DE10203827A1

DE10203827A1 - Leiterplattenanordnung, Leiterplattensystem sowie elektrisches Bauteil

Info

Publication number: DE10203827A1
Application number: DE10203827A
Authority: DE
Inventors: Gerd Kowalewski
Original assignee: P21 GmbH
Current assignee: Kowalewski Gerd 24632 Lentfoehrden De
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: DE10203827C2

Abstract

Es wird unter anderem beschrieben eine Leiterplattenanordnung (10) für mindestens ein elektronisches Bauelement (50), beispielsweise ein Halbleiter-Bauelement, aufweisend wenigstens ein Leiterplattenelement (20), bestehend aus einem Schichtenstapel aus wenigstens einer elektrisch leitenden Schicht und wenigstens einer Isolationsschicht, wobei eine als elektrisch leitende Schicht ausgebildete Außenschicht des Schichtenstapels zur Aufnahme wenigstens eines elektronischen Bauelements (50) ausgebildet ist. Um eine möglichst kompakte und leistungsstarke Leiterplattenanordnung zu schaffen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Leiterplattenelement (20) aus wenigstens zwei Leiterplattensegmenten (30, 40) gebildet ist, daß jedes Leiterplattensegment (30, 40) einen Schichtenstapel (31, 41) aus wenigstens einem Innenleiter (32, 42), wenigstens einem Außenleiter (34, 44) und wenigstens einer dazwischen angeordneten Isolationsschicht (33, 34) aufweist, daß die Leiterplattensegmente (30, 40) miteinander verbunden sind und daß wenigstens ein Außenleiter (34, 44) zur Aufnahme mindestens eines elektronischen Bauelements (50) ausgebildet ist. Die Kontaktierung der elektronischen Bauelemente (50) mit den Innenleitern (32, 42) erfolgt vorzugsweise über entsprechende Kontaktiereinrichtungen (60).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Leiterplattenanordnung mit mindestens einem Halbleiter-Baulelement gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Leiterplattensystem sowie ein elektrisches Bauteil.

Leiterplattenanordnungen bestehen beispielsweise aus einem Leiterplattenelement, welches wiederum aus einem Schichtenstapel aus elektrisch leitenden Schichten und Isolationsschichten besteht. Auf einer Außenschicht des Schichtenstapels ist dann das wenigstens eine Halbleiter-Baulelement angeordnet. Eine solche Leiterplattenanordnung ist beispielsweise in der EP-A 0 376 100 beschrieben. Um die auf der Außenschicht befindlichen Halbleiter-Baulelemente mit den im Leiterplattenelement befindlichen elektrisch leitenden Schichten zu kontaktieren, weist diese bekannte Leiterplattenanordnung eine Anzahl von Bohrungen auf, die in auf der Außenschicht befindliche Montageflächen für die Halbleiter-Baulelemente münden und die die in der Leiterplatte befindlichen flächigen Leiterbahnen der elektrisch leitenden Schichten berühren. Die Bohrungen werden mit einem elektrisch leitenden Material gefüllt, so daß eine elektrische und thermische Kontaktierung zwischen dem Halbleiter-Bauelement und den elektrisch leitenden. Schichten entsteht.

Die bekannte Leiterplattenanordnung weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. So ist diese in ihrer Herstellung zunächst aufwendig, da entsprechende Bohrungen in das Leiterplattenelement eingebracht und anschließend mit einem schmelzflüssigen Medium, beispielsweise einem Lot, aufgefüllt werden müssen. Weiterhin ist bei der bekannten Lösung eine ordnungsgemäße Kontaktierung der Halbleiter-Bauelemente mit den elektrisch leitenden Schichten nicht ohne weiteres gewährleistet, da in dem schmelzflüssigen Medium innerhalb der Bohrungen Fehler wie Gasblasen, Lunker und dergleichen auftreten können.

Aus der EP 0 942 505 ist weiterhin eine Leiterplattenanordnung bekannt, die die Funktion einer Stromverschienung (Bus Bar) hat. Diese Leiterplattenanordnung besteht aus einer Schichtenfolge von jeweils abwechselnd übereinander laminierten Leiterschichten (Stromschienen) und Isolierschichten. Jede Stromschiene ist mit einer Kontaktfahne verbunden, wobei die Kontaktfahnen über entsprechende Ausnehmungen in den Isolierschichten sowie teilweise auch in den anderen Stromschienen nach außen geführt sind. Nachteil diese bekannten Lösung ist jedoch, daß diese zunächst einen komplizierten Aufbau aufweist, insbesondere was das Hindurchführen der Kontaktfahnen durch die einzelnen Schichten betrifft. Weiterhin entstehen bei der bekannten Lösung Probleme in bezug auf das Wärmemanagement, insbesondere im Hinblick auf die gleichmäßige Abfuhr der in der Leiterplattenanordnung entstehenden Wärme.

Darüber hinaus ist bei den bekannten Lösungen nur eine Anordnung von Halbleiter- Baulelementen auf einer Seite der Leiterplattenanordnung vorgesehen, so daß nur eine begrenzte Anzahl von Halbleiter-Bauelementen pro Leiterplattenanordnung sinnvoll möglich ist. Wenn bei der bekannten Lösung eine große Anzahl von Halbleiter-Bauelementen auf der Leiterplattenanordnung plaziert werden soll, müßte die zur Aufnahme vorgesehene Außenschicht eine große Fläche aufweisen, was jedoch wiederum Probleme im Zusammenhang mit der Stromverteilung und der Temperatur mit sich bringen kann.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplattenanordnung bereitzustellen, die bei hoher Stromtragfähigkeit einfach und kostengünstig herstellbar ist. Weiterhin soll ein entsprechend verbessertes Leiterplattensystem sowie ein elektrisches Bauteil bereitgestellt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, das Leiterplattensystem mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 10 sowie das elektrische Bauteil mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12. Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Leiterplattenanordnung beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch für das Leiterplattensystem und/oder das elektrische Bauteil, und jeweils umgekehrt.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Leiterplattenanordnung für ein elektronisches Bauelement bereitgestellt, aufweisend wenigstens ein Leiterplattenelement, bestehend aus einem Schichtenstapel aus wenigstens einer elektrisch leitenden Schicht und wenigstens einer Isolationsschicht, wobei eine als elektrisch leitende Schicht ausgebildete Außenschicht des Schichtenstapels zur Aufnahme wenigstens eines elektronischen Bauteils ausgebildet ist. Die Leiterplattenanordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterplattenelement aus wenigstens zwei Leiterplattensegmenten gebildet ist, daß jedes Leiterplattensegment einen Schichtenstapel aus wenigstens einem Innenleiter, wenigstens einem Außenleiter und wenigstens einer dazwischen angeordneten Isolationsschicht aufweist, daß die Leiterplattensegmente miteinander verbunden sind und daß wenigstens ein Außenleiter zur Aufnahme mindestens eines elektronischen Bauelements ausgebildet ist.

Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Typen von elektronischen Bauelementen beschränkt. Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, können die elektronischen Bauelemente in Form von Halbleiter-Bauelementen ausgebildet sein. Beispielsweise kann es sich hierbei um Bauelemente für Leistungshalbleiterstufen handeln, etwa Transistoren wie MOSFET-Transistoren und dergleichen. Wenn es sich bei den Halbleiter-Bauelementen beispielsweise um Niedervolt-MOSFET-Transistoren handelt, ist dies aufgrund des niedrigen Impedanzniveaus besonders vorteilhaft. Diese Form elektronischer Bauelemente wird im weiteren Verlauf der Beschreibung an einigen Stellen näher erläutert, ohne daß die Erfindung auf diese speziellen Ausgestaltungsformen beschränkt wäre.

Über die erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung wird es möglich, elektronische Bauelemente, die mit der Leiterplattenanordnung verbunden sind oder werden, auf einfache Weise mit elektrischer Energie zu versorgen. Gleichzeitig kann die entstehende Wärme besonders einfach und vor allem gleichmäßig abgeführt werden.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß nunmehr wenigstens zwei Leiterplattensegmente vorgesehen sind, die auf besondere Art und Weise miteinander verbunden sind. Auf diese Weise können hier, im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung wesentlich mehr elektronische Bauelemente auf der Leiterplattenanordnung realisiert werden, was eine erhöhte Stromtragfähigkeit und eine höhere Leistung durch verbesserten Stromwärmetransport als bisher ermöglicht.

Die Leistungsfähigkeit eines als Halbleiter-Bauelement ausgebildeten elektronischen Bauelementes auf einer Leiterplatte wird durch die beim Betrieb entstehende Stromwärme, die zulässige Grenztemperatur des Halbleiterkristalls, sowie die vom Bauelement selbst und über die Montagefläche und elektrischen Anschlüsse an die Umgebung abgeleiteten Wärmeströme bestimmt.

Neben diversen Grenzflächeneffekten begrenzen selbst beste Wärmeleitermaterialien (z. B. Kupfer) als Montageflächen, mit einer materialspezifischen (masse- b. z. w. volumenbezogenen, spezifischen) Wärmeleitfähigkeit den Stromwärmetransport in das Festkörpervolumen unter der Montagefläche. Eine Vergrößerung der effektiven Querschnittsflächen A eines am Stromwärmetransport beteiligten Leitungsvolumens V reduziert daher die flächenbezogene Wärmestromdichte dQ/dA für einen entstehenden Wärmestrom dQ/dt.

Die erfindungsgemäße Leiteranordnung im Raum erlaubt die wirtschaftliche Realisierung elektrischer und thermischer Leitungsstrukturen für elektronische Bauelemente in größeren Arraylösungen auf hohen Leistungsniveau. Ein Array zeichnet sich dadurch aus, daß es vorteilhaft eine Anzahl von elektronischen Bauelementen aufweist, die größer, insbesondere sehr viel größer als Zwei ist.

Dabei teilt sich ein Gesamt-Wärmestrom über alle Einzelhalbleiter des Arrays in viele Teilwärmeströme auf. Wegen der größeren Summe der effektiven Querschnittsflächen A der an der Stromwärmeableitung der Einzelhalbleiter beteiligten Leitungsvolumina in die Montagegrundplatte ergibt sich eine reduzierte Wärmestromdichte dQ/dA für den Einzelhalbleiter, was zu einer geringeren thermischen Beanspruchung des Einzelhalbleiters im Array führt.

Mit der erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung lassen sich durch einige Details in der Ausgestaltung auch sehr große, nahezu beliebig skalierbare Arrays aus Leistungshalbleitern reproduzierbar realisieren.

Durch die Ausgestaltung der Leiterplattensegmente im Raum, als möglichst induktionsarme, symmetrische Anordnungen, mit kurzwegiger, sehr niederimpedanter Anschlußkontaktierung der einzelnen Halbleiterelelemente, können unterschiedliche Signallaufzeiten der Verschaltung innerhalb der Arrayausdehnung minimiert, ein taktgenaues Schaltverhalten, als zwingende Voraussetzung für eine korrekte elektrische Funktion identischer Einzelelemente in großen Arrays, weitgehend sichergestellt werden. Dies wird im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert.

Eine gleichmäßige Stromverteilung des Array-Gesamtstromes auf die Einzelelemente ist nur für eine sehr gleichmäßige Temperierung von Einzelhalbleitern gleichen Typs innerhalb eines Arrays erzielbar. Durch die Versatzmontage der Einzelhalbleiter auf Vor- und Rückseite des Leiterplattensegmentes, auf jeweils einem sehr guten Wärmeleiter, werden die Temperaturunterschiede im Array nivelliert, die exponentiell temperaturabhängigen Kanalwiderstände, und damit entsprechend die Laststromaufteilung, einander angenähert.

Die wesentlich vergrößerten für die Halbleitermontage zur Verfügung stehenden Oberflächen liefern zudem erheblich günstigere Bedingungen für eine Konvektionskühlung. Sonst zusätzlich erforderliche Kühlkörper können hierdurch gegebenenfalls. kleiner dimensioniert werden oder können, je nach Betriebsart, nun völlig entfallen.

Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Leiterplattenelementen pro Leiterplattenanordnung sowie eine bestimmte Anzahl von Einzelschichten pro Leiterplattensegment beschränkt. Ein Leiterplattensegment besteht in seiner einfachsten Ausgestaltungsform aus einem Innenleiter, einem Außenleiter sowie einer dazwischen angeordneten Isolationsschicht. Natürlich sind auch Ausgestaltungen denkbar, in denen jeweils mehr als ein Innenleiter und/oder mehr als ein Außenleiter und/oder mehr als eine Isolationsschicht vorgesehen ist.

Weiterhin besteht das Leiterplattenelement zumindest aus zwei Leiterplattensegmenten, die wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind. Selbstverständlich kann das Leiterplattenelement auch mehr als zwei Leiterplattensegmente aufweisen.

Wichtig ist lediglich, daß die Leiterplattensegmente miteinander verbunden sind. Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die Leiterplattensegmente über jeweils eine ihrer Innenleiterschichten direkt miteinander verbunden sind. Eine dadurch entstehende doppellagige Innenlage von Innenleiterschichten kann dadurch vorteilhaft zwei, je einer Oberfläche zugewandte, flächige Leiterstrukturen ausbilden, die sich, etwa für Eintakt-Topologien und Gegentakt-Topologien mit Mittelanzapfung der Last, vorteilhaft innen auf gleichem elektrischen Potential vollflächig berühren. Es ist jedoch auch denkbar, daß die Leiterplattensegmente über jeweils eine ihrer Innenleiterschichten indirekt miteinander verbunden sind, indem zwischen den Innenleiterschichten wenigstens eine weitere Isolationsschicht vorgesehen ist. Eine derartige Separation der Innenleiterschichten ist beispielsweise für andere Schaltungstopologien durchaus denkbar.

Weiterhin müssen die Leiterplattensegmente zumindest einen Außenleiter aufweisen, auf dem das wenigstens eine elektronische Bauelement angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung bildet in der wie vorstehend beschriebenen Ausgestaltung beispielsweise eine Leiterstruktur in Form einer Multilayer-Kombination aus vorzugsweise zwei Außenleitern auf den Außenlagen sowie vorzugsweise einer Doppellage von Innenleitern sowie zwei jeweils dazwischen befindlichen Isolationslagen. Diese Leiterplattenanordnung ist um die beidseitige Bestückung mit elektronischen Bauelementen, beispielsweise Leistungshalbleitern, auf den als Außenlagen fungierenden Außenleitern ergänzt.

Zur Herstellung einer derartigen Leiterplattenanordnung kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die einzelnen Schichten zunächst separat hergestellt und anschließend zu den Leiterplattenelementen zusammengestellt werden, die schließlich zur Leiterplattenanordnung zusammengefügt werden. Die Verbindung der einzelnen Schichten kann mittels eines Laminierverfahrens, Klebeverfahrens, Sinterverfahrens, Lötverfahrens, Schweißverfahrens und dergleichen realisiert werden. Natürlich ist es auch denkbar, daß einzelne Schichten, beispielsweise die Innenleiterschichten und die Isolationsschichten als ein einziges Bauteil ausgeführt sind, wobei dieses Bauteil anschließend um den wenigstens einen Außenleiter ergänzt wird. Die Doppellage an Innenleiterschichten und Isolationsschichten kann somit vorteilhaft als ein einziges Bauteil, als flexible Leiterplatte als starrflexible Kombination oder dergleichen ausgeführt werden. Die äußeren Leiterflächen (Außenleiter) können in einem solchen Fall ebenfalls flexibel ausgeführt werden.

Durch ein weiteres Hinzufügen zusätzlicher starrer Außenleiterflächen auf gleichem elektrischem Potential, läßt sich die thermische Wärmeleitfähigkeit gegenüber einer flexiblen Leiterplatte alleine noch erheblich steigern.

Von besonderem Vorzug bei der erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung ist insbesondere, daß sich eine Skalierbarkeit der Anordnung über die Anzahl der - insbesondere parallel geschalteten - elektronischen Bauelemente unter Beibehaltung identischer Leiterlängen im Lastkreis für die Zentralableitungen ergibt.

Als weiterer Vorzug können bei der erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung Treibermodule für die elektronischen Bauelemente, beispielsweise für Halbleiter- Bauelemente, sehr vorteilhaft - mit den kürzest möglichen Leitungslängen zu den elektronischen Bauelementen - direkt oberhalb der elektronischen Bauelemente montiert werden. Nicht ausschließliche Beispiele hierfür werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.

Im Gegensatz zu integrierten Leistungsmodulen, mit der generellen Problematik einer Konzentration der entstehenden Stromwärmeleistungen auf eine sehr kleine Montagefläche, sowie mit der Notwendigkeit, über die begrenzten Wärmeleitungsfähigkeiten selbst bester Wärmeleiter, die Elementekühlung durch den Wärmetransport sehr leistungsfähiger Kühlsysteme sicherstellen zu müssen, reduziert die erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung die Wärmestromdichte schon im Ansatz und entschärft dadurch dieses Problem erheblich.

Vorteilhaft kann das Leiterplattenelement aus zwei Leiterplattensegmenten gebildet sein, wobei das Leiterplattenelement einen symmetrischen Aufbau aufweist. Durch diesen symmetrischen Aufbau des Leiterplattenelements aus zwei identisch aufgebauten Leiterplattensegmenten werden die weiter oben beschriebenen Vorteile der Leiterplattenanordnung noch besser erreicht. Dies gilt insbesondere für die erfindungsgemäß erzielbare gleichmäßige Stromverteilungsstruktur, die erzielbaren gleichmäßigen Stromaufzeiten sowie die erreichbaren gleichmäßigen Temperaturcharakteristika.

Wenn die beiden Leiterplattensegmente über zwei ihrer Innenleiterschichten direkt miteinander verbunden sind, bildet die in diesem Fall doppellagige Struktur aus zwei Innenleitern dabei vorteilhaft zwei, je einer Oberfläche des Leiterplattenelements zugewandte, flächige Leiterstrukturen aus, die sich vorteilhaft für Eintakt-Topologien und Gegentakt-Topologien mit Mittelanzapfung der Last, innen auf gleichem elektrischem Potential flächig berühren.

Die im Falle eines symmetrischen Aufbaus zusätzlich gegebene Axial-Symmetrie gewährleistet darüber hinaus gleiche Signallaufzeiten im Leitungssystem des Laststromkreises. Außerdem wird dadurch sichergestellt, daß die oft durch Parasitäreffekte zusätzlich beeinflußten Schaltzeitpunkte der einzelnen elektronischen Bauelemente hier nahezu gleich sind, eine identische Treiberansteuerung vorausgesetzt. In der Folge wird ein gleichmäßiges Schaltverhalten innerhalb des gesamten Arrays aus elektronischen Bauelementen sichergestellt.

In weiterer Ausgestaltung kann das Leiterplattenelement eine planare Struktur mit planaren Einzelschichten aufweisen. Derartige Einzelschichten lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise herstellen. Wenn es sich bei den elektronischen Bauelementen um Transistoren handelt, ist gerade die niedrige Impedanz einer induktionsarmen Planarleiter-Verschienung von Drain und Source bei Hochstromanwendungen für die Beherrschung von Überspannungen äußerst wichtig.

Vorteilhaft können die Innenleiter und/oder die Isolationsschichten der Leiterplattensegmente flexibel ausgebildet sein. In diesem Fall können die Innenleiter und die Isolationsschichten als sogenannte "flexible Leiterplatte" ausgebildet sein.

Die Erfindung ist auf nicht bestimmte Materialien für die Innenleiter beschränkt. Wichtig ist lediglich, daß die Innenleiter aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder dergleichen hergestellt sind.

Ebenso ist die Erfindung nicht auf bestimmte Materialien für die Isolationsschichten beschränkt. Wichtig ist lediglich, daß die Materialien elektrisch isolierend wirken. Beispielsweise können die Isolationsschichten aus FR4-Material, Silikon/Glasgewebe, als Polyamid-Folie, Teflon-Folie, Kapton-Folie, Polystyrol-Folie oder anderen elektrischen Isolationsmaterialien hergestellt sein. Besonders vorteilhaft weisen die Isolationsmaterialen darüber hinaus eine gute thermische Leitfähigkeit auf.

Auch die Außenleiter können flexibel ausgebildet sein. Vorteilhaft sind die Außenleiter jedoch starr ausgebildet, so daß diese starre Außenlagen der Leiterplattenelemente und damit der gesamten Leiterplattenanordnung bilden. Die Außenleiter sind wiederum vorteilhaft aus elektrisch gut leitfähigem Material wie Kupfer, Aluminium oder dergleichen ausgebildet.

Vorteilhaft kann die Leiterplattenanordnung eine Anzahl von N Leiterplattenelementen aufweisen, wobei N größer/gleich 2 ist. In Erweiterung einer doppelten Leiterstruktur, bei der ein aus Leiterplattensegmenten gebildetes Leiterplattenelement vorgesehen ist, kann bei Verwendung von mehr als zwei Leiterplattenelementen auch eine mehrarmig, räumlich aufgefächerte Leiterplattenanordnung erzielt werden.

Dabei können die Leiterplattenelemente vorteilhaft miteinander verbunden sein, wobei die Erfindung nicht auf bestimmte Verbindungsarten beschränkt ist. Beispielsweise ist es denkbar, daß die einzelnen Leiterplattenelemente verschraubt, verschränkt, vernietet, verschweißt werden oder dergleichen.

Besonders vorteilhaft kann die Leiterplattenanordnung drei Leiterplattenelemente aufweisen, wobei die Leiterplattenelemente vorzugsweise sternförmig miteinander verbunden sind.

Die vorzugsweise starren Außenleiter liefern hierbei einen vorteilhaften Mehrfachnutzen. Zunächst ist es möglich, hierdurch eine mechanisch selbsttragende Struktur zu schaffen, so daß andere Tragstrukturen entbehrlich werden. Weiterhin können die Außenleiter als planare Stromleiter für eine elektrisch und thermisch günstige direkte Gehäusekontaktierung der elektronischen Bauelemente bei hohen Strömen und Leistungen genutzt werden. Darüber hinaus kann eine derartige Anordnung der Leiterplattenelemente als ein dem thermischen Management der elektronischen Bauelemente dienendes System zur flächigen Stromverteilung und Wärmeleitung innerhalb der Gesamtstruktur dienen. Schließlich ist auch eine Konvektionskühlung durch die umgebende Luft, oder aber die Weiterleitung von Stromwärme an ein dafür vorgesehenes Kühlsystem möglich.

Durch die auf der Vor- und Rückseite eines jeden Schenkels - beispielsweise in Versatzanordnung verteilt - angeordneten elektronischen Bauelemente werden Spitzentemperaturen bestmöglich vermieden, da die Temperaturunterschiede im gesamten Array möglichst nivelliert werden. Wenn die elektronischen Bauelemente als Halbleiter-Bauelemente, etwa als MOSFET-Transistoren ausgebildet sind, hat dies wiederum einen günstigen Effekt auf den exponentiell von der Temperatur abhängigen Kanalwiderstand eines jeden MOSFETs, für den neben der Maskengeometrie und dem Herstellungsprozeß stets die temperaturabhängige Ladungsträgerbeweglichkeit eine entscheidende Rolle spielt. Eine gleichmäßige Thermik im Array ist daher sehr wichtig für die gleichgewichtete Verteilung des gesamten Laststroms auf die Kanalwiderstände aller Halbleiter-Bauelemente.

Die vergleichsweise großen Flächen der sternförmig angeordneten Leiterplattenelemente, insbesondere die großen Flächen der vorteilhaft starr und massiv ausgebildeten Außenleiter, übernehmen darüber hinaus auch sehr gut die Funktion eines Kühlkörpers, über den die in den elektronischen Bauelementen entstehende Wärme abgeführt werden kann.

Die mechanische Struktur ist bei drei Leiterplattenelementen, die sternförmig ausgerichtet sind, wobei die einzelnen Schenkel jeweils einen Winkel von 120° einschließen, und die miteinander verbunden sind, auch für in axialer Richtung längere Geometrien selbsttragend.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Leiterplattensystem für wenigstens ein elektronisches Bauelement bereitgestellt, das erfindungsgemäß aus zwei oder mehr wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnungen besteht. Auf diese Weise können beliebig große und konturierte Netzwerke von Leiterplattenanordnungen realisiert werden.

Vorteilhaft sind die Leiterplattenanordnungen über Zentralableitungen parallel geschaltet. Dabei kann die Parallelschaltung vorzugsweise durch Zentralableitungen mit gleichen Leitungsweglängen in elektrischer Symmetrie realisiert sein. Mit Parallelschaltungen mehrerer Leiterplattenanordnungen, insbesondere wenn diese wie weiter oben beschrieben sternförmig ausgebildet sind, können vorteilhaft - wiederum unter Berücksichtigung der Symmetriebedingungen für die Ableitungen und Ansteuerungen - auch sehr große "Mega-Arrays" von elektronischen Bauelementen gebildet werden, die sich dann entsprechend auch für Anwendungen mit sehr hohen Lastströmen eignen.

Die wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung beziehungsweise das erfindungsgemäße Leiterplattensystem ermöglicht beispielsweise die vergleichsweise einfache Realisierung größerer Halbleiter-Arrays auch für die Anwendung in elektronischen Leistungsstufen in Eintakt-, Gegentakt- oder Brücken-Toplogien durch die aufbaubedingte Beherrschung einiger thermischer und elektrischer Schlüsselparameter. Dazu sind die Leiterplattenanordnungen vorzugsweise sternförmig, aus in den Raum erhobenen, doppelten Planarleiter- Strukturen gebildet. Bei diesen Planarleiter-Strukturen handelt es sich um aus jeweils zwei Leiterplattensegmenten ausgebildete Leiterplattenelemente.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein elektrisches Bauteil bereitgestellt, mit einer wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung oder einem wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Leiterplattensystem, wobei auf wenigstens einem Außenleiter wenigstens ein elektronisches Bauteil angeordnet ist. Das elektronische Bauteil kann vorteilhaft als Halbleiter-Bauelement in der weiter oben beschriebenen Form ausgebildet sein. Besonders bevorzugt kann auf dem Außenleiter ein Array elektronischer Bauelemente angeordnet sein.

Vorzugsweise kann in einem Leiterplattenelement wenigstens ein elektronisches Bauelement auf dem Außenleiter eines Leiterplattensegments wechselseitig versetzt (interleave) zu wenigstens einem elektronischen Bauelement auf dem Außenleiter eines mit diesem Leiterplattensegment verbundenen, anderen Leiterplattensegments angeordnet sein. Damit können die insgesamt zur Verfügung stehenden Montageflächen optimal ausgenutzt werden. Vorteilhaft kann dabei insgesamt eine gerade Anzahl von elektronischen Bauelementen vorgesehen sein. Diese Anordnung der elektronischen Bauelemente sorgt vorteilhaft für eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Leiterplattenelements, mit einer gewissen Nivellierung der lokalen Temperaturminima und -maxima.

In weiterer Ausgestaltung kann in einem Leiterplattenelement wenigstens ein elektronisches Bauelement über eine Kontaktiereinrichtung mit einem Innenleiter des Leiterplattensegments verbunden sein. Wenn es sich bei dem elektronischen Bauelement um einen Transistor handelt, kann der Innenleiter die Source für den Transistor darstellen. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Typen von Kontaktiereinrichtungen beschränkt. Vorzugsweise wird eine kurze und/oder breite und/oder äußerst niederimpedante und/oder innerhalb eines Leiterplattenelements identisch ausgeführte Anschlußkontaktierung bezüglich der - insbesondere baugleichen - elektronischen Einzelbauelemente realisiert.

Nachfolgend werden einige nicht ausschließliche Beispiele für geeignete Kontaktiereinrichtungen beschrieben. So ist es beispielsweise denkbar, daß die Kontaktiereinrichtung eine mit dem Innenleiter zumindest teilweise verbundene Kontaktierfahne aufweist. Damit gelingt eine sehr gleichmäßige, äußerst niederimpedante Kontaktierung der vielfach parallel geschalteten elektronischen Bauelemente, beispielsweise der Halbleiter-Bauelemente des Arrays mit dem Lastkreis. Dabei sind minimale und besonders vorteilhaft identische Leiterlängen zwischen den Innenleitern und den elektronischen Bauelementen möglich, womit einige wichtige Voraussetzungen, die weiter oben bereits erläutert wurden, für die Funktion und Beherrschbarkeit auch größerer Arrays aus elektronischen Bauelementen in Hochstromkreisen erreicht werden können.

Vorteilhaft wird durch die Ausgestaltung der Kontaktiereinrichtung in Form einer Kontaktierfahne eine breitflächige, induktionsarme Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse der elektronischen Bauelemente realisiert. Bei diesen Anschlüssen kann es sich beispielsweise um Kontaktierstifte oder dergleichen handeln. Ebenso ist es natürlich auch denkbar, daß die elektronischen Bauelemente in einem entsprechenden Gehäuse integriert sind und daß die Kontaktierung über das Gehäuse erfolgt.

Die Kontaktierfahne kann beispielsweise aus dem Innenleiter ausgestanzt sein, wobei die Kontaktierfahne vorteilhaft an drei Kanten aus dem Innenleiter ausgestanzt beziehungsweise ausgeschnitten ist. An einer vierten Kante kann die Kontaktierfahne über eine Biegelinie weiterhin mit dem Innenleiter verbunden sein, wodurch die Kontaktierfahne nach außen in Richtung der elektronischen Bauelemente umgebogen werden kann. In anderer Ausgestaltung ist es denkbar, daß die Kontaktierfahne als seitlich über den Innenleiter überstehende Kontaktierzunge beziehungsweise Kontaktierlasche ausgebildet ist. Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungsformen für die Kontaktierfahne möglich.

In vorteilhafter Ausgestaltung kann die wenigstens eine Isolationsschicht eine Ausnehmung zum Hindurchführen der Kontaktiereinrichtung aufweisen. Bei einer solchen Ausnehmung kann es sich beispielsweise um eine am Rand befindliche Aussparung oder um ein in der Isolationsschicht befindliches Loch beziehungsweise einen Durchbruch handeln. Ähnliche Ausnehmungen können je nach Ausgestaltung der Außenleiter auch in diesen vorgesehen sein. Die Ausnehmungen haben die Aufgabe, die vom Innenleiter abführende Kontaktierfahne durch die Isolationsschicht und/oder den Außenleiter hindurchzuführen, damit diese anschließend mit dem elektronischen Bauelement verbunden werden kann. Je nach Ausgestaltung der Isolationsschicht und/oder des Außenleiters und/oder der Kontaktierelemente des elektronischen Bauelements kann es auch vorgesehen sein, daß die Kontaktierfahnen völlig außerhalb der Begrenzungslinien dieser Einzelschichten vorbeigeführt werden, so daß in einem solchen Fall keinerlei Ausnehmung erforderlich ist.

Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung beziehungsweise das erfindungsgemäße Leiterplattensystem lassen sich besonders bevorzugt für den gepulsten Kurzschlußbetrieb leistungsfähiger Brennstoffzellen- Stacks innerhalb eines elektronischen Ansatzes zur Regeneration des Brennstoffzellen-Stacks nach Kohlenmonoxidvergiftungen einsetzen.

In einer Brennstoffzelle, beispielsweise einer PEM-Brennstoffzelle, wird durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Dabei wird ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff aus der Luft, in elektrische Energie und ein Reaktionsprodukt, wie beispielsweise Wasser, umgewandelt. Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einem Anodenteil, einer Membran (Elektrolyt) und einem Kathodenteil. Die Membran besteht aus einem gasdichten und protonenleitenden Material und ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, um Ionen auszutauschen. Auf der Seite der Anode wird der Brennstoff zugeführt, während auf der Seite der Kathode das Oxidationsmittel zugeführt wird. An der Anode werden durch katalytische Reaktionen Protonen, beziehungsweise Wasserstoffionen, erzeugt, die sich durch die Membran zur Kathode bewegen. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff, und es bildet sich Wasser. Die bei der Reaktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten.

Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Brennstoff wie Erdgas, Methanol, Benzin, Diesel oder dergleichen betreiben, muß man den Kohlenwasserstoff in einer Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Dabei wird dieses im wesentlichen zu Wasserstoff und Kohlendioxid zersetzt. Weiterhin entsteht ebenfalls Kohlenmonoxid, das ein für die Brennstoffzelle schädliches Gas darstellt, da es den Katalysator auf der Anodenseite unwirksam macht und deshalb vor Eintritt des Brennstoffs in die Brennstoffzelle entfernt werden muß.

In der Brennstoffzelle kann das Kohlenmonoxid, aber auch andere für die Brennstoffzelle schädliche Stoffe, ab einer bestimmten Konzentration dazu führen, daß sich die von der Brennstoffzelle abgegebene Leistung verringert und folglich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle stark reduziert wird.

Um eine solche schädliche Einflußnahme von Kohlenmonoxid auf die Brennstoffzelle zu verhindern, ist in der WO 98/42038 eine Brennstoffzelle beschrieben, bei der Leistungseinbußen auf Grund von am Anodenkatalysator absorbierten Verunreinigungen vermieden werden sollen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Brennstoffzelle mit Mitteln verbunden ist, die der Anode der Brennstoffzelle einen positiven Spannungspuls aufprägen. Durch die Aufprägung des Spannungspulses wird eine pulsförmige Änderung des Anodenpotentials bewirkt. Durch diese pulsförmigen Änderungen des Anodenpotentials wird erreicht, daß das in der Brennstoffzelle befindliche Kohlenmonoxid oxidiert wird (Entgiftung der Brennstoffzelle). Bei einem Bestandteil dieser Mittel zum Aufprägen positiver Spannungspulse kann es sich um die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung beziehungsweise das erfindungsgemäße Leiterplattensystem als struktureller Basis eines sehr leistungsfähigen Schalthalbleiter-Arrays handeln.

Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer, perspektivischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Leiterplattenelement;
Fig. 2 in schematischer Querschnittsansicht das erfindungsgemäße Leiterplattenelement gemäß Fig. 1;
Fig. 3 in schematischer, perspektivischer Ansicht eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung mit Halbleiter-Bauelementen;
Fig. 4 in schematischer Querschnittsansicht die Leiterplattenanordnung mit Halbleiter-Bauelementen gemäß Fig. 3;
Fig. 5 in schematischer, perspektivischer Ansicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung mit Halbleiter-Bauelementen;
Fig. 6 verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten von Leiterplattenanordnungen;
Fig. 7a bis 7d verschiedene Ausgestaltungsvarianten von Leiterplattensystemen bestehend aus einer Anzahl von Leiterplattenanordnungen; und
Fig. 8 bis 11 verschiedene Schaltungstoplogien mit erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnungen.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Leiterplattenelement 20 dargestellt, das zur Aufnahme von elektronischen Bauelementen, im vorliegenden Fall von Halbleiter-Bauelementen (nicht dargestellt) dient. Das Leiterplattenelement 20 besteht aus zwei Leiterplattensegmenten 30 und 40. Das Leiterplattensegment 30 weist einen Schichtenstapel 31 aus planaren Einzelschichten auf. Bei den Einzelschichten handelt es sich um einen Innenleiter 32, eine Isolationsschicht 33 sowie einen Außenleiter 34. Ebenso besteht das Leiterplattensegment 40 aus einem Schichtenstapel 41 mit einem Innenleiter 42, einer Isolationsschicht 43 sowie einem Außenleiter 44.
Die beiden Leiterplattensegmente 30 und 40 sind über die Innenleiter 32 und 42 miteinander verbunden. Dabei weist das Leiterplattenelement 20 einen symmetrischen Aufbau auf. Diese Symmetrie ist im vorliegenden Beispiel in bezug auf die Schichtenfolge, die vorzunehmende Bestückung mit Halbleiter- Bauelementen, in bezug auf die Anschlüsse der einzelnen Halbleiter-Bauelemente innerhalb eines Leiterplattensegments und in bezug auf die Rotationssysmmetrie um eine Symmetrieachse X-X' (siehe Fig. 5) gegeben.
Das Leiterplattenelement 20 bildet eine doppelte, planare Leiterstruktur in Form einer Multilayer-Kombination aus vorzugsweise zwei starren Leitern auf den Außenlagen (Außenleiter 34, 44) und vorzugsweise einer Doppellage flexibler Folienleiter (Innenleiter 32, 42). Die Außenleiter dienen sowohl als Stromleiter als auch als Stromwärmeleiter. Die Innenleiter 32, 42 können je nach Realisierung verschiedener Schaltungstopologien direkt miteinander verbunden sein. In diesem Fall bildet die doppellagige Folieninnenlage zwei, je einer Oberfläche zugewandte, flächige Leiterstrukturen aus, die sich, beispielsweise für Eintakt-Topologien oder Gegentakt- Topologien mit Mittelanzapfung der Last, vorteilhaft innen auf gleichem elektrischem Potential vollflächig berühren. Ebenso ist es denkbar, daß die Innenleiter 32, 42 durch wenigstens eine weitere Isolier-Zwischenlage (nicht dargestellt) voneinander separiert sind.
Sowohl die Außenleiter als auch die Innenleiter sind vorteilhaft aus Kupfer gebildet. Zwischen den Leiterschichten befinden sich als Innenlagen jeweils zwei Isolationsschichten 33, 43, die beispielsweise aus FR4-Leiterplatten oder anderen elektrischen Isolationsmaterialien gebildet sind. Die Isolationsschichten 33, 43 weisen weiterhin vorzugsweise eine gute thermische Leitfähigkeit auf.
Die innere Leiterdoppellage und die inneren Isolationslagen können hierbei vorteilhaft auch als ein einziges Bauteil, als sogenannte flexible Leiterplatte, als starrflexible Kombination oder dergleichen ausgeführt werden. In diesem Fall können die Außenleiter 34, 44 dann ebenfalls flexibel ausgeführt sein. Die flexiblen Leiter können beispielsweise als Laminate ausgebildet sein. Ebenso kann vorteilhaft vorgesehen sein, daß die Außenleiter 34, 44 als starre Außenleiter ausgebildet sind. Eine solche Ausgestaltungsform wird im weiteren Verlauf beispielhaft beschrieben. Natürlich ist es auch denkbar, daß neben einem flexiblen Außenleiter noch eine weitere, zusätzliche starre Außenleiterfläche auf gleichem elektrischem Potential hinzugefügt wird, wodurch sich die thermische Wärmeleitfähigkeit gegenüber der flexiblen Außenleiterplatte alleine weiter steigern läßt.
Das Leiterplattenelement 20 gemäß den Fig. 1 und 2 wird anschließend zur Ausnutzung der insgesamt zur Verfügung stehenden Montagefläche auf den - vorzugsweise starren - Außenleitern 34, 44 beidseitig mit Halbleiter-Bauelementen 50 bestückt, wie dies im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Bei den Halbleiter-Bauelementen handelt es sich beispielsweise um Leistungshalbleiter. Dabei weist das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Leiterplattenelement 20 einen identischen Aufbau wie das in den Fig. 1 und 2 beschriebene Leiterplattenelement 20 auf, so daß identische Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind und zum Grundaufbau des Leiterplattenelements 20 auf die obigen Ausführungen bezug genommen und hiermit verwiesen wird.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 und 4 wird vorzugsweise von einer wechselseitigen Versatzanordnung (Interleave) der Bestückung mit Halbleiter- Bauelementen 50 auf den jeweiligen Außenleitern 34, 44, mit einer geraden Anzahl von Halbleiter-Bauelementen insgesamt, Gebrauch gemacht. Diese Anordnung der Halbleiter-Bauelemente 50 sorgt für eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Arrays aus Halbleiter-Bauelementen 50 beziehungsweise innerhalb des Leiterplattenelements 2D, mit einer gewissen Nivellierung der lokalen Temperaturmaxima und -minima über die Ortskoordinate der Längsachse L (Skalierungsachse) des planaren Halbleiterarrays.
Im Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 und 4 ist das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Leiterplattenelement 20 unter Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Montagefläche beidseitig mit Halbleiter-Bauelementen 50 auf den vorzugsweise starren Außenleitern 34, 44 bestückt. Die Halbleiter-Bauelemente sind als sogenannte MOSFET-Transistoren ausgebildet. Für diese Transistoren stellen die Innenleiter 32, 42 die Source-Sammelschiene S dar, während die Außenleiter 34, 44 hier als Drain-Sammelschiene D im direkten Kontakt mit den Drainanschlußflächen auf der Gehäuseunterseite der Halbleiter-Bauelemente 50 stehen. Die Halbleiter- Bauelemente 50 werden über ihre individuellen Gateanschlüsse G von darüberliegenden Treibermodulen 55 angesteuert.
Zur elektrischen Kontaktierung sind die Halbleiter-Bauelemente 50 zunächst mit dem elektrisch leitenden Außenleiter 34, 44 verbunden. Weiterhin sind die Halbleiter- Bauelemente 50 über eine Kontaktiereinrichtung 60 elektrisch mit den Innenleitern 32 beziehungsweise 42 verbunden. Dazu weisen die Halbleiter-Bauelemente 50 zunächst jeweils eine Anzahl von Kontaktierstiften 51 auf. Diese Kontaktierstifte 51 sind mit der Kontaktiereinrichtung 60 verbunden. Dazu weist die Kontaktiereinrichtung 60 für jedes Halbleiter-Bauelement 50 eine Kontaktierfahne 61 auf, die entlang einer Ausstanzlinie 62 an drei Seiten aus dem Innenleiter 32, 42 ausgestanzt sind. Über eine Biegelinie 63 (vierte Seite) sind die Kontaktierfahnen 61 nach wie vor mit den Innenleitern 32, 42 verbunden, so daß die Kontaktierfahnen 61 in Richtung der Kontaktierstifte 51 der Halbleiter-Bauelement 50 hochgebogen werden können. Dadurch wird eine breitflächige, induktionsarme Kontaktierung der Kontaktierstifte 51 der Halbleiterbauelemente 50 ermöglicht.
Die Kontaktierfahnen 61 werden durch einen Isolationsverguß 64, vorzugsweise mittels Silikon, isoliert und fixiert.
Damit gelingt eine sehr vorteilhafte, gleichmäßige, äußerst niederimpedante Kontaktierung der vielfach parallel geschalteten diskreten Halbleiter-Bauelemente 50 des gesamten Arrays im Lastkreis, wobei hierzu nur minimale, besonders vorteilhaft identische Leiterlängen zwischen allen Halbleiter-Bauelementen 50 und den jeweiligen Innenleitern 32, 42 vorliegen. Damit wird eine wichtige Voraussetzung für die Funktion und Beherrschbarkeit auch größerer Halbleiter-Arrays in Hochstromkreisen erreicht. Von besonderem Vorzug ist hierbei insbesondere, daß sich eine Skalierbarkeit der Anordnung über die Anzahl der parallelgeschalteten Halbleiter-Bauelemente 50 und unter Beibehaltung identischer Leiterlängen im Lastkreis für die Zentralableitungen in jeweils einem Punkt ergibt.
In den Fig. 1 bis 4 sind Leiterplattenelemente 20 dargestellt, die eine doppelte, das heißt aus zwei Leiterplattensegmenten 30, 40 bestehende Planarleiterstruktur aufweisen. Es ist jedoch auch denkbar, daß eine Leiterplattenanordnung bestehend aus mehreren Leiterplattenelementen 20 gebildet wird. Eine solche Leiterplattenanordnung 10 ist in Fig. 5 dargestellt.
Die in Fig. 5 dargestellte Leiterplattenanordnung 10 besteht aus insgesamt drei Leiterplattenelementen 20, die jeweils aus zwei Leiterplattensegmenten 30 und 40 gebildet sind. Der Aufbau eines jeden Leiterplattenelements 20 entspricht dabei dem im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel, so daß diesbezüglich auf die vorstehenden Ausführungen Bezug genommen und hiermit verwiesen wird. Die drei Leiterplattenelemente 20 gemäß den Fig. 3 und 4 sind sternförmig zusammengesetzt, wobei jedes Leiterplattenelement 20 einen Schenkel dieses Sterns bildet. Die sternförmige Anordnung planarer Leiterplattenelemente 20 ergibt sich entlang einer Symmetrieachse X-X' im Raum (siehe Fig. 5), gebildet aus drei identischen Leiterplattenelemente 20 in Form von Winkelblechen, mit einem Öffnungswinkel von je 120 Grad. Die einzelnen Leiterplattenelemente 20 sind beispielsweise mittels Verschraubung, Vernietung oder dergleichen untereinander verbunden.
Die Zentralableitungen aller Drainanschlüsse d1, d2, d3 und Sourceanschlüsse s1, s2, s3 enden mit symmetrischen Leitungslängen in jeweils einem Punkt D, S.
Bei einer solchen Ausgestaltung der Leiterplattenanordnung 10 sind die jeweiligen Außenleiter der Leiterplattenelemente 20 vorzugsweise starr und aus Kupferblech ausgebildet. Auf diese Weise liefern die Außenleiter einen vorteilhaften Mehrfachnutzen, der im Zusammenhang mit der allgemeinen Beschreibung der Erfindung weiter oben bereits eingehend erläutert wurde.
Die vorzugsweise starren äußeren Leiterflächen 34, 44 aus Cu-Blech liefern hierbei einen vorteilhaften Mehrfachnutzen:

a) als mechanisch selbsttragende Struktur (andere Tragstrukturen sind entbehrlich);
b) als planarer Stromleiter, für die elektrisch und thermisch besonders günstige, direkte Gehäusekontaktierung der Halbleiter-Bauelemente bei hohen Strömen und Leistungen;
c) als ein dem thermalen Management der Halbleiter-Bauelemente dienendes System zur flächigen Stromwärmeverteilung und Wärmeleitung innerhalb der Gesamtstruktur;
d) sowie zur Konvektionskühlung durch die umgebende Luft, oder die Weiterleitung der Stromwärme an dafür prädestinierte Kühlsysteme.

Im Beispiel gemäß Fig. 5 sind N = 3 Cu-Winkel miteinander verbunden, die eine Einheit bilden, nämlich miteinander, mit den Isolationslagen, mit den diskreten Halbleiter-Bauelementen (hier beispielhaft 18 Stück MOSFET Transistoren) und mit den 3 (hier: beispielhaft gemeinsamen Source-Anschlußfolien) Innenleitern in Doppellage.
Somit liegen für dieses Beispiel einer dreiarmigen 120°-Sternstruktur alle Sourceanschlüsse einerseits und die Drainanschlüsse der MOSFETs andererseits, sehr vorteilhaft niederimpedant miteinander verbunden und in besonders vorteilhafter (Rotations-)Symmetrie für die Leiterlängen der Zentralableitungen von Source und Drain, in je einen Anschlußpunkt, vor.
Als weiterer Vorzug können bei dieser Anordnung die Treibermodule 55 für die Halbleiter-Bauelemente 50 (Fig. 3) hier sehr vorteilhaft - mit den kürzest möglichen Leitungslängen zu den Halbleiter-Bauelementen - beispielsweise per Leiterkarte - direkt über den Halbleiter-Bauelementen selbst montiert werden.
Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anzahl von Leiterplattenelementen pro Leiterplattenanordnung beschränkt. Vielmehr kann die Leiterplattenanordnung allgemein N Leiterplattenelemente aufweisen, mit N größer/gleich 1. In Fig. 6 sind eine Reihe von unterschiedlichen Ausgestaltungsmöglichkeiten für Leiterplattenanordnungen dargestellt, wobei hier die Anzahl N der Leiterplattenelemente zwischen 1 und 6 variiert wurde.
Mit Parallelschaltungen mehrerer derartiger Leiterplattenanordnungen können vorteilhaft, insbesondere unter Berücksichtigung der Symmetriebedingungen für Ableitungen und Ansteuerungen, auch größere Leiterplattensysteme 70 gebildet werden, die sich dann entsprechend auch für Anwendungen mit sehr hohen Lastströmen eignen. Beispiele für Paralllelstrukturen, die sich insbesondere auch für die vorteilhafte Realisierung ausgedehnter, mikro- und makroskopischer zellulärer Strukturen - unter Verwendung entsprechend dimensionierter Halbleiter- Bauelemente - eignen, sind in Fig. 7 dargestellt. Fig. 7a und 7c zeigen dabei zelluläre Parallelstrukturen mit je zweimal drei Leiterplattenelementen 20, also sechs Leiterplattenelementen 20. Fig. 7b zeigt eine zelluläre Parallelstruktur mit insgesamt 3 × 3 = 9 Leiterplattenelementen 20, während Fig. 7d eine zelluläre Parallelstruktur mit 4 × 4 = 16 Leiterplattenelementen 20 zeigt.
Die in den Fig. 1 bis 7 dargestellten und beschriebenen Anwendungen von Halbleiter-Arrays auf Leiterplattenelementen 20 beziehungsweise Leiterplattenanordnungen 10 für Eintakt-Topologien können vorteilhaft auch auf leistungselektronische Gegentakt-Toplogien und Brückenschaltungen erweitert werden. In den Fig. 8 und 9 sind zwei Beispiele für Eintaktschaltung-Topologien 80 dargestellt, mit denen ein Eintaktbetrieb von Leiterplattenanordnungen 10, im vorliegenden Fall von sternförmigen (N = 3) Leiterplattenanordnungen 10 möglich ist.
Für den einfachen Fall einer im Gegentakt arbeitenden Halbbrückenschaltung 90, wie sie in den Fig. 10 und 11 dargestellt ist, können vorteilhaft mehrere einzelne, gegeneinander isoliert montierte und gegenphasig angesteuerte Leiterplattenanordnungen 10 - die vorzugsweise eine Sternstruktur (N = 3) aufweisen -, auch den Gegentaktbetrieb realisieren.
In der Erweiterung solcher Halbbrückenschaltungen sind, durch Verdopplung auch zweiphasige Vollbrücken, durch Vervielfachung auch polyphasige Brückenschaltungen realisierbar. Neben dieser Form der Verschaltung sternförmiger Leiterplattenanordnungen 10 ergibt sich hier, insbesondere für mehrphasige Anwendungen in Stromrichtertechnik oder für mehrkanalige analoge Leistungsstufen, noch die sehr vorteilhafte Möglichkeit, daß jedem Winkelschenkel der Sternstruktur, das heißt jedem Leiterplattenelement, je eine Leistungsstufe in Halbbrücken- Toplogie für jede elektrische Phase zugeordnet wird.
Für die Realisierung von Gegentakt-Leistungsstufen bieten sich beispielsweise zwei verschiedene Lösungen für eine Aufteilung des oberen und unteren Halbleiterelemente-Arrays an:

a) die Vor- und Rückseite je eines Winkelschenkels (Leiterplattenelements) wird vorteilhaft jeweils für die Realisierung von Teil-Arrays, entsprechend entweder dem oberen oder dem unteren Halbleiter-Bauelement eines Halbbrückenzweigs einer Phase genutzt; oder
b) die symmetrische, in axialer Länge vorteilhaft skalierbare Array-Struktur eines Sterns (beispielsweise in Form einer Leiterplattenanordnung mit N = 3 Leiterplattenelementen) wird vorteilhaft in zwei gegeneinander isolierte, axial "gestapelte" Teilsterne untergliedert. Je einer der beiden isolierten Teilsterne trägt hierbei dann die Halbleiter-Bauelemente des oberen oder des unteren Halbbrückenzweigs.

Die sehr vorteilhafte Aufteilung und Nutzung der einzelnen Winkelschenkel (Leiterplattenelemente) der sternförmigen Leiterplattenanordnung für mehrphasige Anwendungen bleibt dabei voll erhalten. Die gesamte Leiterplattenanordnung bleibt in dieser Ausführung dadurch vorteilhaft klein und kompakt. Bezugszeichenliste 10 Leiterplattenanordnung
20 Leiterplattenelement
30 Leiterplattensegment
31 Schichtenstapel
32 Innenleiter
33 Isolationsschicht
34 Außenleiter
40 Leiterplattensegment
41 Schichtenstapel
42 Innenleiter
43 Isolationsschicht
44 Außenleiter
50 Halbleiter-Bauelement
51 Kontaktierstift
55 Treibermodul
60 Kontatiereinrichtung
61 Kontaktierfahne
62 Ausstanzlinie
63 Biegelinie
64 Isolationsverguß
70 Leiterplattensystem
80 Schaltungstopologie (Eintakt)
90 Schaltungstopologie (Gegentakt)
D Drain-Sammelschiene
S Source-Sammelschiene
G Gateanschluß
L Längsachse

Claims

1. Leiterplattenanordnung (10) für mindestens ein elektronisches Bauelement (50), aufweisend wenigstens ein Leiterplattenelement (20) bestehend aus einem Schichtenstapel aus wenigstens einer elektrisch leitenden Schicht und wenigstens einer Isolationsschicht, wobei eine als elektrisch leitende Schicht ausgebildete Außenschicht des Schichtenstapels zur Aufnahme wenigstens eines elektronischen Bauelements (50) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterplattenelement (20) aus wenigstens zwei Leiterplattensegmenten (30, 40) gebildet ist, daß jedes Leiterplattensegment (30, 40) einen Schichtenstapel (31, 41) aus wenigstens einem Innenleiter (32, 42), wenigstens einen Außenleiter (34, 44) und wenigstens einer dazwischen angeordneten Isolationsschicht (33, 43) aufweist, daß die Leiterplattensegmente (30, 40) miteinander verbunden sind und daß wenigstens ein Außenleiter (34, 44) zur Aufnahme mindestens eines elektronischen Bauelements ausgebildet ist.

2. Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplattensegmente (30, 40) über jeweils eine ihrer Innenleiterschichten (32, 42) direkt miteinander verbunden sind.

3. Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplattensegmente (30, 40) über jeweils eine ihrer Innenleiterschichten (32, 42) indirekt miteinander verbunden sind, wobei zwischen den Innenleiterschichten (32, 42) wenigstens eine weitere Isolationsschicht vorgesehen ist.

4. Leiterplattenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterplattenelement (20) eine planare Struktur mit planaren Einzelschichten aufweist.

5. Leiterplattenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenleiter (32, 42) und/oder die Isolationsschichten (33, 43) der Leiterplattensegmente (30, 40) flexibel ausgebildet sind.

6. Leiterplattenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenleiter (34, 44) starr ausgebildet sind.

7. Leiterplattenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Anzahl von N Leiterplattenelementen (20) aufweist, mit N größer/gleich 2.

8. Leiterplattenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplattenelemente (20) miteinander verbunden sind.

9. Leiterplattenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese drei Leiterplattenelemente (20) aufweist und daß die Leiterplattenelemente (20) sternförmig miteinander verbunden sind.

10. Leiterplattensystem (70) für mindestens ein elektronisches Bauelement (50), bestehend aus zwei oder mehr Leiterplattenanordnungen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

11. Leiterplattensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplattenanordnungen (10) über Zentralableitungen parallel geschaltet sind.

12. Elektrisches Bauteil, mit einer Leiterplattenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder mit einem Leiterplattensystem (70) nach Anspruch 10 oder 11, wobei auf wenigstens einem Außenleiter (34; 44) wenigstens ein elektronisches Bauelement (50) angeordnet ist.

13. Elektrisches Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bauelement (50) als Halbleiter-Bauelement ausgebildet ist.

14. Elektrisches Bauteil nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Außenleiter (34; 44) ein Array elektronischer Bauelemente (50) angeordnet ist.

15. Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Leiterplattenelement (20) wenigstens ein elektronisches Bauelement (50) auf dem Außenleiter (34, 44) eines Leiterplattensegments (30) wechselseitig versetzt zu dem wenigstens einem elektronischem Bauelement (50) auf dem Außenleiter (44) eines mit diesem Leiterplattensegment (30) verbundenen, anderen Leiterplattensegments (40) angeordnet ist.

16. Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Leiterplattenelement (20) wenigstens ein elektronisches Bauelement (50) über eine Kontaktiereinrichtung (60) mit einem Innenleiter (32, 42) des Leiterplattensegments (30, 40) verbunden ist.

17. Elektrisches Bauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktiereinrichtung (60) eine mit dem Innenleiter (32, 42) zumindest teilweise verbundene Kontaktierfahne (61) aufweist.

18. Elektrisches Bauteil nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Isolationsschicht (33, 43) eine Ausnehmung zum Hindurchführen der Kontaktiereinrichtung (60) aufweist.