Verfahren, Vorrichtung und System für eine Leistungsschaltung Die Erfindung betrifft eine elektronische Leistungsschaltung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Leistungsschaltung, eine Stromschiene für die elektronische Leistungsschaltung und ein System mehrerer Stromschienen für die Leistungsschaltung.

Eine elektronische Leistungsschaltung umfasst eine Platine oder ein anderes Trägermaterial sowie ein elektronisches Bauelement, welches Ströme einer so hohen Leistung ausgesetzt ist, dass es sich im Betrieb erwärmt. Die Leistungsschaltung umfasst daher weiter eine ausreichend dimensionierte Stromschiene, um einerseits eine elektrische Verbindung zum elektronischen Bauelement sicher zu stellen, und andererseits anfallende Wärme abzuleiten. Es existieren unterschiedliche Vorschläge, das Trägermaterial, die Stromschiene und das elektronische Bauelement aneinander anzubringen. In einer ersten Variante liegt die Stromschiene ganz oder teilweise innerhalb des Trägermaterials. Dafür muss eine Aussparung in das Trägermaterial eingebracht werden, die genau zu den Abmessungen der Stromschiene korrespondiert. Im Bereich der Aussparung können andere Elemente, insbesondere eine innerhalb des Trägermaterials verlaufende elektrische Verbindung, nicht ausgeführt werden. Benachbarte Stromschienen müssen einen vorbestimmten Mindestabstand ein- halten, damit verbleibende Strukturen des Trägermaterials den Herstellungsprozess unbeschadet überstehen. Gleichzeitig darf die Stromschiene nicht zu dünn sein, so dass eine ausreichende Seitenfläche zur Verbindung mit dem Trägermaterial zur Verfügung steht. In einigen Varianten muss die Stromschiene mit dem Trägermaterial verklebt werden, was einen beträchtlichen Herstellungsaufwand bedingen kann. Häufig müssen nach dem Verkleben überschüssige Klebereste entfernt werden, was zu weiter erhöhten Fertigungskosten beitragen kann.

In einer anderen Variante wird die Stromschiene an einer oberen oder unteren Oberfläche des Trägermaterials geklebt oder mittels eines Stifts oder einer Niete befestigt. Befindet sich die Stromschiene bezüglich des Trägermaterials auf der entgegengesetzten Seite des elektronischen Bauelements, so muss ein zusätzliches Element, wie beispielsweise die Niete, für die elektrische und thermische Anbindung des elektronischen Bauelements verwendet werden. Liegt die Stromschiene zwischen dem Trägermaterial und dem elektronischen Bauelement, so kann eine automatische Bestückung mittels eines Oberflächen-Bestückungsautomaten durch die zusätzliche Höhe der Stromschiene erschwert sein. Außerdem können die vertikalen Elemente dieser Variante zu mechanischen Schwierigkeiten bei der weiteren Verarbeitung führen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Herangehensweise aufzuzeigen, mit dem sich die genannten Nachteile zumindest teilweise verringern lassen.

Die in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstände lösen diese Aufgabe. Es wird daher eine Verfahren, eine Stromschiene und ein Systems von Stromschienen offenbart, insbesondere mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.

Zur Lösung der genannten Aufgabe wird insbesondere ein Verfahren zur vereinfachten Herstellung einer elektronischen Leistungsschaltung mit einer Stromschiene offenbart. Ferner wird eine hierfür geeignete Stromschiene und ein System von derartigen Stromschienen offenbart.

Ein hier beschriebenes Verfahren zur Herstellung einer elekt- ronischen Leistungsschaltung umfasst Schritte des Platzierens eines ersten elektronischen Bauelements auf der Oberfläche eines Trägermaterials, des Platzierens einer Stromschiene auf der Oberfläche des Trägermaterials, des Platzierens eines zweiten elektronischen Bauelements auf der Oberfläche der Stromschiene und des Erhitzens dieser Anordnung, um die elektronischen Bauelemente, die Stromschiene und das Trägermaterial miteinander zu verlöten.

In dieser Weise kann die Stromschiene wie ein elektrisches Bauelement behandelt werden, das bei der Bestückung der Schaltung auf die Oberfläche des Trägermaterials platziert wird. Die Bestückung, beispielsweise mittels eines Bestückungsautomaten, kann dadurch substantiell vereinfacht sein. Durch die erleichterte Bestückung kann eine

Positioniergenauigkeit der Stromschiene auf dem Trägermaterial erhöht sein. Insbesondere können das erste elektronische Bauelement und die Stromschiene in derselben Ebene Kontakt zur Oberfläche des Trägermaterials finden, was die Bestückung vereinfachen kann.

Außerdem können mehrere Stromschienen an der Oberfläche des Trägermaterials nahe aneinander montiert werden. Die Dicke bzw. vertikale Höhe der Stromschiene können flexibel gewählt werden. Dabei kann die Dicke des Trägermaterials unabhängig davon variiert oder beibehalten sein. Eine Anzahl kritischer Maße der Stromschiene und des Trägermaterials kann verringert werden. Eine Toleranzkette zwischen der Stromschiene und dem ersten elektronischen Bauelement kann verbessert werden, da beide Elemente mittels des gleichen Prozesses am Trägermaterial verbaut werden. Eine elektrische und thermische Anbin- dung zwischen dem zweiten elektronischen Bauelement und der Stromschiene kann verbessert werden, da kein zusätzliches Element wie eine Ausfräsung, ein Microvia, eine Niete oder ein Stift zur elektrischen und mechanischen Anbindung des zweiten elektronischen Bauelements an der Stromschiene erforderlich ist. Ferner ist nach dem beschriebenen Verfahren vorteilhaft, dass die Oberfläche des Trägermaterials vor dem Bestücken eben sein kann, wodurch eine Vorbereitung des Trägermaterials, beispielsweise durch Anbringen von Weichlot an geplanten Kontaktstellen zwischen dem Trägermaterial und der Stromschiene bzw. dem Trägermaterial und dem ersten elektronischen Bauelement, erleichtert werden kann. Durch das Verlöten der Stromschiene mit dem Trägermaterial kann eine elektrische (und mechanische) Verbindung zwischen den beiden Elementen automatisch hergestellt werden. Ein zusätzliches Verbindungselement, wie beispielsweise eine Niete oder ein vertikaler Stift, werden nicht benötigt. Auf manuell ausgeführte Schritte kann weitestgehend verzichtet werden, so dass sich das Verfahren insbesondere für eine automatisierte industrielle Massenfertigung eignet.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird Weichlot in Form von Lotpaste auf dem Trägermaterial aufgebracht, bevor auf ihm das erste elektronische Bauelement oder die Stromschiene platziert wird. Insbesondere kann die Lotpaste in einem Arbeitsgang auf die ebene Oberfläche des Trägermaterials aufgedruckt werden, beispielsweise in Siebdruck-Technik.

Für die Verbindung des zweiten elektronischen Bauelements an der Oberfläche der Stromschiene kann ein Formteil aus Weichlot an der Stromschiene angebracht werden, bevor an ihr das zweite elektronische Bauelement platziert wird. In einer Ausführungsform wird das Formteil an der Stromschiene angebracht, bevor diese am Trägermaterial platziert wird.

In einer weiteren Ausführungsform wird vor dem Erhitzen zwischen der Stromschiene und dem Trägermaterial ein Klebemittel angebracht. Das Klebemittel kann insbesondere an der Stromschiene oder dem Trägermaterial angebracht werden, bevor die Stromschiene selbst am Trägermaterial platziert wird. Das Klebemittel, beispielsweise in Form eines oder zweier Klebe- punkte, kann der Fixierung der Stromschiene dienen, bis die Stromschiene mit dem Trägermaterial verlötet ist.

Eine hier beschriebene Stromschiene zur Verbindung eines elektronischen Bauelements mit einem Trägermaterial umfasst eine untere Oberfläche mit einem ebenen Abschnitt zur Oberflächenmontage der Stromschiene an dem Trägermaterial und eine obere Oberfläche mit einem ebenen Abschnitt zur Oberflächenmontage eines elektronischen Bauteils an der Stromschie- ne . Insbesondere sind die untere und die obere Oberfläche an entgegengesetzten Seiten der Stromschiene vorgesehen.

Vorzugsweise sind die Abmessungen der Stromschiene ausreichend klein, um eine Bestückung der Stromschiene auf dem Trä- germaterial mittels eines Bestückungsautomaten für

oberflächenmontierbare Bauelemente zu ermöglichen. Für die automatisierte Bestückung kann eine Vielzahl Stromschienen auf einem entsprechenden Halter („tray") bereitgestellt sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist in der oberen Oberfläche der Stromschiene eine Vertiefung zur Aufnahme eines Depots von Weichlot angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Stromschiene das in der Vertiefung angeordnete Depot von Weichlot. Das Depot kann durch ein vorgeformtes Stück Weichlot („preform") bereitgestellt sein. Die Montage des zweiten elektronischen Bauelements als letzter Arbeitsgang vor dem Verlöten der elektronischen Leistungsschaltung kann dadurch erleichtert werden. Ein erfindungsgemäßes System von mehreren Stromschienen zur

Verbindung eines elektronischen Bauelements mit einem Trägermaterial umfasst eine erste und eine zweite der oben beschriebenen Stromschienen, wobei die erste Stromschiene einen lateralen Vorsprung und die zweite Stromschiene eine dazu korrespondierende laterale Ausnehmung aufweist, so dass die Stromschienen unter Eingreifen des Vorsprungs in die Aussparung unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet werden kön- nen . Die Ausnehmung und der Vorsprung sind insbesondere zueinander komplementär .

Durch Nebeneinanderplatzieren mehrerer erster und zweiter Stromschienen können so unterschiedliche Stromschienen zusammengesetzt werden. Eine Anzahl unterschiedlicher Teile in der elektronischen Leistungsschaltung kann dadurch reduziert sein, wodurch sich Kostenvorteile in der Herstellung ergeben können .

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten und zweiten Stromschienen Querschnitte auf, die aus einer gemeinsamen Grundform abgeleitet sind. Die Grundform kann insbesondere ein Rechteck oder ein Quadrat umfassen. Die ersten und zweiten Stromschienen können so nach Art von Puzzle-Stücken ein- oder mehrseitig aneinander anlegbar sein, insbesondere um lückenlos aneinander zugrenzen .

Als elektronische Bauelemente werden Bauelemente bezeichnet, die zur Umsetzung einer elektronischen Schaltung verwendet werden. Die Bauelemente selbst sind elektrische oder elektronische Schaltungskomponenten, beispielsweise Halbleiterbauelemente, Kapazitäten, Induktivitäten, Leitungen oder Anschlusskontakte. Vorzugsweise ist mindestens eines der Bauelemente, insbesondere des Verfahrens, der Stromschiene oder des Systems, ein Leistungsbauelement, insbesondere ein Leis- tungs-Halbleiterbauelement . Leistungsbauelemente werden vorzugsweise auf der Stromschiene platziert bzw. Leistungsbauelemente werden vorzugsweise auf der Stromschiene platziert. Insbesondere das zweite Bauelement ist ein Leistungsbauelement, vorzugsweise ein Halbleiterbauelement. Mindestens eines der Bauelemente, mindestens eines der Bauelemente, welches ein eigenes Gehäuse aufweist, und insbesondere das mindestens eine Leistungsbauelement ist vorzugsweise ein zur Oberflächenmontage eingerichtetes Bauelemente bzw. eine SMT- Bauelement. Das Leistungsbauelement ist eingerichtet, einen Strom von vorzugsweise mindestens 1 A, 5 A, 10 A, oder 20 A zu führen oder zu schalten.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist mindestens eines der Bauele- mente ein Schalter, insbesondere ein elektronischer Schalter. Weiterhin kann mindestens eines der Bauelemente und insbesondere das zweite Bauelement ein MOSFET, ein IGBT, ein Thyristor, ein TRIAC, ein Transistor oder eine Diode sein oder mindestens eines dieser Halbleiterbauelemente umfassen. Weiter- hin kann vorgesehen sein, dass ein Leistungsbauelement über eine erfindungsgemäße Stromschiene mit einer Leitung oder mit einem Anschlusskontakt verbunden ist, der für Leistungsanwendungen ausgelegt ist und insbesondere zum Führen von Strömen von mindestens 1 A, 5 A, 10 A, oder 20 A ausgelegt ist.

Zudem kann mindestens eines der Bauelemente ein integrierter Schaltkreis, insbesondere ein MikroController, eine Ansteuerschaltung, ein Prozessor oder eine Treiberschaltung sein, die zur Abgabe von Steuersignalen an ein Leistungsbauelement ein- gerichtet ist. Derartige Steuersignale werden mit Stromstärken von vorzugsweise kleiner als 1 A, kleiner als 100 mA oder kleiner als 10 mA vorgesehen. Die Bauelemente sind an die zu führende, zu schaltende oder zu steuernde Stromstärke ange- passt, insbesondere durch Leitungsguerschnitte . Das erste Bauelement ist vorzugsweise ein integrierter Schaltkreis, insbesondere ein MikroController, eine Ansteuerschaltung, ein Prozessor oder eine Treiberschaltung, oder diskretes bzw. ein passives oder aktives Bauelement eingerichtet für Ströme nicht größer als 1 A, 100 mA oder 10 mA.

Die Bauelemente umfassen mindestens eine passives und/oder mindestens ein aktive Schaltungskomponente bzw. Bauteil. Die Bauelemente umfassen mindestens eine diskrete und/oder mindestens eine integrierte Schaltungskomponente.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben. Dabei zeigen: Figur 1 eine elektronische Leistungsschaltung;

Figur 2 ein Verfahren zur Herstellung der elektronischen

Leistungsschaltung aus Figur 1;

Figur 3 eine modulare Stromschiene für die Leistungs schal- tung aus Figur 1; und

Figur 4 ein System unterschiedlicher Stromschienen entspre- chend der aus Figur 3.

Die Figur 1 zeigt eine Leistungsschaltung 100. Im oberen Bereich der Darstellung ist eine Draufsicht, im unteren Bereich ein Längsschnitt durch die Leistungsschaltung 100 darge- stellt.

Die Leistungsschaltung 100 umfasst ein Trägermaterial 105, eine Stromschiene 110, ein erstes elektronisches Bauelement 115 sowie ein zweites elektronisches Bauelement 120. In der unteren Darstellung ist zusätzlich ein Kühlelement 122 dargestellt, das jedoch nicht notwendigerweise Bestandteil der Leistungsschaltung 100 ist.

Das Trägermaterial 105 umfasst vorzugsweise einen Kern 125, an dessen oberer Oberfläche eine Leiterbahn 130 angeordnet ist. Eine weitere Leiterbahn 130 kann sich an der unteren Oberfläche des Kerns 125 erstrecken, wobei einander gegenüberliegende Leiterbahnen 130 in vertikaler Richtung miteinander verbunden sein können. Die Stromschiene 110 und das erste elektronische Bauelement 115 können mit der Leiterbahn 130 des Trägermaterials 105 verlötet werden, indem ein Weichlot an der oberen Oberfläche des Trägermaterials 105 angebracht ist, mit welchem untere Oberflächen des ersten elektronischen Bauelements 115 bzw. der Stromschiene 110 in Kon- takt stehen, und das Weichlot vorübergehend erhitzt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Weichlot in Form von Lotpaste 135 mittels eines Druckverfahrens auf der oberen Oberfläche des Trägermaterials 105 angebracht, bevor die Stromschiene 110 oder das erste elektronische Bauelement 115 auf ihr platziert werden. Um die Stromschiene 110 auf dem Trägermaterial 105 zu fixieren, kann ein Klebemittel 132 eingesetzt werden, das vor dem Platzieren der Stromschiene 110 auf die Stromschiene 110 oder das Trägermaterial 105 aufgebracht wird. Das Klebemittel 132 kann beispielsweise zur Bildung eines oder mehrerer Klebe- punkte verwendet werden.

Zum Verlöten des zweiten elektronischen Bauelements 120 an der Stromschiene 110 kann wieder ein Weichlot in Form von Lotpaste 135, wie oben beschrieben wurde, zwischen dem zwei- ten elektronischen Bauelement 120 und der Stromschiene 110 vorgesehen werden. Alternativ dazu kann ein Formteil 140 aus Weichlot an der Oberfläche der Stromschiene 110 oder der unteren Oberfläche des zweiten elektronischen Bauteils 120 befestigt werden, bevor das zweite elektronische Bauteil 120 an der Stromschiene 110 angebracht wird.

In der exemplarisch dargestellten Ausführungsform ist das zweite elektronische Bauelement 120 mit zwei nebeneinander liegenden Stromschienen 110 verbunden. Ferner umfasst das zweite elektronische Bauelement 120 einen vertikalen An- schluss zur unmittelbaren Kontaktierung mit einer Leiterbahn 130 des Trägermaterials 105. In der dargestellten Variante umfasst das Trägermaterial 105 eine Aussparung 145, um es dem Kühlelement 122 zu erlauben, die untere Oberfläche der Strom- schiene 110 zu kontaktieren. Das Kühlelement 122 ist üblicherweise an einem Einsatzort der Leistungs Schaltung 100 vorgesehen und kann beispielsweise im Automobilbau in einem Karosserieblech bestehen oder mit einem solchen verbunden sein. Die Figur 2 zeigt in symbolischer Weise Schritte eines Verfahrens 200 zur Herstellung der elektronischen Leistungsschaltung 100 aus Figur 1. In einem ersten Schritt 205 wird ein Weichlot, bevorzugterweise in Form von Lotpaste 135, auf der Oberfläche des Trägermaterials 105 angebracht. Anschließend wird in einem Schritt 210 das erste elektronische Bauelement 115 auf der Oberfläche des Trägermaterials 105 platziert. Dieser Schritt wird bevorzugterweise mittels eines SMD-Bestückungsautomaten durchgeführt. Weiter bevorzugt wird, nachdem alle einer Vielzahl erster elektronischer Bauelemente 115 auf dem Trägermaterial 105 platziert sind, in einem Schritt 215 die Strom- schiene 110 ebenfalls auf dem Trägermaterial 105 platziert. Auch dieser Schritt kann durch den Bestückungsautomaten durchgeführt werden. In einer Ausführungsform wird auch ein Klebemittel 132 an dem Trägermaterial 105 oder der Stromschiene 110 angebracht, bevor die Stromschiene 110 platziert wird.

Obwohl die Stromschiene 110 auch vor einem oder mehreren der ersten elektronischen Bauelemente 115 an dem Trägermaterial 105 platziert werden kann, kann es vorteilhaft sein, die Stromschiene 110 erst spät zu montieren, um eine Zugänglichkeit des Trägermaterials 105 nicht durch die relativ große Stromschiene 110 zu beeinträchtigen.

In einem nachfolgenden Schritt 220 wird Weichlot in Form des Formteils 140 auf die obere Oberfläche der Stromschiene 110 oder die untere Oberfläche des zweiten elektronischen Bauteils 120 aufgebracht. Anstelle des Formteils 140 kann auch Weichlot in einer anderen Form, vorzugsweise als druckbare Lotpaste 135, verwendet werden. Daraufhin wird das zweite elektronische Bauelement 120 in einem Schritt 225 auf der Oberfläche der Stromschiene 110 platziert.

Um eine relative Positionierung der Stromschiene 110 am Trägermaterial 105 zu gewährleisten, kann das Kühlelement 122 oder ein entsprechend geformter Abstandhalter in die Aussparung 145 eingesetzt werden, bevor ein letzter Schritt 230 ausgeführt wird, in dem die Leistungsschaltung 100 erhitzt wird, um die elektronischen Bauelemente 115, 120, die Stromschiene 110 und das Trägermaterial 105 miteinander zu verlöten. Nach dem Abkühlen der Leistungsschaltung 100 kann das Kühlelement 122 wieder entfernt werden. Mit dem Abschluss des Lötvorgangs ist die Leistungsschaltung 122 fertiggestellt.

Die Figur 3 zeigt eine modulare Stromschiene 305, die als Stromschiene 110 in der Leistungs Schaltung 100 aus Figur 1 eingesetzt und insbesondere mittels des in Figur 2 gezeigten Herstellungsverfahrens 200 verarbeitet werden kann. Dargestellt ist eine dreiseitige Darstellung, wobei oben links eine Vorderansicht, oben rechts eine Seitenansicht und unten eine Draufsicht der Stromschiene 305 dargestellt ist. Die Stromschiene 305 weist in der Draufsicht einen Querschnitt bzw. eine Grundfläche auf, die aus einem Rechteck, insbesondere aus einem Quadrat, hervorgeht. An einer Seite des Grundkörpers ist eine Ausnehmung 310 und an einer anderen Seite ein Vorsprung 315 vorgesehen. In der Figur 3 liegen die Ausnehmung 310 und der Vorsprung 315 einander gegenüber, sie können jedoch auch in benachbarten Seiten des rechteckigen Grundkörpers liegen. Die Ausnehmung 310 und der Vorsprung 315 korrespondieren zueinander, so dass der Vorsprung 315 einer ersten Stromschiene 305 in die Ausnehmung 310 einer zweiten Stromschiene 305 möglichst genau eingreifen kann. Dabei liegen die Stromschienen 305 vorzugsweise ohne Zwischenraum aneinander an. Die Ausnehmung 310 und der Vorsprung 315 können dementsprechend auch anders als dargestellt Trapezoide oder abgerundete Formen nach Art eines Puzzle-Stücks aufweisen. Die Ausnehmung und der Vorsprung sind komplementär zueinander ausgestalte, vorzugsweise derart, dass diese ineinandergeschoben werden können. Die Ausnehmung bzw. die Ausnehmung und der Vorsprung weisen keine Hinterschneidung auf. Um ein elektrisches und mechanisches Verbinden der beiden aneinander anliegenden Stromschienen 305 zu erleichtern, ist im Bereich des Vorsprungs 315 eine Vertiefung 320 zur Aufnahme von Weichlot in Form von Lotpaste 135 oder eines Formteils 140 vorgesehen. In anderen Ausführungsformen kann die Vertiefung 320 auch im Bereich einer Begrenzung der Vertiefung 320 in die Stromschiene 305 eingebracht sein.

Figur 4 zeigt ein System 400 unterschiedlicher modularer Stromschienen 305 in weiteren Ausführungsformen 405 bis 440. Jede der dargestellten Stromschienen 405 bis 440 weist wenigstens eine Ausnehmung 310 oder einen Vorsprung 315 auf. Dabei geht eine Grundform aller dargestellten Stromschienen 405 bis 440 von der rechteckigen bzw. guadratischen Grundform, die oben mit Bezug auf Figur 3 erläutert wurde, aus.

Die Ausführungsformen 405 und 415 sind zueinander komplemen- tär, indem ihre Draufsichten zueinander spiegelverkehrt sind. Die Ausnehmung 310 und der Vorsprung 315 liegen jeweils an benachbarten Seiten des rechteckigen Grundkörpers der Stromschienen 405 bzw. 415. Die anderen beiden Seiten bilden keine Ecke, sondern sind in Form eines Bogens ineinander überge- führt.

Die Stromschiene 435 weist zusätzlich eine vertikale Ausnehmung 445 auf. Außerdem ist der rechteckige bzw. guadratische Grundkörper in der Darstellung von Figur 4 in vertikaler Richtung verlängert, so dass die Vertiefung 320 den Grundkörper nicht verkleinert .

Bezugszeichenliste

100 Leistungs Schaltung

105 Trägermaterial

110 Stromschiene

115 erstes elektronisches Bauelement

120 zweites elektronisches Bauelement

122 Kühlelement

125 Kern

130 Leiterbahn

132 Klebemittel

135 Weichlot

140 Formteil

145 Aussparung

200 Verfahren

205 Anbringen von Lotpaste

210 Platzieren erstes Bauelement

220 Anbringen eines Formteils aus Weichlot

225 Platzieren zweites Bauelement

225 Erhitzen

305 modulare Stromschiene

310 Ausnehmung

315 Vorsprung

320 Vertiefung

400 System

405-440 modulare Stromschienen

445 Ausnehmung