印制电路板和用于制造印制电路板的方法与流程

本发明涉及一种印制电路板、特别是多功能的大电流印制电路板。本发明还涉及一种用于制造印制电路板的方法。

背景技术：

由现有技术已知印制电路板。在ep3089565a1中说明了一种示例性的印制电路板。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，创造一种经改良的印制电路板，其在能更为有效地散热的同时尤其实现了高的部件密度并且可以省成本地制造。

该技术问题通过一种带有在权利要求1中说明的特征的印制电路板解决。该印制电路板包括导电的外层和至少一个导电的内层。导电的外层和至少一个导电的内层在下文中为简单起见称为外层和至少一个内层。印制电路板此外还具有用于导引大电流的至少一个汇流排和用于控制和/或接通大电流的至少一个功率半导体。至少一个汇流排和至少一个功率半导体布置在外层的背离至少一个内层的侧上。

至少一个汇流排和至少一个功率半导体形成了功率区域。至少一个内层和导电的外层的没有被至少一个汇流排和至少一个功率半导体占用的、即没有配属给功率区域的那些区域，可以用于用来驱控至少一个功率半导体的控制和调整区域。由此能实现印制电路板中和印制电路板上不同的区域和它们的部件、特别是功率部件和控制或调整部件的高度的集成。

功率区域也称为大电流区域。在功率区域中导引大电流、特别是至少200安的大电流。不需要用于导引大电流的厚铜层。由此可以节省材料。此外，控制和调整区域以及特别是至少一个内层和外层都以标准技术制造。这确保了有利于成本的制造。此外，印制电路板与各应用情形、特别是所需的功率级相匹配。为此可以以在标准技术中制造的包括至少一个外层和至少一个内层的多层系统为出发点，使按本发明的印制电路板通过选出合适的汇流排和功率半导体而灵活地与各需求相匹配。因此，尤其可以通过所使用的汇流排的直径、材料和几何形状确定功率级。

至少一个功率半导体尤其是功率开关、特别是功率晶体管，如mosfet或igbt。至少一个功率半导体备选地也可以设计成功率二极管，例如功率led。若存在多个功率半导体，那么不同的功率半导体可以不同地设计。

印制电路板优选具有多个导电的内层。在不同的内层之间和/或在外层和与之相邻的内层之间可以布置有绝缘层，特别是由具有或不具有玻璃纤维组织的fr-4复合材料制成的绝缘层。印制电路板的背离导电的外层的侧可以具有导电的第二外层。必要时也可以在导电的第二外层上布置有汇流排和/或功率半导体。但优选所有的大电流汇流排和所有的功率半导体都布置在同一导电的外层上。

至少一个汇流排和至少一个功率半导体布置在外层的外侧上。优选所有的功率半导体和汇流排、特别优选整个功率区域都布置在导电的外层的外侧上。布置在外侧上的功率部件具有裸露的表面。裸露的表面形成冷却面、特别是裸露的冷却面，由此确保了从功率区域的有效散热。功率区域，例如在传统的厚铜层中，有利地未嵌入印制电路板的内层中，特别是没有嵌入到有低导热率的绝缘层之间。由此不需要昂贵且繁琐的技术方案例如通过热孔、嵌铜或绝热的金属基底来散出热量和/或导出热量。有效的散热提高了印制电路板的使用寿命并且允许了更高的部件密度。

按照本发明的一个方面，至少一个汇流排和/或至少一个功率半导体热联接到冷却元件上。优选整个功率区域都热联接到冷却元件上。热联接尤其可以通过与冷却元件的直接接触来建立。冷却元件例如可以布置在至少一个汇流排的和/或至少一个功率半导体的背离导电的外层的侧上。备选地，冷却元件也可以与功率区域相邻地布置在导电的外层的平面中。在优选的实施方式中，至少一个汇流排和/或至少一个功率半导体可以集成到冷却元件中，由此确保至冷却元件的特别有效且直接的热联接。冷却元件可以被动地设计，例如设计成冷却膏、冷却剂或冷却肋。

冷却元件实现了印制电路板在高要求的温度环境中、特别是在超过150℃的温度环境中的运行。冷却元件此外可以用于对控制和调整区域进行冷却。特别优选的是功率区域被直接冷却并且控制和调整区域被间接冷却。

按照本发明的一个方面，冷却元件适用于主动冷却至少一个汇流排和/或至少一个功率半导体。冷却元件尤其适用于主动冷却整个功率区域。优选地，通过主动冷却也实现了对控制和调整区域的冷却、特别是间接的冷却。主动冷却可以与各应用情形、特别是与印制电路板的功率级相匹配。此外，主动冷却还可以与印制电路板的各运行工况相匹配。主动冷却尤其可以通过水冷和气冷、例如通过风扇实现。

按照本发明的另一个方面，在外层的背离至少一个内层的那侧的区域中布置有至少一个控制电子部件，在所述区域中既没有布置至少一个汇流排也没有布置至少一个功率半导体。至少一个控制电子部件因此在功率区域之外地布置在导电的外层上并且可以是控制和调整区域的一部分。这实现了不同的功能区域在印制电路板上的高度集成。控制和调整区域并不局限于印制电路板的至少一个内层。至少一个控制电子部件可以是表面安装器件(smd)。至少一个控制电子部件尤其可以具有精细蚀刻结构。

按照本发明的一个方面，印制电路板的至少一个内层是薄覆层。薄覆层具有很小的覆层厚度、特别是小于105μm的覆层厚度。在多个内层的情况下，单个的内层可以视需求而定设计成具有直至210μm或更大的覆层厚度的厚铜层。但印制电路板的所有的内层都优选是薄覆层。与具有厚铜层的印制电路板相反的是，仅具有薄覆层的印制电路板可以在标准技术中制造并且有利地制成。

按照本发明的一个方面，至少一个汇流排由铜或铝构成。这些材料被证实尤为适用。基于铜和铝的强导电性，可以选择小的汇流排几何尺寸、特别是小的汇流排直径，由此可以提高集成密度。特别优选的是至少一个汇流排由铜构成。铜是有利的，由此可以将用于印制电路板的生产成本保持得很低。

按照本发明的一个方面，至少一个汇流排具有至少一个接触区段。在至少一个接触区段中，汇流排与外层导电地连接。通过该接触区段能实现大电流直接导入和导出到外层中。至少一个汇流排优选具有多个接触区段。至少一个接触区段可以例如借助贯通插装技术(tht)或螺栓连接件与外层连接。

按照本发明的另一个方面，至少一个接触区段与外层焊接。为此尤为适用的是波浪焊、无缩孔或少缩孔的焊接。优选通过回流焊接来产生焊接连接。这确保了高的经济性，这是因为至少一个汇流排可以同时和其它部件、特别是控制电子部件一起安装在外层上。

外层的没有与汇流排的接触区段或其它部件焊接的区域可以完全地或部分地以阻焊漆层蒙覆。

按照本发明的另一个方面，至少一个接触区段借助压入元件与外层连接。通过该压入元件可以将特别大的总电流导入印制电路板的另外的层、特别是外层，或者从该另外的层导出。

上面提到的不同的连接技术也可以相组合。因此，至少一个接触区段可以借助压入元件与外层连接并且同时与这个外层焊接。不同的接触区段可以通过不同的连接技术与外层连接。连接的方式优选与各应用情形相匹配，例如与有待导入或有待导出的总电流相匹配。

按照本发明的另一个方面，导电的外层在至少一个汇流排的和/或至少一个功率半导体的区域中与和外层直接相邻布置的至少一个内层经由通孔、特别是激光通孔连接。当在该内层和外层之间没有其它导电的内层，而是仅存在绝缘层时，该内层直接与外层相邻。该直接相邻于外层的内层在下文中被称为第一内层。通孔将外层与第一内层特别是在至少一个汇流排的至少一个接触区段的区域中连接起来。通过通孔确保了外层到第一内层的直接的以热和电的方式的连接。因此创造出了一种紧凑的热容。由此可以良好地吸收特别是大且快速的温度起伏。尤其免去了在第一内层和外层之间的阻热层。此外，可以通过外层和第一内层创造出在至少一个汇流排和/或至少一个功率半导体之间的导电的连接。特别优选的是，通孔具有高的安置密度，由此优化了以热和电方式的联接。

按照本发明的另一个方面，至少一个汇流排具有至少一个非接触区段，在非接触区段中汇流排分别与外层间隔开。汇流排尤其在至少一个非接触区段中沿外层的面法线的方向与这个外层间隔开。优选每个汇流排设置有多个非接触区段。特别优选的是，至少一个汇流排具有交替的接触区段和非接触区段。于形成在至少一个汇流排的至少一个非接触区段与外层之间的间隙中可以安装附加的部件和这些附加的部件的电流导引部。这确保了部件在印制电路板上的特别高的集成密度。

按照本发明的另一个方面，在至少一个汇流排的至少一个非接触区段和外层之间布置有emv部件。由此提高了印制电路板与其它设备的电磁兼容性。此外也确保了印制电路板的不同的部件彼此间的、特别是在至少一个汇流排和其它控制电子部件之间的电磁兼容性。例如可以使用电容器或扼流圈作为合适的emv部件。优选在每个非接触区段和导电的外层之间引入emv部件。由此可以使emv部件直接在那些接通大电流的地方起作用。这确保了良好的屏蔽。

按照本发明的另一个方面，印制电路板具有多个汇流排和多个功率半导体。通过在外层上布置多个汇流排和功率半导体，可以形成复杂的拓扑结构。印制电路板和特别是该印制电路板的功率级可以通过汇流排和功率半导体的布置方案而发生变化并且与各应用情形相匹配。这确保了印制电路板的有利且灵活的制造。

按照本发明的另一个方面，至少两个汇流排中通过多个并联的功率半导体连接。功率半导体尤其是功率开关。汇流排的这种连接能将大的总电流拆分成多个分电流。通过接通或切断分电流可以调节总电流的电流强度。

本发明所要解决的另一个问题是，说明一种经改良的、特别是更为有利且更为灵活的用于制造印制电路板的方法。

该技术问题通过带有在权利要求15中说明的步骤的方法解决。首先提供带有导电的外层和至少一个导电的内层的多层系统。外层和至少一个内层可以具有上面已经说明的特性。多层系统可以尤其在标准技术中制造。多层系统是有利的。为了制造印制电路板，在外层的背离至少一个内层的侧上布置至少一个汇流排和至少一个功率半导体。通过选择至少一个汇流排的和至少一个功率半导体的特性可以使印制电路板和特别是该印制电路板的功率级与各应用情形相匹配。尤其可以由汇流排和功率半导体创造出各种拓扑结构。生产因此能灵活地与不同的印制电路板的制造相匹配。

至少一个汇流排可以如上面说明的那样具有至少一个接触区段和至少一个非接触区段。在至少一个接触区段中，至少一个汇流排导电地与外层连接。在至少一个非接触区段中，至少一个汇流排与外层间隔开。

在所述方法的一种优选的实施方式中，在布置至少一个汇流排和至少一个功率半导体之前，在外层的设置用于布置至少一个功率半导体和/或至少一个汇流排的区域中引入通孔、特别是激光通孔。经由通孔使外层与和该外层直接相邻的至少一个内层以电和热的方式联接。通孔尤其在外层的区域中引入，在该区域中，至少一个汇流排的至少一个接触区段导电地与外层连接。

在所述方法的另一个优选的实施方式中，汇流排的和/或功率半导体的至少一个接触区段与外层焊接，特别是通过回流焊接工艺来焊接。这样做的优点是，至少一个汇流排和/或至少一个功率半导体可以同时与另外的smd部件安装到表面上。所述方法是很经济的。

在所述方法的另一个实施方式中，至少一个汇流排的至少一个接触区段通过压入元件与外层连接。

此外，在另一个方法步骤中，emv部件还可以引入到在至少一个汇流排的至少一个非接触区段与印制电路板之间形成的间隙中。此外，冷却元件也可以与至少一个汇流排和/或至少一个功率半导体相邻地布置。

附图说明

本发明的其它的特征、优点和细节由接下来借助附图说明的实施例得出。附图中：

图1是按本发明的印制电路板的一个实施例的横剖面的示意图；

图2是按图1的印制电路板的汇流排和外层的沿剖切棱边ii-ii的纵剖面的示意图；

图3是印制电路板的另一个实施例的横剖面的示意图；

图4示意性示出了印制电路板的另一个实施例的俯视图；以及

图5是用于制造印制电路板的示意性的方法流程。

具体实施方式

在图1和2中示意性示出了印制电路板1的第一实施例。在图1中示出了印制电路板1的横剖面。印制电路板1是大电流印制电路板。印制电路板1包括导电的外层2和布置在印制电路板1的与外层2对置的一侧上的导电的第二外层3。在外层2和第二外层3之间布置着多个导电的内层4。印制电路板1具有四个导电的内层4。内层4被设计成有小于105μm的覆层厚度的薄覆层。

在外层2、3和内层4之间布置着绝缘层5。绝缘层5由fr-4复合材料制成。外层2、3、内层4和绝缘层5形成了多层系统6。该多层系统6可以在标准技术中制造并且因此能有利地制成。该多层系统6用作印制电路板1的基础部件。

在印制电路板1的外层2的背离内层4的那侧上布置着汇流排7、8。汇流排7、8由铜制成。汇流排具有能实现在汇流排7、8中导引大电流的横截面。在汇流排7、8中可以引导超过200安的大电流。

在图1中示出的横截面分别穿过了汇流排7、8的接触区段9。在接触区段9中，汇流排7、8导电地与外层2连接。汇流排8的接触区段9为此与外层2焊接。汇流排7的接触区段9则借助压入元件10与多层系统6连接。通过压入元件10的销钉11建立在汇流排7与外层2以及另外的内层4之间的导电的连接。因此在接触区段9中可以将在汇流排7和8中的大电流的分电流导入多层系统6、特别是导入外层2或者从多层系统导出。

在汇流排7和汇流排8之间布置着功率半导体12。功率半导体12与外层2焊接并且因此导电地与该外层连接。功率半导体12是mosfet。

在功率半导体12的区域和汇流排8的接触区段9的区域中，外层2通过激光通孔13与第一内层14连接。第一内层14是内层4中的如下内层，其与外层2直接相邻，也就是说，仅通过惟一的绝缘层5与这个外层分离。激光通孔13具有高度的安置密度。由此使外层2良好地电连接和热联接到第一内层14上。第一内层14和外层2形成了紧凑的热容。功率半导体12通过外层2和第一内层14与汇流排7、8导电地连接并且可以控制和/或接通在其内引导的大电流。

在外层2的没有被汇流排7、8或功率半导体12占据的区域中布置着控制电子部件15。控制电子部件15被设计成有精细蚀刻结构的smd。

在印制电路板1中因此集成了不同的功能性区域。汇流排7、8和功率半导体12限定功率区域16。外层2和第一内层14的电联接到汇流排7、8和功率半导体12上的区域也属于功率区域16。功率区域16因此基本上布置在外层2的外侧上。印制电路板1的未配属给功率区域16的部件和区域形成控制和调整区域17。控制和调整区域17尤其用于驱控功率半导体12。控制电子部件15是控制和调整区域17的一部分。通过功率区域16在外层2的区域中的紧凑的实施，确保了如控制电子部件15和功率半导体12这样的部件在印制电路板1上的高度集成。

功率区域16具有裸露的表面。裸露的表面用作冷却面，通过该冷却面确保了从功率区域16的有效的散热。

汇流排8、功率半导体12和控制电子部件15通过回流工艺与外层2焊接。这样做的优点是，所有这些部件都可以在唯一的工艺步骤中安装。这在制造印制电路板1时实现了高度的经济性。外层2、3的区域以阻焊漆层涂层，没有部件被焊接到外层的这些区域上。

在图2中示出了印制电路板1的沿图1所示的剖切棱边ii-ii的纵剖面。因为该纵剖面跟随汇流排8的走向，所以在图2中仅示出了印制电路板1的功率区域16的一部分。为简单起见，仅示出了汇流排8、处于该汇流排下方的外层2和绝缘层5，但没有示出多层系统6的其它的层。

汇流排8具有四个接触区段9，在这些接触区段中，汇流排8分别与外层2焊接并因此导电地连接。接触区段9分别彼此相间隔。在两个接触区段9之间分别布置有一个非接触区段18。接触区段9和非接触区段18交替地布置。在非接触区段18中，汇流排8沿外层2的面法线19的方向与这个外层相间隔。因此在非接触区段18和外层2之间形成了间隙20。在每个间隙20中布置着emv部件21。emv部件21被设计成电容器。emv部件21在间隙20中的布置尤其是节省空间的并且允许了部件在印制电路板1上的高度集成。此外，emv部件21实现了对由于大电流在汇流排8中的接通所产生的电磁场的有效屏蔽。印制电路板1具有高的电磁兼容性。

汇流排7具有接触区段9和非接触区段18的等效的交替的布置。在汇流排7的非接触区段18和外层2之间也布置着emv部件。因此汇流排7也与印制电路板的其它的层电磁有效地屏蔽。

在图3中示意性地示出了印制电路板1a的另一个实施例的横剖面。在按图1和2的印制电路板1的背景下已经说明的那些部件使用相同的附图标记。结构上不同、但功能相同的部分则获得了有后缀a的相同的附图标记。

印制电路板1a与印制电路板1的区别首先在于汇流排7a的实施方案。汇流排7a的接触区段9与外层2焊接。激光通孔13a也在汇流排7a的接触区段9的区域中于外层2和第一内层14之间引入。

此外，一个仅示意性示出的冷却元件22与功率区域16a相邻布置。冷却元件22因此热联接到整个功率区域16a上。冷却元件22因此允许了功率区域16a的直接冷却。此外，通过冷却元件22确保了控制和调整区域17a的间接冷却。

冷却元件22被设计成风扇并且主动地对功率区域16a进行冷却。基于冷却元件22，印制电路板1a可以在高要求的温度环境中运行。

除了控制电子部件15外，在第二外层3上还布置有smd23。因此，印制电路板1a相比印制电路板1具有电子部件的再一次提高的集成密度。smd23是控制和调整区域17a的一部分。

在图4中示出了印制电路板1b的另一个实施例的示意性俯视图。在按图1和2的印制电路板1的背景下已经说明的那些部件使用相同的附图标记。结构上不同、但功能上相同的部分获得了带有后缀b的相同的附图标记。

印制电路板1b包括三个布置在外层2上的汇流排24、25、26。汇流排24、25、26分别具有一个压入元件10，通过该压入元件可以导入或导出能在汇流排中引导的大电流。汇流排24与汇流排25通过三个并联的功率半导体12b连接。汇流排25同样通过三个并联的功率半导体12b与汇流排26连接。功率半导体12b是用于对大电流进行接通的功率开关。通过汇流排24、25、26和将它们连接起来的功率半导体12b的布置，在外层2上形成拓扑结构。

汇流排24处在dc+电位，而汇流排26则处在dc-电位。通过功率半导体12b可以分别将在图4中作为箭头示出的分电流27接在汇流排24和25或25和26之间。根据如何接通功率半导体12b，分电流12相加成汇流排24、26中的总电流28。通过功率半导体12b的相应地接通也控制了在汇流排25中流动的大电流。通过功率半导体12b的接通，可以在汇流排25中产生具有ac特性的大电流。

在此示出的拓扑结构不能理解为是限制。在另一些未示出的实施例中，可以由汇流排和功率半导体的合适的组合产生任意的拓扑结构。

在另一些未示出的实施例中，汇流排的至少一些接触区段借助贯通插装技术或通过螺栓连接件与外层导电地连接。在其它一些未示出的实施例中，接触区段通过波浪焊、无缩孔或少缩孔的焊接与外层连接。在另一些实施例中，用于水冷的主动的冷却元件与功率区域相邻地布置。在其它的、另一些实施例中，设置有形式为冷却肋的被动的冷却元件。

在图5中示出了用于制造印制电路板的示意性的方法流程。用在图5中示出的方法可以制造上文说明的实施例的印制电路板。

首先在提供步骤29中提供多层系统。多层系统包括导电的外层和至少一个导电的内层。多层系统的至少一个导电的内层是薄覆层。多层系统以标准技术制造。

接着，在引入步骤30中在外层和直接和与该外层相邻的至少一个内层之间引入高安置密度的激光通孔。激光通孔在如下区域中引入，之后在该区域中将功率半导体和汇流排的接触区段安装到外层上。激光通孔将外层和与之相邻的内层以电和热的方式连接起来。

随后，在布置步骤31中将至少一个汇流排和至少一个功率半导体布置在外层的背离至少一个内层的侧上。在此，至少一个汇流排在至少一个接触区域中导电地与外层连接。在此，至少一个汇流排的至少一个接触区域在外层的区域中导电地连接，于引入步骤30中将激光通孔引入该区域中。在布置步骤31中，至少一个功率半导体还导电地与外层连接。

至少一个汇流排的至少一个接触区段与至少一个功率半导体的连接通过焊接、特别是通过回流焊接工艺实现。在所述方法的备选的实施方式中，至少一个汇流排的至少一个接触区段的连接借助压入元件、螺栓连接件和/或贯通插装技术实现。

之后，在补充步骤32中将另外的部件安装到印制电路板上。此外，emv部件属于所述另外的部件，emv部件在至少一个汇流排的至少一个非接触区域中引入到汇流排和外层之间。此外，可以在补充步骤32中将控制电子部件安装到外层上。在所述方法的备选的实施方式中，控制电子部件同时与至少一个汇流排和至少一个功率半导体通过回流焊接工艺来安装。

在补充步骤32中，也可以安装冷却元件。必要时，冷却元件与至少一个功率半导体和至少一个汇流排相邻地布置，从而至少一个功率半导体和/或至少一个汇流排热联接到冷却元件上。

附图标记列表

1、1a、1b印制电路板

2外层

3第二外层

4内层

5绝缘层

6多层系统

7、7a汇流排

8汇流排

9接触区段

10压入元件

11压入元件10的销钉

12、12b功率半导体

13、13a激光通孔

14第一内层

15在外层2上的控制电子部件

16、16a、16b功率区域

17、17a控制和调整区域

18非接触区域

19外层2的面法线

20间隙

21emv部件

22冷却元件

23在第二外层3上的smd

24汇流排(dc+)

25汇流排(ac)

26汇流排(dc-)

27分电流

28总电流

29提供步骤

30引入步骤

31布置步骤

32补充步骤