特許 6961578 多機能型高電流回路基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6961578

(24)【登録日】2021年10月15日

(45)【発行日】2021年11月5日

(54)【発明の名称】多機能型高電流回路基板

(51)【国際特許分類】

   H05K 1/02 20060101AFI20211025BHJP

   H05K 3/46 20060101ALI20211025BHJP

【ＦＩ】

   H05K1/02 F

   H05K3/46 N

   H05K3/46 Q

   H05K3/46 B

【請求項の数】11

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2018-513016(P2018-513016)

(86)(22)【出願日】2016年8月11日

(65)【公表番号】特表2018-526834(P2018-526834A)

(43)【公表日】2018年9月13日

(86)【国際出願番号】EP2016069157

(87)【国際公開番号】WO2017041984

(87)【国際公開日】20170316

【審査請求日】2019年4月19日

(31)【優先権主張番号】102015217426.3

(32)【優先日】2015年9月11日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】500045121

【氏名又は名称】ツェットエフ、フリードリッヒスハーフェン、アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＺＦ ＦＲＩＥＤＲＩＣＨＳＨＡＦＥＮ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100186716

【弁理士】

【氏名又は名称】真能 清志

(72)【発明者】

【氏名】ミヒャエル スペルバー

(72)【発明者】

【氏名】ヴィルフリード ラーズマン

(72)【発明者】

【氏名】ダーク シュラム

【審査官】 三森 雄介

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０１８２８９８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−０３８７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−００５５９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−５４２８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−５０７６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｋ １／００−１／０２

Ｈ０５Ｋ ３／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

多機能型高電流回路基板であって、
ａ．高電流を導く電流伝導層（４）と、
ｂ．少なくとも１つの熱源（１５、２１）が接続されたスイッチング層（３）と、を備え、
ｃ．前記スイッチング層（３）の２つのスイッチング層レイヤー（１２）が、少なくとも１つのマイクロビア（１３）により相互に接続されている多機能型高電流回路基板において、
ｄ．高電流伝導電位が、前記スイッチング層（３）へ導かれ、
ｅ．前記スイッチング層レイヤー（１２）は、前記少なくとも１つの熱源（１５、２１）に隣接して配置され、及び高電流伝導電位が割り当てられ、及び
ｆ．前記スイッチング層レイヤー（１２）が、複数のスルーホール（１４）を用いて、前記電流伝導層（４）の高電流伝導構造（９）に直に接続されており、
制御部品（８）が配置される制御層（５）が、前記電流伝導層（４）に隣接し、前記スイッチング層（３）とは反対側に設けられていることを特徴とする多機能型高電流回路基板。

【請求項2】

請求項１に記載の多機能型高電流回路基板であって、前記少なくとも１つの熱源が電解コンデンサ（２１）及び／又はパワースイッチ（１５）を備えることを特徴とする多機能型高電流回路基板。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の多機能型高電流回路基板であって、受動冷却素子（２０）を特徴とする多機能型高電流回路基板。

【請求項4】

請求項３に記載の多機能型高電流回路基板であって、前記受動冷却素子（２０）が、放熱層として構成されていることを特徴とする多機能型高電流回路基板。

【請求項5】

請求項３又は４に記載の多機能型高電流回路基板であって、前記受動冷却素子（２０）が、少なくとも部分的に、熱伝導媒体を用いて前記多機能型高電流回路基板（１；１６）に接続されていることを特徴とする多機能型高電流回路基板。

【請求項6】

請求項３〜５の何れか一項に記載の多機能型高電流回路基板であって、前記受動冷却素子（２０）が、熱接続素子を介して、前記少なくとも１つの熱源（１５、２１）及び／又は前記２つのスイッチング層レイヤー（１２）と直に接続されていることを特徴とする多機能型高電流回路基板。

【請求項7】

請求項６に記載の多機能型高電流回路基板であって、前記熱接続素子は、注入材（２２）及び／又は熱伝導媒体（２３）であることを特徴とする多機能型高電流回路基板。

【請求項8】

請求項１〜７の何れか一項に記載の多機能型高電流回路基板であって、能動冷却素子（２４）を特徴とする多機能型高電流回路基板。

【請求項9】

請求項８に記載の多機能型高電流回路基板であって、前記能動冷却素子（２４）が、前記少なくとも１つの熱源（１５；２１）に隣接して配置されていることを特徴とする多機能型高電流回路基板。

【請求項10】

請求項８又は９に記載の多機能型高電流回路基板であって、前記能動冷却素子（２４）が、ファン又は冷却水ポンプとして構成されていることを特徴とする多機能型高電流回路基板。

【請求項11】

請求項８〜１０の何れか一項に記載の多機能型高電流回路基板であって、前記能動冷却素子（２４）が、熱接続素子及び／又は受動冷却素子（２０）を介して、前記少なくとも１つの熱源（１５、２１）と接続されていることを特徴とする多機能型高電流回路基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多機能型高電流回路基板に関する。

【背景技術】

【0002】

多機能型高電流回路基板は、公開前のドイツ特許出願第１０２０１４２０７５９６．３号から既知である。回路基板は、例えば米国特許出願公開第２０１４／０１８２８９８号、米国特許出願公開第２０１２／０１８１０６７号、国際出願公開第２０１４／１３００３０号、国際出願公開第２０１５／００４９５２号、欧州特許出願公開第１７１５７３２号、ドイツ特許出願公開１０２０１３２２６５１３号、及び国際出願公開第２０１５／０７４８１４号から既知である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】ドイツ特許出願第１０２０１４２０７５９６．３号

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１４／０１８２８９８号

【特許文献3】米国特許出願公開第２０１２／０１８１０６７号

【特許文献4】国際出願公開第２０１４／１３００３０号

【特許文献5】国際出願公開第２０１５／００４９５２号

【特許文献6】欧州特許出願公開第１７１５７３２号

【特許文献7】ドイツ特許出願公開１０２０１３２２６５１３号

【特許文献8】国際出願公開第２０１５／０７４８１４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の課題は、多機能型高電流回路基板を改良すること、及び特に放熱の改良を可能とすることである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

この課題を解決するために、請求項１に記載の特徴に対応する多機能型高電流用回路基板が提供される。多機能型高電流回路基板は、高電流を導く電流伝導層と、少なくとも１つの熱源が接続されたスイッチング層と、を備える。高電流伝導電位がスイッチング層へ導かれることが、非常に重要である。このために、スイッチング層の２つのスイッチングレイヤーは、複数のスルーホールを用いて、電流伝導層の高電流伝導構造に直に接続される。これにより、少なくとも１つの熱源に対して熱的に低インピーダンスの接続が保証される。少なくとも１つの熱源から多機能型高電流回路基板への熱の流れが可能である。少なくとも１つの熱源からの、最適化された熱の放出、特に分岐された効果的な熱の放出が保証される。従来技術から既知の高電流回路基板においては、高電流伝導電位がスイッチング層で導かれず、従ってその接続に対して、レイヤーコネクタ及び／又は電流伝導層へのマイクロビアが必要である。そうした従来技術から既知の高電流回路基板と比較すると、高電流回路基板内で、最適化された熱の流れが保証される。高電流伝導信号は、高電流回路基板において、従来技術によれば、レイヤーコネクタ及び／又はマイクロビアを通過しなければならない。これにより追加的な熱抵抗が発生され、及び作動中、特にパワースイッチの作動中に、追加的であり不所望な熱源が引き起こされる。本発明による高電流回路基板により、最適化された放熱コンセプトが可能である。多機能型高電流回路基板を、破壊無く作動させることが可能である。高電流回路基板が、長寿命化される。特に、高電流回路基板を、制限された能動的冷却可能性を有する構造空間内で作動させることが可能である。例えば変速機内におけるような、高温用途での使用が可能である。多機能型高電流回路基板は、熱的に堅牢である。

【0006】

スイッチング層の２つのスイッチング層レイヤーは、少なくとも１つの熱源に隣接して、特に最も近接して配置され、及び高電流伝導電位が割り当てられている。これにより、スイッチング層レイヤーの熱インピーダンスを更に低減させることができる。スイッチング層レイヤーは、好適には銅レイヤーとして構成されている。

【0007】

２つの最も近接するスイッチング層レイヤーは相互に接続されている。その接続は、少なくとも１つのマイクロビアにより構成されている。２つの接続されたスイッチング層レイヤーにより、放熱のための、増加された銅断面を提供可能である。

【0008】

高電流回路基板の好適な実施形態は、請求項１に従属する請求項に記載された特徴から明らかとなる。

【0009】

少なくとも１つの熱源が、電解コンデンサ及び／又はパワースイッチを備える高電流回路基板の実施形態が有利である。電解コンデンサ及びパワースイッチは、多機能型高電流回路基板の必須構成部品である。これらの構成部品は、高電流回路基板において使用されることが多い。これらの構成部品を、多機能型高電流回路基板に対する熱源として考慮することにより、高電流回路基板の広範囲の用途が可能になる。

【0010】

高電流回路基板が受動冷却素子を備える実施形態が有利である。受動冷却素子は、特に放熱層として構成されている。本発明の意味における受動冷却素子は、特に熱伝導媒体を介するクーラへの熱伝導による、外部エネルギ消費の無い冷却に関する。

【0011】

受動冷却素子が、少なくとも部分的に、熱伝導媒体を用いて高電流回路基板に接続されている高電流回路基板の実施形態が、特に有利である。受動冷却素子は、従って部分的に、高電流回路基板への移行面を構成する。これにより、高電流回路基板から熱伝導媒体を介して冷却素子への熱伝導が促進される。受動冷却素子が、効果的に使用される。

【0012】

受動冷却素子が、熱接続素子を介して、少なくとも１つの熱源及び／又は２つのスイッチング層レイヤーと直に、特に間接的に接続されている高電流回路基板の実施形態が、特に有利である。少なくとも１つの熱源及び／又は２つのスイッチング層レイヤーから受動冷却素子への熱の流れが改良されている。熱伝導による受動冷却素子を介する放熱が、保証される。

【0013】

熱接続素子が、注入材及び／又は熱伝導媒体である高電流回路基板の実施形態が、特に有利である。これにより、少なくとも１つの熱源から受動冷却素子への熱の流れが改良されている。

【0014】

高電流回路基板が能動冷却素子を備える実施形態が有利である。本発明の意味における能動冷却素子は、特に、冷却の作動に外部エネルギを使用する駆動型冷却素子である。能動冷却素子は、特に、少なくとも１つの熱源に隣接して配置されている。これにより、放熱が改良されている。

【0015】

能動冷却素子が冷却水ポンプとして構成されている実施形態が、特に有利である。これにより、有利にも、能動冷却素子の高電流回路基板への統合が単純化される。

【0016】

能動冷却素子が、熱接続素子及び／又は受動冷却素子を介して、少なくとも１つの熱源と接続されている高電流回路基板の実施形態が、特に有利である。特に、受動冷却素子を能動冷却素子と組み合わせることにより、特に効果的な放熱が可能になる。

【0017】

本発明の更なる特徴、利点および詳細は、図面を参照する実施形態に関する以下の記載により明らかとなる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明による多機能型高電流回路基板の概略的な断面図である。

【図2】更なる実施形態による多機能型高電流回路基板の、図１に対応する拡大された詳細図である。

【図3】図２の高電流回路基板のための熱の流れの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１乃至図３において、互いに対応する部分については、同一の符号を付している。下記に詳述される実施形態の個々の事項も、それ自体が発明となるか、または発明対象の部分となることが可能である。

【0020】

図１に示された多機能型高電流回路基板１は、実質的に平面的な構成部品である。平面的、とは、長手方向延在及び幅方向延在のそれぞれが、厚さ方向延在よりも著しく大きいこと、を意味する。特に、高電流回路基板１の長手方向延在及び幅方向延在は、厚さ方向延在よりも、少なくとも５倍、特に少なくとも１０倍、特に少なくとも２０倍、及び特に少なくとも５０倍大きい。高電流回路基板１の厚さ方向延在は、図１では、二方向矢印２により表されている。

【0021】

高電流回路基板１は、厚さ方向２に沿って、スイッチング層３、電流伝導層４、及び制御層５を備える。スイッチング層３、電流伝導層４、及び制御層５は、高電流回路基板の多機能性を保証する。高電流回路基板１の少なくとも１つの基本機能、即ちスイッチング、電流伝導、又は制御の機能は、特に各層３、４、５によって可能になる。

【0022】

制御層５は、２つの制御レイヤー６を備える。絶縁レイヤー７が、２つの制御レイヤー６の間に配置されている。絶縁レイヤー７は、隣接する制御レイヤー６の間の直接の電流の流れを防止する。絶縁レイヤー７は、特に両制御レイヤー６の間の合成樹脂構造として構成される。制御レイヤー６は、厚さ方向延在２において、絶縁レイヤー７により、電気的に相互に分離されている。

【0023】

少なくとも１つの制御部品８は、電流伝導層４から反対側の制御レイヤー６に接触する。制御レイヤー６は、従来技術から既知である。制御レイヤー６は、例えば、図示されていない、銅が充填されたマイクロビアを用いて相互に接続されている。制御部品８は、特に、高電流回路基板１の自由表面に配置されている。制御部品８は、制御層５の制御レイヤー６に直に、従って複雑にならずに接触可能である。高電流回路基板１の制御が、単純化される。

【0024】

電流伝導層４は、高電流伝導構造９を備える。高電流伝導構造９は、特に複数の、個別には示されていない電流伝導レイヤーを備える。実質的には、少なくとも２つの電流伝導レイヤーが備えられる。有利には、偶数個の電流伝導レイヤーが備えられる。電流伝導レイヤーは、電圧源へ電流を供給する、及び電圧源から電流を取り去る役割を果たす。電流伝導レイヤーは、特に銅レイヤーとして、及び特に厚い銅レイヤーとして構成される。電流伝導層４は、厚い銅層とも、又は厚い銅領域とも称される。絶縁レイヤー７は、２つの隣接する電流伝導レイヤーの間に配置されることが可能である。高電流伝導構造９は、第１遮蔽レイヤー１０を用いて、制御層５に対して電磁的に遮蔽されている。高電流伝導構造９は、第２遮蔽レイヤー１１を用いて、スイッチング層３に対して電磁的に遮蔽されている。

【0025】

スイッチング層３は、２つのスイッチング層レイヤー１２を備える。スイッチング層レイヤー１２は、絶縁レイヤー７により、電気的に相互に分離されている。スイッチング層レイヤー１２は、複数のマイクロビア１３により、相互に接続されている。マイクロビア１３には、銅が充填されている。マイクロビア１３により相互に接続されたスイッチング層レイヤー１２は、増加された銅断面を備える放熱層を構成する。相互に接続されたスイッチング層レイヤー１２において、熱伝導が改良されている。スイッチング層レイヤー１２は、複数のスルーホール１４を用いて、電流伝導層４の高電流伝導構造９に直に接続されている。熱源は、パワースイッチ１５の形態で、相互に接続されたスイッチング層レイヤー１２に接続されている。パワースイッチは、ハイサイド（ＨＳ‐）スイッチとして構成されている。代替的に、パワースイッチ１５は、ローサイド（ＬＳ‐）スイッチとしても構成可能である。パワースイッチ１５は、スイッチング層レイヤー１２の高電流伝導電位を、スイッチング層４において、図示されていない高電流バッテリ、特にＤＣ＋に接触させて接続する。

【0026】

２つの最も近接するスイッチング層レイヤー１２に高電流伝導電位を割り当て可能であり、及びスイッチング層レイヤー１２がマイクロビアにより相互に接続されているため、拡大された銅断面が放熱のために提供される。放熱が改良されている。

【0027】

以下に、高電流回路基板１６の更なる実施形態が詳説される。高電流回路基板１６のスイッチング層１７が、図２において示されている。図示上の理由から、残りの構造、特に電流伝導層４及び制御層５は図示されていない。電流伝導層４及び制御層５は、第１実施形態に従って構成されている。第１実施形態とは異なり、高電流バッテリへの接続は、スイッチング層１７内に交互に配置されている。高電流バッテリＤＣ＋１８及びＤＣ−１９への接続は、図２においては記号的に表されている。

【0028】

第１実施形態と比較しての更なる差異は、受動冷却素子２０である。受動冷却素子２０は、放熱層として構成されている。放熱層２０は、熱伝導媒体を用いて高電流回路基板１６に接続され、熱伝導を促進する。

【0029】

パワースイッチ１５に加えて、電解コンデンサ２１が、追加的な熱源として高電流回路基板１６に備えられている。電解コンデンサ２１は、接続部１８、１９を直結されている。電解コンデンサ２１は、注入材２２を介して受動冷却素子２０に接続されている。注入材２２は、熱接続素子として機能する。更なる熱接続素子は、熱伝導媒体２３である。熱伝導媒体２３は、特に、高電流バッテリ‐接続部１８、１９と受動冷却素子２０との間、及びスイッチング層レイヤー１２と受動冷却素子２０との間、ならびにパワースイッチ１５と受動冷却素子２０との間、に配置されている。注入材２２及び熱伝導媒体２３は、熱接続素子である。

【0030】

能動冷却素子２４が、パワースイッチ１５及び／又は電解コンデンサ２１に対して隣接して配置されている。能動冷却素子２４は、例えば冷却水ポンプとして構成される。能動冷却素子２４は、受動冷却素子２０を介して、電解コンデンサ２１及び／又はパワースイッチ１５に接続されている。

【0031】

パワースイッチ１５及び電解コンデンサ２１は、熱源である。

【0032】

以下に、高電流回路基板１６の作動の間に発生する熱の流れが、図３を参照して詳説される。高電流回路基板１６が作動する際、熱源が、つまり電解コンデンサ２１及びパワースイッチ１５が、熱を発生させる。熱は、図３において記号的に示された熱の流れ方向２５に沿って放出される。実質的な熱の流れ方向２５は、熱源１５、２１から能動冷却素子２４へと向けられている。熱源１５、２１は、特に２つの側面で冷却される。これにより、許容されない高温がパワースイッチ１５及び／又は電解コンデンサ２１において発生することが、確実に防止される。２つの側面での冷却は、熱が、水平方向にスイッチング層１７における最適化された銅構造を通り、スイッチング層レイヤー１２に沿って放出可能となることで可能になる。第２の追加的な熱の流れは、受動冷却素子２０及び能動冷却素子２４、及び特にそれらの間に配置された熱伝導媒体２３又は注入材２２を介して保証される。

【0033】

高電流回路基板は、最適化された熱伝導システムを備える。放熱構造は、一方では、高電流伝導電位をスイッチング層１７内に一体的に構成することによって、及び冷却素子２０、２４の接続を最適化することによって、形成される。高電流回路基板は、高温用途に、及び／又は能動冷却が限定された回路基板用途に、使用可能である。

【符号の説明】

【0034】

１ 高電流回路基板
２ 厚さ方向延在
３ スイッチング層
４ 電流伝導層
５ 制御層
６ 制御レイヤー
７ 絶縁レイヤー
８ 制御部品
９ 高電流伝導構造
１０ 第１遮蔽レイヤー
１１ 第２遮蔽レイヤー
１２ スイッチング層レイヤー
１３ マイクロビア
１４ スルーホール
１５ パワースイッチ
１６ 高電流回路基板
１７ スイッチング層
１８ ＤＣ＋
１９ ＤＣ−
２０ 受動冷却素子
２１ 電解コンデンサ
２２ 注入材
２３ 熱伝導媒体
２４ 能動冷却素子
２５ 熱の流れ

【図1】

【図2】

【図3】