DE10315768A1

DE10315768A1 - Mehrlagige Leiterplatte

Info

Publication number: DE10315768A1
Application number: DE10315768A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Speigl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2004-11-25
Also published as: US20040218366A1; FR2853489A1; FR2853489B1

Abstract

Mehrlagige Leiterplatte (10b) zum elektrisch miteinander Verbinden von Bauteilen (12b) einer elektronischen Schaltung, wobei eines der Bauteile (12b-1) eine Kühlfläche (14b) aufweist, die an wenigstens einem Kühlflächenabschnitt (16b) dieser Kühlfläche in flächigem Kontakt steht mit einer ein erstes elektrisches Potenzial besitzenden Metallfäche (22b-1) oder obersten Leiterplattenlage (20b-1), wobei eine ein zweites elektrisches Potenzial besitzende Metallfläche (24b-1) vorgesehen ist, die in elektrischem Kontakt steht mit wenigstens einem (12b-2) der Bauteile (12b), und wobei wenigstens ein Überlappungsmetallflächenpaar aus einer der das erste elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen (22b) und einer der das zweite elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen (24b) gebildet ist, wobei der Überlapp dieser beiden Metallflächen mindestens so groß ist wie der Kühlflächenabschnitt (16b).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leiterplatte zum elektrisch miteinander Verbinden von auf der Oberseite und/oder Unterseite der Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauteilen.

Derartige Leiterplatten sind seit langem üblich zur industriellen Fertigung insbesondere komplexerer elektronischer Schaltungen, bei denen eine Vielzahl von diskreten elektronischen Bauteilen zur Ausbildung einer elektronischen Schaltungsanordnung miteinander zu verbinden sind.

Eine mehrlagige Leiterplatte, also eine Leiterplatte mit einer Mehrzahl von elektrisch voneinander isolierten Leiterplattenlagen, bietet hierbei den Vorteil, dass eine größere Gestaltungsfreiheit bei der Anordnung von Leiterbahnen besteht ("Leiterplattenlayout"). Außerdem können die elektronischen Bauteile dichter gepackt auf der oder den Bestückungsseiten angeordnet werden. Dies deshalb, weil die Leiterbahnen in mehreren Ebenen verlaufen können und an gewünschten Stellen vertikal verlaufende elektrische Verbindungen ("Durchkontaktierungen" bzw. "vias") zwischen Leiterbahnen vorgesehen werden können, die in voneinander verschiedenen Leiterplattenlagen angeordnet sind.

Leiterbahnen, also elektrisch leitende Bahnen, bei flächigerer Ausdehnung auch als Leiterflächen zu bezeichnen, werden bei Leiterplatten üblicherweise als Metallflächen vorgesehen. Deren Herstellung erfolgt z. B. durch strukturiertes Ätzen einer Kupferschicht.

Bauteile in elektronischen Schaltungen müssen im Betrieb oftmals gekühlt werden. Solche Bauteile weisen daher in der Regel eine sich im Betrieb dieses Bauteils erwärmende metallische Kühlfläche auf, an der beispielsweise ein Kühlkörper zum Wärmeabtransport angeordnet werden kann. Auch sind solche Bauteil-Kühlflächen bekannt, die mit einer Metallfläche einer äußeren Leiterplattenlage einer Leiterplatte in Kontakt zu . bringen sind, so dass diese Metallfläche die entstehende Wärme abführt oder wenigstens horizontal verteilt ("horizontale Wärmespreizung"). Schließlich ist es denkbar, die entstehende Wärme mittels der oben erwähnten Durchkontaktierungen vertikal durch die Leiterplatte hindurch auf die gegenüberliegende Leiterplattenseite zu transportieren und an dieser gegenüberliegenden Seite den Kontakt zu einem Kühlkörper herzustellen. Vor allem in diesem Fall kann z. B. ein Gehäuseteil vorteilhaft als Kühlkörper genutzt werden.

Bei vielen Bauteilen liegt im Betrieb an der Bauteilkühlfläche ein elektrisches Potenzial mit hochfrequenten Anteilen an, etwa ein Signal mit steilen Spannungsflanken. Dieses Potenzial kann dann durch die beschriebenen Kühlungsmaßnahmen direkt oder durch kapazitive Kopplung als Störstrom auf den Kühlkörper gelangen. Falls der Kühlkörper an ein konstantes Bezugspotenzial der elektronischen Schaltung angeschlossen ist, so entsteht eine nur schwer beherrschbare Störstromschleife, bei welcher die auf den Kühlkörper fließenden Ströme auf irgendwelchen Pfaden in irgendwelche Teile der Schaltung zurückfließen. Demzufolge werden möglicherweise größere Teile der elektronischen Schaltung mit hochfrequenten Störsignalen beaufschlagt und die Störung so verbreitet. Falls der Kühlkörper elektrisch isoliert ist, so kann eine von dem Bauteil kapazitiv auf den Kühlkörper übertragene Störung ka pazitiv in die Umgebung abgegeben werden.

Zusammenfassend ergibt sich bei den bekannten Leiterplatten also einerseits ein Problem betreffend die Wärmeabfuhr (Thermik) und andererseits betreffend hochfrequente elektrische Störungen, die zu verringern es gilt (Verbesserung der EMV = "Elektromagnetische Verträglichkeit").

Bei der Lösung dieser beiden Probleme besteht in der Praxis insofern ein Zielkonflikt, als mit einer Bereitstellung von besonders effizienten Wärmeableitungspfaden (z. B. große Metallflächen zur Wärmespreizung, Durchkontaktierungen zum vertikalen Wärmetransport, große Kühlkörper etc.) gleichzeitig effiziente elektrische Pfade zur Verbreitung von elektromagnetischen Störungen geschaffen werden.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben angesprochenen Probleme zu beseitigen und insbesondere eine Leiterplatte anzugeben, bei welcher eine effiziente Wärmeableitung bei gleichzeitiger Unterdrückung von hochfrequenten elektrischen Störungen erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer mehrlagigen Leiterplatte gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht in einer besonderen Anordnung von Metallflächen in mehrlagigen Leiterplatten zur Spreizung und/oder HF-technisch günstigen Rückführung von Störströmen. Mit dieser besonderen Flächenanordnung können zumindest Teile des von dem zu kühlenden Bauelement ausgehenden Störstroms auf gut beherrschbare Weise, insbesondere auf kurzen Wegen rückgeführt werden, so dass die Schaltung selbst sowie die Umgebung nicht gestört werden.

Falls ein Kühlkörper als Wärmesenke an der Leiterplatte angeordnet wird, so können derartige Störströme unter Umgehung dieses Kühlkörpers rückgeführt werden, was insbesondere bei vergleichsweise großen Kühlkörpern oder bei als Kühlkörper verwendeten Abschnitten eines Gehäuses der elektronischen Schaltung hinsichtlich der EMV sehr vorteilhaft ist.

Gemäß der Erfindung weist wenigstens eines der auf einer obersten Leiterplattenlage angeordneten Bauteile eine sich im Betrieb dieses Bauteils erwärmende Kühlfläche, beispielsweise eine metallische Kühlfläche, auf, die an wenigstens einem Kühlflächenabschnitt dieser Kühlfläche in flächigem Kontakt steht mit einer ein erstes elektrisches Potenzial besitzenden Metallfläche der obersten Leiterplattenlage. Der Begriff "oberste Leiterplattenlage" bezeichnet hier eine der beiden äußersten Leiterplattenlagen und dient der einfacheren Bezugnahme auf weiter innen liegende Leiterplattenlagen ("darunterliegende Lagen") und der einfacheren Bezugnahme auf die gegenüberliegende äußerste Leiterplattenlage ("unterste Lage" oder "Bottom").

Die oberste Leiterplattenlage ist die Bestückungsseite, auf welcher das betrachtete zu kühlende Bauteil angeordnet ist. Selbstverständlich schließt dies nicht aus, dass auch auf der gegenüberliegenden äußersten Seite der Leiterplatte eine Bestückung mit Bauteilen vorgesehen ist und auch für eines oder mehrerer diese Bauteile die erfindungsgemäßen Maßnahmen eingesetzt werden.

Der Begriff "erstes elektrisches Potenzial" dient zur Kennzeichnung derjenigen Metallflächen des Leiterplattenaufbaus, die unmittelbar mit dem Kühlflächenabschnitt der Bauteilkühlfläche in Verbindung stehen oder mittelbar über metallische Durchkontaktierungen mit dieser Kühlfläche in Verbindung stehen. Bei diesem ersten elektrischen Potenzial kann es sich beispielsweise um ein konstantes Bezugspotenzial der Schaltung handeln. Genausogut kann es sich hierbei jedoch auch um ein zeitlich veränderliches Potenzial handeln, da die beispielsweise metallische Kühlfläche eines Bauteils oftmals als signalführender Bauteilanschluss verwendet wird. Diese Kühlfläche steht an wenigstens einem Kühlflächenabschnitt in flächigem Kontakt mit einer Metallfläche der obersten Leiterplattenlage, beispielsweise über eine oder mehrere Lötstellen. Somit findet auf dieser Metallfläche bereits eine mehr oder weniger große horizontale Wärmespreizung statt. In dieser Hinsicht ist es von Bedeutung, dass diese Metallfläche mindestens so groß ist wie der Kühlflächenabschnitt (z. B. die Summe der Lötkontaktflächen). Gewünschtenfalls kann von dieser Metallfläche aus durch eine oder mehrere metallische Durchkontaktierungen eine vertikale Wärmespreizung auf wenigstens eine weitere, somit ebenfalls das erste elektrische Potenzial besitzende Metallfläche auf weiter unten liegende Leiterplattenlagen erfolgen. Um auch hier eine mehr oder weniger große horizontale Wärmespreizung zu erzielen, sollten diese weiteren Metallflächen ebenfalls mindestens die genannte Größe besitzen.

Die das erste elektrische Potenzial besitzende Metallfläche auf der obersten Leiterplattenlage sowie, falls vorhanden, die weiteren das erste elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen sind gemäß der Erfindung in besonderer Weise an eine oder mehrere ein zweites elektrisches Potenzial besitzende Metallflächen sowohl elektrisch als auch thermisch gekoppelt. Auch bei diesem zweiten elektrischen Potenzial kann es sich um ein konstantes Potenzial oder ein zeitlich veränderliches Potenzial handeln und der Begriff dient lediglich zur Unterscheidung von demjenigen Potenzial der oben genannten Metallfläche(n).

Diese vorteilhafte Kopplung dient zur Wärmeübertragung von der einen oder den mehreren das erste elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen, im folgenden auch kurz "erste Flächenanordnung" genannt, auf die eine oder die mehreren das zweite elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen, im folgenden auch kurz "zweite Flächenanordnung" genannt. Gleichzeitig ermöglicht diese besondere Kopplung zwischen den beiden Flächenanordnungen eine gut definierte und gut beherrschbare Rückführung von hochfrequenten Störungen, die von dem Bauteil über dessen Kühlfläche auf die erste Flächenanordnung übertragen werden.

Die Kopplung wird dadurch realisiert, dass wenigstens ein Überlappungsmetallflächenpaar ausgebildet ist, welches gebildet ist aus der oder einer der genannten, das erste elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen und der oder einer der das zweite elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen, wobei diese beiden Metallflächen in unmittelbar einander benachbarten der Leiterplattenlagen angeordnet sind und der Überlapp dieser beiden Metallflächen mindestens so groß ist wie der Kühlflächenabschnitt.

An jedem solchen Überlappungsmetallflächenpaar findet aufgrund der räumlichen Nähe (unmittelbar benachbarte Leiterplattenlagen und Überlappung) ein Wärmetransport durch die dazwischen befindliche elektrische Isolationsschicht hindurch statt, so dass vorteilhaft Wärme von der ersten Flächenanordnung weiter auf die zweite Flächenanordnung transportiert wird. Gleichzeitig bewirkt diese räumliche Nähe der beiden Metallflächen an dieser "Paarungsstelle" eine in der Praxis gut definierte kapazitive Kopplung der hochfrequenten Störungen von der ersten Flächenanordnung auf die zweite Flächenanordnung, wobei die zur zweiten Flächenanordnung eingekoppelten Störungen in gut beherrschbarer Weise rückgeführt werden können, da die zweite Flächenanordnung in elektrischem Kontakt mit wenigstens einem der elektronischen Bauteile steht, sei es das zu kühlende Bauelement selbst oder ein anderes Bauelement derselben elektronischen Schaltung. Damit kann ein Störstrom insbesondere auf kurzem Weg (kleine Stromschleife) und mit geringer HF-Abstrahlung rückgeführt werden und somit die EMV-Eigenschaften der mit der Leiterplatte implementierten Schaltung verbessert werden.

Die Erfindung erlaubt außerdem den Einsatz kleinerer elektronischer Komponenten bzw. die leichterer Beherrschung von Verlustleistungsproblemen, da der thermische Widerstand der Anordnung geringer als bei bekannten Leiterplatten vorgesehen werden kann.

Die Erfindung erlaubt es ferner, eine Kühlmetallfläche auf einer Außenseite der Schaltungsplatte zur Wärmespreizung, welche thermisch einen zusätzlichen Kühlkörper kontaktiert, im Hinblick auf die Wärmespreizung vorteilhaft vergleichsweise großflächig vorzusehen, ohne nennenswerte Störungen über einen solchen Kühlkörper zu verbreiten.

Die mit der Erfindung sehr effizient zu gestaltende Wärmeableitung erlaubt es beispielsweise bei zu kühlenden Schalttransistoren (z. B. eines Spannungswandlers), die Schaltflanken zur Verminderung hochfrequenter Störfrequenzanteile flacher vorzusehen, da die damit verbundene Erhöhung der thermi schen Verlustleistung durch die besondere Flächenanordnung in der Leiterplatte beherrscht werden kann.

Falls zur weiteren Störstrahlungsreduzierung zusätzliche schaltungstechnische Maßnahmen ergriffen werden, wie beispielsweise die Anordnung so genannter "Snubber"-Netzwerke (z. B. aus Widerständen, Kondensatoren und Dioden), so können diese Maßnahmen einfacher und somit kostengünstiger realisiert sein.

Was die Größe der genannten Metallflächen anbelangt, so haben sich zur Wärmeabfuhr und Störungsunterdrückung insbesondere folgende Ausführungsmerkmale (einzeln und insbesondere in Kombination miteinander) als besonders vorteilhaft herausgestellt:

a) Die das erste elektrische Potenzial besitzende Metallfläche der obersten Leiterplattenlage besitzt mindestens die 2-fache, insbesondere mindestens die 5-fache Größe des Kühlflächenabschnitts.
b) Wenigstens eine der gegebenenfalls vorgesehenen, das erste elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen der weiteren Leiterplattenlagen besitzt mindestens die 2-fache, insbesondere mindestens die 5-fache Größe des Kühlflächenabschnitts.
c) Falls das erste elektrische Potenzial besitzende Metallflächen auf weiteren Leiterplattenlagen mittels Durchkontaktierungen angebunden sind, so ist die Anzahl von zwei Metallflächen verbindenden Durchkontaktierungen mindestens halb so groß wie der Quotient aus der kleineren der beiden Metallflächen und der Fläche des Kühlflächenab schnitts.
d) Es sind mindestens zwei Überlappungsmetallflächenpaare vorgesehen.
e) Bei wenigstens einem Überlappungsmetallflächenpaar, insbesondere bei allen Überlappungsmetallflächenpaaren, beträgt der Überlapp der beiden sich gegenüberstehenden Metallflächen mindestens 50%, insbesondere mindestens 70%, der kleineren dieser beiden Metallflächen.

Die erfindungsgemäße Leiterplatte ist im Hinblick auf deren gute Wärmeableitungseigenschaften besonders interessant, wenn als das die Kühlfläche aufweisende Bauteil ein Leistungsbauteil, insbesondere ein Leistungshalbleiterbauteil vorgesehen ist. Beispielsweise kann es sich um einen Schalttransistor oder eine Gleichrichterdiode einer Schaltstromversorgung (z. B. DC/DC-Spannungswandler) handeln. Alternativ oder zusätzlich kann dieses Bauteil als ein Bauteil vorgesehen sein, bei dessen Betrieb an der Kühlfläche steile Spannungsflanken auftreten, wie z. B. bei einem als Schalter betriebenen Transistor oder z. B. bei einem Bauelement, das mit einem Rechtecksignal beaufschlagt wird. Schließlich ist die Verwendung der Erfindung auch für Bauteile besonders interessant, die im Betrieb mit hochfrequenten Signalen beaufschlagt werden.

Ein bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung liegt in der Bereitstellung einer Leiterplatte für eine Komponente der Elektronik eines Kraftfahrzeugs, da hier die eingangs erläuterten thermischen Probleme und EMV-Probleme eine große Rolle spielen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine der das zweite elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen für einen thermischen Kontakt, insbesondere für einen flächigen Kontakt, zu einem metallischen Kühlkörper vorgesehen. Ein solcher thermischer Kontakt kann z. B. flächig in an sich bekannter Weise durch eine Wärmeleitpaste hindurch oder durch eine metallische Schraubverbindung hindurch realisiert sein. Insbesondere kann als Kühlkörper ein Gehäuse der betreffenden elektronischen Schaltung verwendet werden.

Bei mehrlagigen Leiterplatten werden im Rahmen des Leiterplattenlayouts oftmals besonders großflächige Metallflächen vorgesehen, die ein konstantes elektrisches Bezugspotenzial (z. B. Versorgungspotenzial der Schaltung) tragen. Die große Ausdehnung solcher Bezugsflächen rührt daher, dass in der Regel eine große Anzahl der elektronischen Bauteile mit solchen Bezugspotenzialen zu versorgen sind. Diese in der Praxis oftmals ohnehin zweckmäßigen Bezugsflächen können vorteilhaft im Rahmen der Erfindung genutzt werden, nämlich als Flächen der ersten Flächenanordnung, der zweiten Flächenanordnung oder als Flächen, die über eine wie oben erwähnte Überlappflächenkopplung mit einer der beiden Flächenanordnungen gekoppelt sind.

Wenn das Bezugspotenzial ein sowohl vom ersten elektrischen Potenzial als auch vom zweiten elektrischen Potenzial verschiedenes Potenzial ist, so ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass wenigstens eine der das erste elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen und/oder wenigstens eine der das zweite elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen von wenigstens einer dieser Bezugsflächen überlappt wird, wobei diese Bezugsfläche in einer unmittelbar benachbarten Leiterplattenlage angeordnet ist und der Überlapp mindestens so groß ist wie der Kühlflächenabschnitt. Be vorzugt beträgt auch hier der Überlapp mindestens 50% der kleineren der beiden sich überlappenden Flächen. Auch ist es denkbar, dass das Potenzial einer solchen großflächigen Bezugsfläche das erste elektrische Potenzial oder das zweite elektrische Potenzial darstellt.

Neben den bereits genannten metallischen Durchkontaktierungen können Metallflächen der ersten und/oder zweiten Flächenanordnung auch über thermisch leitende, elektrisch jedoch schlecht leitende oder isolierende Durchkontaktierungen mit anderen Metallflächen der Leiterplatte verbunden sein, um zusätzliche Wärmeableitungspfade bereitzustellen.

Im Rahmen der Erfindung ist eine gute elektrische wie auch thermische Leitfähigkeit der aus Metall vorgesehenen Leiterplattenkomponenten, insbesondere Leiterbahnen bzw. Leiterflächen, wesentlich. Selbstverständlich ist es denkbar, für diese Komponenten ein anderes Material zu verwenden, solange diese elektrische wie auch thermische Leitfähigkeit in ausreichendem Maß gewährleistet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:
1 eine perspektivische schematische Darstellung einer Leiterplatte zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung am Beispiel einer zweilagigen Leiterplatte.
2 eine perspektivische schematische Darstellung einer Leiterplatte zur Erläuterung des Grundgedan kens der Erfindung am Beispiel einer vierlagigen Leiterplatte.
3 eine Schnittansicht einer zweilagigen Leiterplatte gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
3a eine schematische Draufsicht der Leiterplatte von 3,
4 eine Schnittansicht einer vierlagigen Leiterplatte gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, und
5 eine Schnittansicht einer vierlagigen Leiterplatte gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
1 ist eine stark schematisierte Darstellung einer Leiterplatte 10 zum elektrisch miteinander Verbinden von eine elektronische Schaltung bildenden elektronischen Bauteilen, von welchen in der Figur nur eines dargestellt und mit 12-1 bezeichnet ist.
Die Leiterplatte 10 umfasst zwei Leiterplattenlagen 20-1 und 20-2, die durch eine nicht dargestellte Isolationslage (z. B. aus Epoxidharz) elektrisch voneinander getrennt sind. Der Klarheit der Darstellung halber ist der Leiterplattenaufbau "auseinandergezogen" dargestellt (gegenseitiger Abstand der Lagen 20-1 und 20-2 vergrößert). Außerdem sind nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Metallflächen schematisch eingezeichnet. In der Praxis liegt die Dicke der Leiterplatte typischerweise in einem Bereich von etwa 1mm bis 2mm.
Die im Betrieb des Bauteils 12-1 entstehende Wärme wird über eine elektrisch leitende (hier: metallische) Kühlfläche des Bauteils auf eine Metallfläche 22-1 übertragen, die von der obersten Leiterplattenlage 20-1 ausgebildet wird und für eine horizontale Wärmespreizung sorgt. Für Leistungshalbleiter beträgt die Größe der Kühlfläche typischerweise z. B. 0,1 bis 2 cm².
Die untere und somit der obersten Leiterplattenlage 20-1 vertikal unmittelbar benachbarte Leiterplattenlage 20-2 weist eine Metallfläche 24-1 auf, auf welche die Wärme durch einen vertikalen Wärmetransport durch die Isolationslage hindurch übertragen wird. Aufgrund dieser Isolierung überträgt sich jedoch nicht das Potenzial der oberen Metallfläche 22-1 (erstes Potenzial) auf die untere Metallfläche 24-1. Letztere Metallfläche besitzt ein davon verschiedenes, zweites elektrisches Potenzial. Aufgrund eines wie dargestellt großen horizontalen Überlapps der Metallflächen 22-1 und 24-1 werden von dem Bauteil 12-1 ausgehende hochfrequente Störungen über die Fläche 22-1 durch kapazitive Kopplung auf die Fläche 24-1 übertragen. Um einen damit verbundenen Störstrom möglichst gut definiert zurückzuführen, sind metallische Durchkontaktierungen 28-1, 28-2 und 28-3 vorgesehen, welche die Fläche 24-1 mit einer ebenfalls das zweite elektrische Potenzial besitzenden Metallfläche 24-2 verbinden, welche ihrerseits in elektrischem Kontakt mit wenigstens einem der elektronischen Bauteile der Schaltung steht, sei es das Bauteil 12-1 oder ein anderes Bauteil. Jedenfalls kommt es durch diesen Aufbau zu einer guten Wärmeabfuhr und gleichzeitig zu einer Reduzierung einer Störaussendung durch eine lokal mehr oder weniger eng begrenzte Führung von Störströmen. Es kann eine sehr kleine Stromschleife von dem Bauteil 12-1 über die kapazitive Kopplung auf die untere Fläche 24-1 und weiter über die Durchkontaktierungen 28-1 bis 28-3 auf die Fläche 24-2 und direkt zum Bauteil 12-1 zurück oder indirekt über weitere Bauteile der Schaltung gebildet werden.
Die auf die untere Metallfläche 24-1 übertragene Wärme wird über einen flächigen Kontakt mit der Oberfläche eines Kühlkörpers 30 abgeführt. Zu einer nennenswerten Störabstrahlung durch diesen Kühlkörper 30 kommt es nicht, da die Störströme auf kurzem Weg über die Durchkontaktierungen 28-1 bis 28-3 niederohmig und niederinduktiv rückgeführt werden.
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für analoge Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
Die Bezugszahlen von in einer Ausführungsform mehrfach vorgesehenen, in ihrer Funktion jedoch analogen Komponenten, sind durchnumeriert (jeweils ergänzt durch einen Bindestrich und eine fortlaufende Zahl). Auf einzelne solcher Komponenten oder auf die Gesamtheit solcher Komponenten wird im Folgenden auch durch die nicht-ergänzte Bezugszahl Bezug genommen.
Das Beispiel der 2 veranschaulicht die Kopplung zwischen einer ersten Flächenanordnung 22a und einer zweiten Flächenanordnung 24a am Beispiel einer vierlagigen Leiterplatte 10a umfassend Leiterplattenlagen 20a-1 bis 20a-4. Die Unterseite eines zu kühlenden Bauteils 12a-1 ist vollflächig auf eine Metallfläche 22a-1 der obersten Leiterplattenlage 20a-1 gelö tet, so dass in diesem Beispiel die Bauteilkühlfläche insgesamt einen flächig mit der Metallfläche 22a-1 in Kontakt stehenden Kühlflächenabschnitt 16a ausbildet. Zur horizontalen Wärmespreizung ist die Fläche 22a-1 wesentlich größer als dieser Kühlflächenabschnitt 16a vorgesehen. Die das erste elektrische Potenzial besitzende Fläche 22a-1 ist über metallische Durchkontaktierungen 26a (hier: 26-1 bis 26a-3) mit einer Metallfläche 22a-2 der dritten Leiterplattenlage 20a-3 thermisch und elektrisch verbunden. Im Allgemeinen werden hier Durchkontaktierungen verwendet, deren Bohrung alle Leiterplattenlagen 20a durchdringt. Die beiden Flächen 22a-1 und 22a-2 bilden eine erste Flächenanordnung 22a. Eine das zweite elektrische Potenzial besitzende zweite Flächenanordnung 24a wird gebildet durch Metallflächen 24a-1 bis 24a-3, die thermisch und elektrisch mittels Durchkontaktierungen 28a (hier: 28a-1, 28a-2 und 28-3) thermisch und elektrisch miteinander verbunden sind.
Im Unterschied zu der mit Bezug auf 1 beschriebenen Anordnung wird hier eine Mehrzahl von Überlappungsmetallflächenpaaren ausgebildet, die im Rahmen der Störstromrückführung verwendet werden, nämlich zwischen den Flächen 22a-1 und 24a-2, den Flächen 24a-2 und 22a-2 sowie den Flächen 22a-2 und 24a-1.
Die 3 und 3a veranschaulichen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zweilagigen Leiterplatte 10b mit einem zu kühlenden Bauteil 12b-1 an der oberen Leiterplattenlage 20b-1. Eine Kühlfläche 14b des Bauteils 12b-1 steht an einem Kühlflächenabschnitt 16b über eine Lötstelle in flächigem thermischen und elektrischen Kontakt mit einer Metallfläche 22b-1. Aus der Draufsicht von 3a ist ersichtlich, dass diese Metallfläche 22b-1 etwa sechs mal so groß ist wie der Kühl flächenabschnitt 16b, so dass bereits hier eine horizontale Wärmespreizung stattfindet.
Die Metallfläche 22b-1 wird in Horizontalrichtung überlappt von einer Metallfläche 24b-1, die sich in der unteren Leiterplattenlage 20b-2 befindet, so dass ein Wärmetransport durch eine dazwischenliegende Isolationsschicht in diese untere Lage 24b-1 erfolgt. Die Rückführung von kapazitiv auf die Fläche 24b-1 übertragenen Störströmen erfolgt über eine weitere Metallfläche 24b-2 der zweiten Metallflächenanordnung 24b, wobei die Fläche 24b-1 über eine Durchkontaktierung 28b-1 elektrisch mit der Fläche 24b-2 verbunden ist, und weiter zu einem weiteren Bauteil 12b-2 der elektronischen Schaltung.
Diese Stromrückführung auf kurzem Weg gestattet die Anordnung eines Kühlkörpers (in den 3 und 3a nicht dargestellt) an der Unterseite der Leiterplatte 10b ohne dass es zu einer nennenswerten Störabstrahlung über einen solchen Kühlkörper kommt.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte 10c mit vier Leiterplattenlagen 20c-1 bis 20c-4, bei welcher das zu kühlende Bauelement 12c-1 über zwei Kühlflächenabschnitte 16c flächig auf einer Metallfläche 22c-1 der obersten Lage 20c-1 angelötet ist. Die darauf übertragene Wärme wird über Durchkontaktierungen 26c-1 und 26c-2 zunächst auf eine Fläche 22c-2 der zweiten Leiterplattenlage 20c-2 übertragen und horizontal gespreizt. Zur Rückführung von Störströmen bildet diese Fläche 22c-2 zusammen mit einer Fläche 24c-1 wieder ein Überlappungsmetallflächenpaar. Durch diese Schichtung wird ein Kondensator implementiert, der dem durch eine schnelle Spannungsänderung verursachten Strom einen Ableitpfad von niedriger Impedanz anbietet.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte 10d, bei welcher die auf eine Metallfläche 22d-1 der ersten Lage 20d-1 übertragene Wärme über Durchkontaktierungen 26d-1 und 26d-2 auf zwei Metallflächen 22d-2 und 22d-3 der zweiten Lage 20d-2 übertragen wird.
Die Fläche 22d-2 bildet mit einer Metallfläche 24d-1 wieder ein Überlappungsmetallflächenpaar, wobei von der Fläche 24d-1 ausgehend eine Rückführung von Störströmen über eine Durchkontaktierung 28d-1 auf eine Metallfläche 24d-2 der ersten Lage 20d-1 und somit zurück in die elektronische Schaltung erfolgt.
Des weiteren bildet die Metallfläche 22d-3 mit einer in der unmittelbar benachbarten Lage 20d-3 befindlichen Bezugspotenzialfläche 32d-1 ein weiteres Überlappungsmetallflächenpaar, über welches ein kleiner Teil von Störströmen in die elektronische Schaltung zurückgeführt wird. Die Bezugspotenzialfläche 32d-1 besitzt hierbei ein elektrisches Potenzial, welches verschieden ist sowohl von dem elektrischen Potenzial der ersten Flächenanordnung 22d als auch der zweiten Flächenanordnung 24d.

Claims

Mehrlagige Leiterplatte (10) zum elektrisch miteinander Verbinden von auf einer obersten (20-1) von mehreren Leiterplattenlagen (20) angeordneten elektronischen Bauteilen (12), wobei wenigstens eines der Bauteile (12-1) eine sich im Betrieb dieses Bauteils erwärmende Kühlfläche (14) aufweist, die an wenigstens einem Kühlflächenabschnitt (16) dieser Kühlfläche in flächigem Kontakt steht mit einer ein erstes elektrisches Potenzial besitzenden Metallfläche (22-1) der obersten Leiterplattenlage (20-1), wobei eine ein zweites elektrisches Potenzial besitzende Metallfläche (24-1) vorgesehen ist, die in elektrischem Kontakt steht mit wenigstens einem der elektronischen Bauteile (12), wobei wenigstens ein Überlappungsmetallflächenpaar ausgebildet ist, welches gebildet ist aus der das erste elektrische Potenzial besitzenden Metallfläche (22-1) und der das zweite elektrische Potenzial besitzenden Metallfläche (24-1), wobei diese beiden Metallflächen in unmittelbar einander benachbarten der Leiterplattenlagen (20) angeordnet sind und der Überlapp dieser beiden Metallflächen mindestens so groß ist wie der Kühlflächenabschnitt (16).
Mehrlagige Leiterplatte (10) zum elektrisch miteinander Verbinden von auf einer obersten (20-1) von mehreren Leiterplattenlagen (20) angeordneten elektronischen Bauteilen (12), wobei wenigstens eines der Bauteile (12-1) eine sich im Betrieb dieses Bauteils erwärmende Kühlfläche (14) aufweist, die an wenigstens einem Kühlflächenabschnitt (16) dieser Kühlfläche in flächigem Kontakt steht mit einer ein erstes elektrisches Potenzial besitzenden Metallfläche (22-1) der obersten Leiterplattenlage (20-1), wobei eine ein zweites elektrisches Potenzial besitzende Metallfläche (24-1) vorgesehen ist, die in elektrischem Kontakt steht mit wenigstens einem der elektronischen Bauteile (12), wobei die das erste elektrische Potenzial besitzende Metallfläche (22-1) der obersten Leiterplattenlage (20-1) über eine oder mehrere metallische Durchkontaktierungen (28) mit wenigstens einer weiteren ebenfalls das erste elektrische Potenzial besitzenden Metallfläche auf wenigstens einer weiteren der Leiterplattenlagen (20) verbunden ist und/oder die das zweite elektrische Potenzial besitzende Metallfläche (24-1) über eine oder mehrere metallische Durchkontaktierungen (28) mit wenigstens einer weiteren ebenfalls das zweite elektrische Potenzial besitzenden Metallfläche auf wenigstens einer weiteren der Leiterplattenlagen (20) verbunden ist, wobei wenigstens ein Überlappungsmetallflächenpaar ausgebildet ist, welches gebildet ist aus einer der genannten, das erste elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen (22) und einer der das zweite elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen (24), wobei diese beiden Metallflächen in unmittelbar einander benachbarten der Leiterplattenlagen (20) angeordnet sind und der Überlapp dieser beiden Metallflächen mindestens so groß ist wie der Kühl flächenabschnitt (16).
Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kühlfläche (14) eine metallische Kühlfläche ist.
Leiterplatte nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei als das die Kühlfläche (14) aufweisende Bauteil (12-1) ein Leistungsbauteil vorgesehen ist.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als das die Kühlfläche (14) aufweisende Bauteil (12-1) ein Bauteil vorgesehen ist, bei dessen Betrieb an der Kühlfläche (14) steile Spannungsflanken auftreten.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die oder wenigstens eine der das zweite elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen (24) für einen thermischen Kontakt zu einem metallischen Kühlkörper (30) vorgesehen ist.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die oder wenigstens eine der das erste elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen (22) und/oder die oder wenigstens eine der das zweite elektrische Potenzial besitzenden Metallflächen (24) überlappt wird von wenigstens einer Metallfläche (32), die ein sowohl vom ersten elektrischen Potenzial als auch vom zweiten elektrischen Potenzial verschiedenes Potenzial besitzt und in einer unmittelbar benachbarten Leiterplattenlage angeordnet ist, wobei der Überlapp mindestens so groß ist wie der Kühlflächenabschnitt (16).