenenfalls deren Teilstücke.
4 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Platine mit einem Montagebeispiel an einem über die Platine hinausragenden Metallelement in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
5 zeigt in schematischer Darstellung als perspektivische Ansicht ein Pinning des Metallelementes auf der Platine für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
6 zeigt in schematischer Darstellung zwei Schnitte durch eine erfindungsgemäße Platine mit unterschiedlichen Lötprozessen für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
7 zeigt in schematischer Darstellung verschiedene Unterseitenprofile zur Verlötung eines Metallelementes für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
8 zeigt in schematischer Darstellung zwei Beispiele für Pins sowie einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Platine mit verbauten Pins.
9 zeigt in schematischer Darstellung eine Montage mit Nieten für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
10 zeigt in schematischer Darstellung eine Verstemmung beim Nieten für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
11 zeigt in schematischer Darstellung Möglichkeiten zu einer Verlötung der Niete für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 wird in schematischer Darstellung 100 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Platine gezeigt. Eine Leiterplatte 102 weist innere metallisches Leiterbahnen 118 und an beiden Oberflächen metallische Leiterbahnen 120 auf, welche horizontal verlaufen und in vertikaler Richtung über metallische Durchkontaktierungen 106 verbunden sein können. Die Leiterplatte 102 ist an einer Oberseite und einer Unterseite mit elektronischen Bauteilen bestückt, beispielhaft gezeigt mit mehreren Metallelementen 104 und leistungselektronischen Bauelementen 110, sowie mit einem Kondensator 114 als Beispiel für andere Bauteile. Ein jeweiliges Metallelement 104 sitzt auf einer an einer jeweiligen Oberfläche der Leiterplatte 102 laufenden Leiterbahn 120 auf. Es besitzt eine flache Oberseite und hat eine ähnliche Bauhöhe wie ein jeweiliges leistungselektronisches Bauelement 110. Beispielhaft ist es an einer Stelle 108 mit der Leiterplatte 102 durch ein Lot verbunden. Das leistungselektronische Bauelement 110, welches insbesondere ein Leistungshalbleiterschalter sein kann, erzeugt in einem Betrieb Wärme, die an einer Oberseite und eine Unterseite des leistungselektronischen Bauelements 110 auf angrenzende Bauteile übergehen kann, angedeutet durch den einen Wärmepfad darstellenden Doppelpfeil 122. Die Wärme geht auf die Leiterbahn 120 an der Oberseite der Leiterplatte 102 über. Da die Leiterbahn 120 als Metall in der Regel eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, breitet sich die Wärme horizontal auf der Leiterplatte 102 entlang der Leiterbahn 120 aus, bspw. zu dem mit einfachen Pfeil 124 gekennzeichneten Metallelement 104, welches Wärme aufnimmt und diese erfindungsgemäß über seine Oberseite an eine geeignet angeordnete Kühlplatte 116 abführen kann. Auf der Oberseite der beiden Metallelemente 104 und des leistungselektronischen Bauelements 110 auf der Oberseite der Leiterplatte 102 liegt ein Gap-Pad auf, welches zur darüber sich befindlichen Kühlplatte 116 einen mechanischen Toleranzausgleich geringer Baudickenunterschiede zwischen den Bauelementen bietet und eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Bei der Kühlplatte 116 kann es sich um eine Flüssigkühlplatte, ein Kühlleitelement oder einen Kühlkörper handeln.
In 2 werden in schematischer Darstellung mehrere Metallelemente für die Platine gezeigt. Ansicht 210 zeigt eine perspektivische Darstellung der Platine 214, welche unter anderem mit mehreren leistungselektronischen Bauelementen, bspw. dasjenige mit Bezugszeichen 216, und Metallelementen 212 bestückt ist. Das Metallelement 212 wird bspw. durch Stanzen des Bereichs 222 aus dem Blech 224 in Ansicht 220 erhalten. Das Blech 224 weist dabei die gewünschte Bauhöhe des Metallelements auf, sichtbar in der perspektivischen Darstellung 226.
In 3 werden in schematischer Darstellung mehrere Vorlagen für zu stanzende Metallstücke und gegebenenfalls deren Teilstücke gezeigt. Insbesondere werden Möglichkeiten zur Bildung eines Spaltes bei länglichen Metallelementen dargestellt. Wegen wärmebedingter Materialausdehnung, z. B. bei der Montage durch Löten, sollte in Längsrichtung zumindest ein gewisser Spalt zwischen Teilstücken vorhanden sein, um Längenveränderungen zu kompensieren und/oder bei Bedarf ausreichend Zugang für eine Kontaktierung der darunterliegenden Platinenmetallisierung zu ermöglichen. Ansichten 310 bzw. 320 zeigen jeweils einen schrägen Verlauf des Spaltes 312 bzw. der beiden Spalte 322. In Ansicht 330 weist der stufenförmige Spalt 332 in Längsrichtung breitere Lücken 334 auf als die Lücke senkrecht dazu. Auch die beiden Spalte 342 und 344 weisen jeweils in Längsrichtung breitere Lücken auf als die jeweilige Lücke senkrecht dazu.
In 4 wird in schematischer Darstellung ein Schnitt 400 durch eine erfindungsgemäße Platine mit einem Montagebeispiel an einem über die Platine hinausragenden Metallelement 404 in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In dem über die Platine hinausragenden Metallelement 404 wird eine Bohrung angebracht, durch die eine Schraube 402 eine mechanische Verbindung mit einer Halterung der Platine herstellt. Die Halterung kann sich bspw. in einem Batteriegehäuse befinden. Vorteilhaft überragt die Schraube 402 dabei nicht die durch die erfindungsgemäße Anordnung von leistungselektronischen Bauelementen und in derselben Ebene bewirkte niedrige Bauhöhe.
In 5 wird in schematischer Darstellung als perspektivische Ansicht 500 ein Pinning des Metallelementes 508 auf der Platine 506 für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Das Pinning erfolgt durch die Platine in vertikaler Richtung, so dass die metallischen Leiterbahnen der Platine 506 und das Metallelement 508 kontaktiert werden. Denkbar ist hier auch eine zusätzliche Lötung, dazu alternativ aber auch die Kontaktierung per Press-Fit-Verbindung, welche Kaltverschweißen toleriert oder sogar wünscht. Eine Press-Fit-Verbindung ist hier bspw. derart implementierbar, dass Pins 502 mit eckigem Querschnitt in Löcher 504 mit rundem Querschnitt getrieben werden, so dass die Kanten der Pins 502 in die entsprechenden Leiter einschneiden. Die Pins 502 werden dabei so tief in das Metallelement 508 getrieben, dass sie an der zu kühlenden Oberfläche nicht rausstehen. Allgemein haben die Pins 502 eine Doppelfunktion, nämlich erstens für eine mechanische Verbindung zu sorgen und zweitens eine Mindeststromleitung, welche ggf. durch zusätzliche Berührungsflächen zwischen der metallischen Leiterbahn auf der Platine 506 und dem Metallelement 508 unterstützt werden kann, zu bewirken. Insbesondere weist eine Press-Fit-Verbindung den Vorteil auf, dass für den Fall, dass das Metallelement 508 mit Aluminium gebildet wurde, eine sichere Kontaktierung herstellbar ist.
In 6 werden in schematischer Darstellung zwei Schnitte in Ansicht 610 bzw. 620 durch eine erfindungsgemäße Platine 614 bzw. 624 mit unterschiedlichen Lötprozessen für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Ansicht 610 zeigt zwei Metallelemente 612, die mittels einer Lötung entlang einer von dem jeweiligen Metallelement 612 mit der jeweiligen Leiterbahn der Platine 614 gebildeten Kante, bspw. an mit der durch Bezugszeichen 616 bezeichneten Stelle, kontaktiert sind. In Ansicht 620 befindet sich die Lötung 626 zwischen den beiden Metallelementen 622 und der jeweiligen Leiterbahn der Platine 624. Aufgesetzt auf die jeweiligen Metallelemente beider Ansichten 610 bzw. 620 befindet sich eine Kühlplatte, hier als Flüssigkühlplatte mit Flüssigkeitskanälen 618 ausgeführt. Allgemein wird bei Lötung vorzugsweise eine flächige Lötverbindung zwischen der Unterseite des Metallelementes und der Leiterbahn oder auch eines Leiterpads der Platine eingegangen, wie es auch ähnlich bei SMD-Bauteilen geschieht. Zu diesem Zweck muss zumindest teilweise die darunterliegende metallische Leiterbahn unbedeckt von Lötstopplack sein, also eine Art Pad formen, auf die gelötet werden kann. Bei einem Reflow-Löten werden die Pads der Platine, oder Teile der Pads, auf die die Metallelemente aufgebracht werden sollen, bepastet. Gegebenenfalls erfolgt auch ein Kleberauftrag zwischen den Pads zur Fixierung der Metallelemente. Daraufhin werden die Metallelemente positioniert, wobei die beiden Vorgänge Bepastung und Positionierung entweder gleichzeitig oder separat zu der Montage anderer Bauelemente erfolgen können. Weiter erfolgt ein Aufschmelzen der Lotpaste in einem Ofen. Bei anderen Lötverfahren, wie bspw. Wellenlöten, werden die Metallelemente bspw. mittels Kleber fixiert und eine Lötnaht an den Grenzflächen zwischen Metallelement und dem Pad der Platine erzeugt. Vorteilhaft können hier durch gebohrte Löcher oder Einkerbungen zusätzliche Oberflächen erstellt werden.
In 7 werden in schematischer Darstellung 700 verschiedene Unterseitenprofile 702 zur Verlötung eines Metallelementes 704 bzw. 706 für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Sollte die Lötung an der Unterseite von Metallelementen großflächig erfolgen, kann eine glatte Oberflächenbeschaffenheit dieser Unterseite problematisch sein. In typischen Lotpasten sind Lösungs- und Flussmittel, die während der Lötung ausgasen oder aus einer Schmelze an die nächstgelegene Oberfläche treten. Wenn diese Oberfläche nicht zur Verfügung steht, bilden sich nachteilig Einschlüsse in einem Bereich, in dem eine ordentliche Lötverbindung nötig ist. Für großflächige Lötverbindungen kann die Oberflächen der Unterseite des Metallelementes entsprechend oberflächenstrukturiert werden, um entweder Pfade zum Entweichen der voranstehend genannten Lotbestandteile zu bieten oder zumindest Taschen in einer Form zu bilden, die die Querschnittsfläche des Überganges zwischen metallischer Leiterbahn der Platine und dem Metallelement nicht unnötig verringern. Eine Herstellung kann sehr schnell durch Fräsung erfolgen, indem das Metallelement an einem Fräskopf mit entsprechendem Muster vorbeigeführt wird. Alternativ können auf der Oberfläche der Leiterplatte Löcher bzw. Durchkontaktierungen, vom Fachmann auch als Vias bezeichnet, in einem dichten Raster gesetzt werden. Vorzugsweise werden Löcher wie Vias in einem Standardplatinenprozess metallisiert. Bevorzugte Durchmesser für die Anwendung in einer Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind kleiner oder gleich 0.4 mm gestaltet. Diese können beispielsweise mechanisch gebohrt werden oder mit einem Laser geschnitten sein, vom Fachmann als Laser-drill-vias oder auch als Microvias bezeichnet. Ferner kann es sich um Sacklöcher, bspw. konisch nach innen verjüngt, oder durchgehende Löcher handeln.
In 8 werden in schematischer Darstellung zwei Beispiele für Pins 812 bzw. 816, perspektivisch gezeichnet in Ansicht 810, sowie einen Schnitt 820 durch eine erfindungsgemäße Platine mit verbauten Pins 828 gezeigt. Das Pin 812 hat nur ein konisches Ende 814, mit dem voraus es in ein Bauelement getrieben wird, währen Pin 816 an beiden Enden 818 konisch zugespitzt ist. In dem Schnitt 820 wird sichtbar, dass für das Aufsetzen der Kühlplatte auf einem Gap-Pad 826 die jeweiligen Pins 828 soweit durch die Metallelemente 822 und die Platine 824 getrieben wurden, dass eine plane Oberfläche unter dem Gap-Pad 826 entsteht. Das Gap-Pad 826 kann auch mehrere Gap-Pad-Lagen aufweisen und ist als optional anzusehen. Idealerweise isoliert das Gap-Pad 828 elektrisch, weist aber eine thermische Leitung von bspw. größer 3 A/(K m) auf.
In 9 wird in schematischer Darstellung eine Montage mit Nieten für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die perspektivische Ansicht 910 zeigt mehrere zu der Montage eingesetzte Nieten 912. Die perspektivische Ansicht 920 stellt eine Platine 924 mit für das Nieten vorbereiteten Bohrungen 922 dar. Schließlich zeigt der Schnitt 930 durch eine erfindungsgemäße Platine 934 eine Montage zweier Metallelemente 932 durch Nieten 938. Der Nietkopf 936 liegt dabei auf einer Leiterbahn an der Unterseite der Platine 934 auf. Wie beim voranstehend genannten Pinning muss darauf geachtet werden, dass die jeweilige Niete 938 plan mit der Oberseite des jeweiligen Metallelements 932 abschließt, damit die Kühlplatte 931 plan aufgesetzt werden kann. Eine Montage mit Nieten 912 ähnelt dabei dem Pinning. Ein fester mechanischer Kontakt wird allerdings nicht durch die Press-Fit-Verbindung hergestellt, sondern bspw. durch Verlötung, bspw. Weich- oder Hartlötung mit metallischer Leiterbahn der Platine, oder vorzugsweise mit einem Metallstück auf der Gegenseite, oder durch Verschweißen, bspw. Punktschweißen, Ultraschallschweißen, ggf. auch TIG, MIG, MAG, Laserschweißen, oder auch durch Verstemmung auf der Gegenseite, ggf. unter Nutzung eines Gegenstückes 939 auf der Rückseite als Widerlager bzw. Beilagscheibe. In der Regel bieten Nieten gegenüber Pins den Vorteil eines deutlich größeren Querschnittes einer einzelnen Niete. Während bei Pins vorzugsweise mehrere Pins positioniert werden sollten, kann ggfs. eine einzelne Niete je Verbindung ausreichen.
In 10 wird in schematischer Darstellung eine Verstemmung beim Nieten für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die perspektivische Ansicht 1010 zeigt ein Aufsetzen 1018 des Gegenstückes 1016 auf die in einer Bohrung der Platine 1012 steckende Niete 1014. Der Schnitt 1020 durch eine erfindungsgemäße Platine 1022 zeigt das aufgesetzte Gegenstück 1026 an einem Metallelement 1024, welche zur Montage des Gegenstücks 1026 vertieft wurde.
In 11 werden in schematischer Darstellung Möglichkeiten zu einer Verlötung der Niete für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Ansicht 1110 zeigt das zu vernietende Metallelement 1112 in Aufsicht. Es wird zu Darstellungszwecken halbiert gezeigt. Die perspektivische Ansicht 1120 zeigt, dass die Niete 1124 nicht ganz in das Metallelement 1122 eingeschoben wird, sondern ein Freiraum der Höhe 1126 verbleibt, der zur Verlötung Lot aufnehmen kann. Außerdem bleibt bei Einschieben einer dünneren Niete als es ein Durchmesser der Bohrung im Metallelement 1122 erfordern würde ein Spalt 1128, der ebenfalls Lot aufnehmen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9496799 B2 [0003]
US 5214309 [0005]
US 2001/0038310 A1 [0010]
US 2012/0236500 A1 [0011]

Claims

Verfahren zur Kühlung von leistungselektronischen Schaltungen, bei dem eine Platine (102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022) nach einem vorgegebenen Leiterplattenprozess hergestellt und mit mindestens einem leistungselektronischen Bauelement (110, 216) bestückt wird, wobei mindestens eine Stelle auf mindestens einer auf einer Oberfläche der Platine (102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022) verlaufenden metallischen Leiterbahn (120) mit mindestens einem Metallelement (104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932, 1024, 1112, 1122), welches sowohl elektrisch leitend als auch wärmeleitend ist und dessen Bauhöhe mindestens so groß wie die des mindestens einen leistungselektronischen Bauelements (110, 216) gestaltet wird, kontaktiert wird, und wobei auf das mindestens eine leistungselektronische Bauelement (110, 216) und/oder das mindestens eine Metallelement (104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932) eine Kühlplatte (116, 931) plan aufgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Schichtdicke für die Leiterbahnen (118, 120) im Leiterplattenprozess aus folgender Liste gewählt wird: 18 µm, 35 µm, 70 µm, 105 µm, 210 µm, 360 µm.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem für das mindestens eine Metallelement (104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932, 1024, 1112, 1122) eine größere Bauhöhe als die des mindestens einen leistungselektronischen Bauelements (110, 216) gewählt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das mindestens eine an einer Stelle aufgesetzte Metallelement (104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932, 1024, 1112, 1122) in Teilstücke unterteilt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Kühlplatte (116, 931) entweder als eine flüssigkeitsdurchströmte Metallplatte oder als ein Metallstück mit gezielt vergrößerter Oberfläche oder als ein Wärmeleiter gewählt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem eine Kühlung der leistungselektronischen Schaltung sowohl von einer Oberseite wie auch von einer Unterseite der Platine (102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zum Ausgleich geringer Unterschiede in der Bauhöhe zwischen dem mindestens einen leistungselektronischen Bauelement (110, 216) und dem mindestens einen Metallelement (104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932) mindestens ein Gap-Pad (112, 826) an einer Kontaktfläche zur Kühlplatte (116, 931) positioniert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das mindestens eine Metallelement (404) als über einen Flächenbereich der von ihm kontaktierten Leiterbahn (120) hinausragend gestaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der über einen Flächenbereich der Leiterbahn (120) hinausragende Teil des Metallelements (404) zu einer Montage der Platine (102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022) verwendet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als Material für das mindestens eine Metallelement (104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932, 1024, 1112, 1122) entweder Kupfer oder Aluminium gewählt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktierung des mindestens einen Metallelements (104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932, 1024, 1112, 1122) mit der Leiterbahn (120) entweder durch Löten oder durch Pinning oder durch Nieten bewirkt wird.
Platine (102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022), welche mit einem vorgegebenen Leiterplattenprozess hergestellt wurde und mit mindestens einem leistungselektronischen Bauelement (110, 216) bestückt ist, welche weiter an mindestens einer Stelle auf mindestens einer auf einer Oberfläche der Platine (102, 214, 404, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022) verlaufenden metallischen Leiterbahn mindestens ein Metallelement (104, 212, 222, 226, 404, 508, 612, 622, 704, 706, 822, 932, 1024, 1112, 1122) aufweist, dessen Bauhöhe mindestens so groß ist wie die des mindestens eine leistungselektronischen Bauelements (110, 216), und welche eine Kühlplatte (116, 931) umfasst, die auf das mindestens eine leistungselektronische Bauelement (110, 216) und/oder das mindestens eine Metallelement plan (104, 404, 612, 622, 822, 932) aufgesetzt ist.
Platine (102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022) nach Anspruch 12, bei der die Leiterbahnen (118, 120) im Leiterplattenprozess eine Schichtdicke aus folgender Liste aufweisen: 18 µm, 35 µm, 70 µm, 105 µm, 210 µm, 360 µm.
Platine (102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei der das mindestens eine an einer Stelle aufgesetzte Metallelement mehrere Teilstücke umfasst.
Platine (102, 214, 506, 614, 624, 824, 924, 934, 1012, 1022) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, welche zusätzlich zwischen der Kühlplatte (116, 931) und dem mindestens einen leistungselektronischen Bauelement (110, 216) und/oder dem mindestens einen Metallelement (104, 404, 612, 622, 822, 932) ein Gap-Pad (112, 826) aufweist.