具有印制线圈的多层电路板及其制造方法
阅读说明：本技术 具有印制线圈的多层电路板及其制造方法 (Multilayer circuit board with printed coils and method for producing same ) 是由 约尔格·克格勒尔 于 2016-11-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种具有印制线圈的多层电路板及其制造方法。多层电路板具有竖向叠置的扁平线圈(1～6),为了构成第一螺线管线圈(20),这些扁平线圈电串联或并联。为了改进多层电路板的散热提出的是,每两个竖向相邻的扁平线圈(1、2)彼此横向错开地布置,使得在垂直于多层电路板表面的横截面(8)中,一个扁平线圈(2)的导体迹线区段(26)与另一扁平线圈(1)的两个导体迹线区段(7)竖向部分重叠地布置。(The invention relates to a multilayer circuit board with printed coils and a manufacturing method thereof. The multilayer printed circuit board has vertically stacked flat coils (1-6) which are electrically connected in series or in parallel in order to form a first solenoid coil (20). In order to improve the heat dissipation of the multilayer printed circuit board, it is proposed that every two vertically adjacent flat coils (1, 2) are arranged laterally offset from one another such that, in a cross section (8) perpendicular to the surface of the multilayer printed circuit board, the conductor track section (26) of one flat coil (2) is arranged partially vertically overlapping the two conductor track sections (7) of the other flat coil (1).)
本申请是申请日为2016年11月9日，国家申请号为201680062506.2(PCT申请号为PCT/DE2016/200512)，题为“具有印制线圈的多层电路板及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种具有由叠置的扁平线圈形成的螺线管线圈的多层电路板及其制造方法。
背景技术
多层电路板或多片层电路板被理解为如下线路板：其具有多个竖向叠置的平面，这些平面分别配备有导体迹线。布置在不同平面上的导体迹线可以经由所谓的过孔彼此电连接。这些也被称为电通孔的过孔通常通过在其内直径处被金属化的竖向孔来实现。
例如，由DE 10 2008 062 575 A1公知了一种多层电路板。在此公开了一种直线马达，其初级部分被构造为多层电路板。该多层电路板的不同的层绝大部分装填有能通电的线匝。叠置的线匝分别形成直线马达的相的线圈。以该方式和方法能够实现用于直线马达的特别轻巧且紧凑的初级部分，其特别适合作为用于高动态应用的动子。
图1在垂直于多层电路板表面的横截面8中示出了由现有技术公知的用于构成螺线管线圈的扁平线圈1～6的布置。在多层电路板的每个平面中，在此示例性地存在有分别具有三个线匝的扁平线圈1～6，线匝呈螺旋状地要么从内向外延伸，要么从外向内延伸。例如，第一扁平线圈1从外向内绕线并且经由电过孔与位于下面的、第二扁平线圈2电连接。第二扁平线圈2又从内向外呈螺旋状地绕线并且其本身又经由在此未示出的另外的电过孔与在多层电路板的第三平面中的第三扁平线圈3连接。以该方式和方法提供了延伸经过多层电路板的六个平面的螺线管。
多层电路板技术也特别适用于以紧凑且轻巧的结构形式实现具有高的电功率的应用。对此的示例是来自DE 10 2008 062 575 A1的直线马达的已述的初级部分，其实现为多层式的线路板。由于在这种应用中的高电流，使得散热在此是特别的挑战。因此，例如(如图1所示)在内部的导体迹线中生成的热必须横向地被引导至靠外的电路板边缘，随后能够在那里将热向电路板的表面导出。在每个扁平线圈的线匝的各个导体迹线之间设置有绝缘间距，其可以位于几百微米的数量级中。电绝缘例如通过预浸料层得到确保，然而，该预浸料层的导热系数较低。因此将热从这种多层电路板的中央区域导出是特别的挑战。
发明内容
本发明的任务是，改进以多层电路板形式实现的线圈的散热。
根据本发明的多层电路板包括多个竖向叠置的扁平线圈。这些扁平线圈例如首先被施装到多个单电路板上，其中，单电路板优选地被堆叠，用以形成多层电路板。优选地，在每个单电路板上，在上侧和其下侧上分别布置扁平线圈。以该方式和方法，使得两个相互堆叠的单电路板形成总共四个扁平线圈的堆垛，其中，相互堆叠的单电路板优选通过绝缘层，例如是预浸料层彼此隔离。
竖向叠置的扁平线圈根据本发明被电串联。这可以优选利用也被称为过孔的电通孔来实现。电串联的扁平线圈构成根据本发明的第一螺线管线圈。每个单个的扁平线圈优选成螺旋状地在其各自的平面中绕线。因此例如处于多层电路板的顶层中的第一扁平线圈例如在多层电路板的平面中呈螺旋状地从内向外延伸。而沿电路板的竖向方向观察布置在第一扁平线圈下面的第二扁平线圈呈螺旋状地从外向内延伸。
在本文中，线匝的呈螺旋状的走向被理解为如下类型的绕组：在其中，扁平线圈的各个线匝由唯一的平坦的导体迹线形成并且在一个平面中盘绕。在此，导体迹线引导部的特征可以在于具有倒圆部，但也可以有棱角地延伸。
本发明现基于如下认识，即，当每两个竖向相邻的扁平线圈彼此横向错开地布置，使得在垂直于多层电路板表面的横截面中，一个扁平线圈的导体迹线区段与另一扁平线圈的两个导体迹线区段竖向部分重叠地布置时，可以显著改善多层电路板的(尤其沿横向方向的)导热系数。以该方式和方法，在扁平线圈的内部的线匝中生成的热可以很容易地被传递到竖向和横向相邻的扁平线圈的沿横向方向观察更靠近电路板的边缘的线匝上。这是因为出于工艺技术上的原因，竖向部分重叠的导体迹线区段之间的绝缘间距与布置在导体迹线电路板的同一平面中的两个线匝之间的绝缘间距相比可以明显更小地实现。
出于工艺技术上的原因，在所参与的导体迹线区段之间在一个平面中的两个线匝之间的间距并不能够选择为任意小。相反地，多层电路板的单电路板可以通过相对较薄的预浸料层来彼此电绝缘。该预浸料层例如可以减少到仅40μm的范围，以便确保充分的电绝缘，而出于工艺技术上的原因，各个线匝之间的导体迹线间距不能选择为小于200μm。
因此，竖向相邻的扁平线圈的竖向部分重叠的导体迹线区段之间的热传递明显要好于扁平线圈的不同的线匝的两个布置在同一平面中的导体迹线区段之间的热传递。
根据本发明的叠置的扁平线圈的横向错位所导致的是，横截面在其整个横向延展上穿插有导体迹线区段。两个导体迹线区段之间的热转移主要沿竖向方向发生，在那里由于绝缘间距较小，使得热阻相对较小。这导致的是，在多层电路板内部的横向的热传导几乎像在穿过整个电路板的没有中断的金属层的情况下一样得到确保。
在其线匝电并联的两个竖向相邻的扁平线圈之间能够实现特别低的热阻。在该情况下，两个竖向相邻的扁平线圈的所述线匝只需要通过非常薄的预浸料层隔离，例如具有20μm和40μm之间的厚度的预浸料层。通过根据本发明的这些相邻的扁平线圈的横向错位能够在所使用的在相邻的扁平线圈之间的绝缘层的厚度较小的情况下实现彼此部分重叠地布置的所参与的导体迹线区段之间的出色的热转移。
特别有利的是本发明的如下构造方案：在其中，布置在单层上的分别处于该单层的上侧和下侧上的扁平线圈电串联，而配属于两个不同的导体迹线载体的两个竖向相邻的扁平线圈电并联。以该方式和方法，通过在配属于被隔离的单线路板的两个竖向相邻的扁平线圈之间选择相应薄的预浸料层来非常容易地实现较小的绝缘间距。
根据本发明的多层电路板已经明显改善了对布置在电路板上的仅一个螺线管线圈的散热。然而在许多应用中适宜的是，在多层电路板上布置有多个螺线管线圈。这例如是直线马达的情况，该直线马达具有初级部分和次级部分，初级部分构造为根据在此所述的实施方式中任一项所述的多层电路板，次级部分具有永磁体并经由气隙与初级部分间隔开。
因此，本发明的有利的实施方式的特征在于，多层电路板具有至少一个第二螺线管线圈，其相对第一螺线管线圈横向错开地布置，其中，第二螺线管线圈的扁平线圈的外导体迹线区段呈梳状地嵌入到第一螺线管线圈的扁平线圈的外导体迹线区段中，从而在所述的横截面中，第二螺线管线圈的外导体迹线区段分别与第一螺线管线圈的至少一个外导体迹线区段竖向部分重叠地布置。因此，在所述的横截面中，导体迹线区段的搭叠状的布置也超出线圈边界地延续下去。
第一螺线管线圈的外导体迹线区段与第二螺线管线圈的外导体迹线区段部分重叠，必要时也与第二螺线管线圈的两个这种外导体迹线区段部分重叠。被引入到第一螺线管线圈的外导体迹线区段中的热因此可以沿竖向方向经由相对较小的绝缘间距传递到第二螺线管线圈的一个外导体迹线区段或多个外导体迹线区段上。以该方式和方法，来自多层电路板的中央的内部区域的沿横向方向的热传输出色地也超出线圈边界地传递到多层电路板的外边缘区域中，类似于在实心的金属板的情况下那样。
当多层电路板具有如下的无源的导体迹线结构时，在多层电路板的一个或多个螺线管线圈中生成的热可以以有利的方式被引导至多层电路板的一个或两个表面上：该无源的导体迹线结构与多层电路板的所有载流的导体迹线电流隔离，相对第一螺线管线圈横向错开地布置并且呈梳状地嵌入到第一螺线管线圈的扁平线圈的外导体迹线结构中。因此，在该实施方式中也设置有导体迹线区段的搭叠状重叠的形式，以便于横向热传输。在该情况下设置的是，热从第一螺线管线圈传递到不载流的无源的导体迹线结构上。该无源的导体迹线结构现在能够实现的是，将热导出至多层电路板的一个或多个表面上。这种向多层电路板的一个或多个表面上的热传输通过如下方式变得简单，即，无源的导体迹线结构不必像一个螺线管线圈或多个螺线管线圈的导体迹线所要求的那样进行绝缘。
在本发明的特别有利的设计方案中，从无源的导体迹线结构向一个或两个表面的热传输可以通过如下方式变得简单，即，多层电路板具有竖向穿透无源的导体迹线结构的能导热的过孔。这些能导热的过孔的任务是，将之前基本上横向传输通过多层电路板的热沿竖向方向例如传输至布置在多层电路板表面上的冷却体。
在此可行的是，在多层电路板的仅一个表面上布置有冷却体。然而替选地，也可以使多层电路板的两个表面均设有冷却体，用以散热。
在本发明的特别有利的设计方案中，从能导热的过孔向一个或多个冷却体的特别好的热转移可以通过如下方式来实现，即，能导热的过孔与布置在多层电路板表面上的冷却体碰触。当布置在多层电路板上的螺线管线圈仅以适度的电压运行时尤其如此。例如，当电路板内部的电位差不大于150V时，得到了在该意义下的适度的电压。在该情况下，没有必要更强地使能导热的过孔相对于冷却体绝缘。在此，多层电路板的两个表面都可以设有冷却体，用以散热。在此适宜的是，能导热的过孔与两个冷却体碰触。
然而，如果在多层电路板内部以非常高的电压工作，则本发明的如下实施方式是有利的，在其中，多层电路板具有绝缘的覆盖层，其遮盖至少一个近表面的扁平线圈和热过孔。必要时，这种绝缘的覆盖层必须设置在多层电路板的两个表面上，以便确保不出现不允许高的碰触电压。例如，当在多层电路板内部的电位差可能会大于500V时，得到了在该意义下的高电压。
尤其地，在电并联的两个相邻的扁平线圈之间值得期待的是，绝缘间距保持尽可能小。由此，一方面得到在实施根据本发明的教导时的最佳的热传输。另一方面，多层电路板的结构高度不会大于所需要地来设计。在本发明的有利的设计方案中，两个竖向相邻的扁平线圈之间的特别薄的绝缘层能够通过如下方式得以确保，即，多层电路板的平面通过位于所述的相邻的扁平线圈之间的烤漆层彼此机械连接。在此有利地取消了用于对竖向叠层的、在它们的上侧和下侧上分别施装有至少一个扁平线圈的单电路板进行隔离的预浸料层。
尤其是当根据本发明的多层电路板要被用作直线马达的初级部分时，本发明的如下设计方案是有利的：在其中，第一螺线管线圈垂直于多层电路板表面地穿插有铁芯。如果在第一螺线管线圈旁边还设置有另外的螺线管线圈，则有利的是，该另外的螺线管线圈也穿插有铁芯。
附图说明
下面将参照附图中所示的实施例详细阐述本发明。其中：
图1示出穿过根据现有技术的具有螺线管线圈的多层电路板的横截面；
图2示出穿过根据本发明的多层电路板的实施方式的横截面，在其中能够看到第一螺线管线圈；
图3示出穿过根据本发明的多层电路板的另外的实施方式的横截面，其具有两个螺线管线圈；
图4示出穿过根据本发明的多层电路板的另外的实施方式的横截面，其具有第一螺线管线圈和无源的导体迹线结构；
图5示出穿过多层电路板的另外的实施方式的横截面，其具有根据图4的第一螺线管线圈和无源的导体迹线结构；
图6示出根据本发明的多层电路板的实施方式的俯视图，其具有六个横向地相邻的螺线管线圈；
图7示出直线马达的示意图，其初级部分以根据本发明的多层电路板的实施方式的形式实现。
具体实施方式
图1示出了由现有技术公知的螺线管线圈，其构造为多层电路板。多层电路板由三个相叠成层的单电路板构建而成。这三个电路板中的每一个电路板在电路板的上侧和单电路板的下侧上都具有呈螺旋状的扁平线圈1～6。因此，堆垛的最靠上的单电路板在其上侧上承载有第一扁平线圈1，从其中在横截面8中能看到三个线匝，它们横向并排布置。在形成堆垛的最靠上的平面的单电路板的下侧上存在有第二扁平线圈2，其绕线方向相应于第一扁平线圈1的绕线方向。
在由具有第一扁平线圈1和第二扁平线圈2的第一单电路板形成的第一平面下面是第二单电路板，在其上侧上施装有第三扁平线圈3并且在其下侧上布置有第四扁平线圈4，这些扁平线圈3、4在其绕线形式方面也相应于第一平面的扁平线圈1、2。最后，在多层电路板的最靠下的平面上存在有另外的单电路板，在其上侧上布置有第五扁平线圈5，并且在其下侧上布置有第六扁平线圈6。在绕线的构造方面，第五和第六扁平线圈5、6相应于布置在其上方的扁平线圈1、2、3、4。
在制造工艺期间，首先制造具有配属于它们的扁平线圈1～6的单电路板。随后，在不同的单电路板之间布置绝缘的、在此并未示出的预浸料层，通过预浸料层分别使单电路板的下扁平线圈2、4与位于这些扁平线圈下方的分别布置在其下的单电路板的上扁平线圈3、5电绝缘。
不同的扁平线圈的导体迹线通常由铜制成并且位于形成各自的单层或单电路板的PCB基板、如例如FR4上。在通过一片或两片预浸料材料使不同的基板分别隔离地相互堆叠之后，层压出如此生成的总堆叠，以便在基板之间建立机械连接。
为了由不同的扁平线圈1～6成形出螺线管线圈，扁平线圈1～6仍然必须彼此电接触。这通常是通过电通孔，即在图1中未示出的所谓的过孔实现。
每个扁平线圈1～6的不同的线匝的导体迹线区段必须在横向方向上足够远地彼此间隔开，以便确保各个线匝之间的电绝缘。然而，该电绝缘距离也必须在导出热时被克服，该热在每个扁平线圈1～6的内部的线匝中生成并能够在多层电路板的边缘处朝表面的方向导出。图1示例性地示出了第三扁平线圈3的最靠内地示出的线匝的热流。尤其是当每个导体迹线的横截面要选择为很大以便能够引导尽可能高的电流时，然而受制造限制得到了几百微米的数量级的沿横向方向的导体迹线的间距。因此可以看出，该电绝缘间距对于多层电路板散热来说是阻碍。
图2示出了穿过根据本发明的多层电路板的实施方式的横截面8。在此，多层电路板也形成螺线管线圈，其通过将总共六个扁平线圈1～6进行电互连来形成，这些扁平线圈布置在竖向叠置的平面中。在此，第一单层也在其上侧上承载第一扁平线圈1并且在其下侧上承载第二扁平线圈2。在形成多层堆垛之前，这两个扁平线圈1、2被施装到PCB基板上。这同样适用于第三扁平线圈3和第四扁平线圈4，它们同样在制成总堆垛之前也被施装到PCB基板上。同样地，第五扁平线圈5被施装到第三单层电路板的上侧上，并且第六扁平线圈6被施装到该单电路板的下侧上。
然而，与图1所示的现有技术相比，在此，两个在竖向方向上紧邻的扁平线圈1～6分别在横向方向上相互错开地布置。以该方式和方法确保的是，例如第二扁平线圈2的每个导体迹线区段26与第一扁平线圈的两个导体迹线区段7竖向部分重叠地布置。同样地，例如，第三扁平线圈3的居中的线匝的导体迹线区段以与第二扁平线圈2的两个竖向上看在其之上的导体迹线区段部分重叠的方式布置。
所绘制的箭头指明的是，如何通过在竖向方向上紧邻的扁平线圈的横向错位改进了将热从每个扁平线圈1～6的内部的线匝传输至每个扁平线圈1～6的外边缘区域。示例性地，在图2中针对第二和第三扁平线圈2、3的热传输进行示出。由于在竖向方向上相邻的两个导体迹线区段之间的区段式的重叠区域，使得只需跨过由电绝缘且进而也是隔热的材料形成的明显更小的间距。
在图2中还能够看到的是，第二扁平线圈2与第三扁平线圈3的之间的在竖向方向上的间距小于第一扁平线圈1与第二扁平线圈2之间的间距。同样地，第四扁平线圈4与第五扁平线圈5之间的间距明显小于第五扁平线圈5与第六扁平线圈6之间的间距。这一情况归因于上述的单层之间的成为基础的连接技术。如果为了连接单电路板只使用非常薄的预浸料材料，或者替选地使用纯粹的烤漆层，则可以将连接成堆垛的单电路板之间的绝缘的连接层选择为小于其上布置有每个单电路板的扁平线圈的基板的厚度。只要所要求的电绝缘间距是允许的，则以该方式和方法就能够更进一步改进从螺线管线圈的中央的内部区域至螺线管线圈的外区域的热传导。
图3示出了相应于本发明的多层电路板的实施方式的横截面8，在其中，在多层电路板上彼此横向相邻地布置有两个螺线管线圈。靠左布置在横截面8中的第一螺线管线圈包括六个竖向叠置的扁平线圈1～6，它们以已经结合图2所述的方式和方法分别彼此横向错开地布置。在横向观察，第一螺线管线圈的扁平线圈1～6呈梳状地嵌入到横向紧邻的具有扁平线圈9～14的第二螺线管线圈中。这种嵌入分别发生在外导体迹线区段27、15的区域中。如可以看到的是，通过呈梳状的嵌入确保的是，第二螺线管线圈的外导体迹线区段15与第一螺线管线圈的至少一个外导体迹线区段27竖向部分重叠地布置。通过该重叠，能以特别有效的方式和方法实现两个所参与的螺线管线圈之间的热传输。如可以看到的是，在此也只需克服两个螺线管线圈的两个在竖向方向上相邻的外导体迹线区段之间的相对小的竖向间距，以便能够实现横向的热传输。
以该方式和方法，在横向观察，可以将许多螺线管线圈并排布置在多层电路板上，并且在此确保了在多层电路板中沿横向方向的出色的热传输，其接近实心金属层的热特性。
图4以横截面8示出了根据本发明的多层电路板的另外的实施方式。又可以看到第一螺线管线圈的六个竖向叠置的扁平线圈1～6。扁平线圈1～6的布置基本上相应于已经结合图1阐述的布置。在横截面8的左侧区域中可以看到无源的导体迹线结构16，其呈梳状地嵌入到第一螺线管线圈的外导体迹线区段27中。该无源的导体迹线结构16被排除在电流流动之外，也就是说，它与多层电路板的所有载流的元件电流隔离。无源的导体迹线结构16的任务是，将以已述的方式和方法沿横向方向通过多层电路板传导的热以非常有效的方式和方法竖向朝多层电路板的一个或两个表面传输。
在这些表面中的一个表面上，示例性地布置有冷却体18，经由该冷却体最终将热排出到周围环境。显而易见地，这种冷却体18还可以附加地处于所示的多层电路板的下侧上。现在为了以最佳的方式和方法将热从无源的导体迹线结构16沿竖向方向朝冷却体18的方向传输，无源的导体迹线区段16穿插有能导热的过孔17。在此，能导热的过孔例如可以是随后以能良好导热的金属填充的孔。因为导体迹线结构16不是电作用的，所以通过能导热的过孔所造成的无源的导体迹线结构16的各个导体迹线的短路是无害的。
如在图4中可以看到所示的处于与冷却体18直接接触下的能导热的过孔17。由此得到无源的导体迹线结构16与冷却体18之间的近乎理想的导热特性。然而，如果螺线管线圈要被加载以更高的电压，就可能会使螺线管线圈的外导体迹线区段27与无源的导体迹线结构16之间的绝缘间距不足以确保足够的碰触保护。
因此，对于高电压应用来说，推荐了图5中示出的本发明的另外的有利的实施方式。示例性地，提到了在具有直流电压中间回路和750V的中间回路电压的逆变器中的应用。该构造基本上相应于已经在图4中示出的横截面8，然而其中，现在在冷却体18、最靠上的第一扁平线圈1的导体迹线及能导热的过孔17之间施装有绝缘的预浸料层19。同样地，在电路板的下侧上存在有这种绝缘层19，在其上同样能够可选地还存在有另外的、未示出的冷却体。预浸料层选择得足够薄，以便不过度阻碍从能导热的过孔17至冷却体18的热传输。然而，同时预浸料层选择得如此之厚，使得确保了针对多层电路板的足够的碰触保护。通过在多层电路板的两个表面上的预浸料层19可以得到电路板的非常光滑的表面。
图6以俯视图示出了根据本发明的多层电路板的实施方式。多层电路板被用作直线马达的初级部分22。除了第一螺线管线圈20和第二螺线管线圈21之外，横向地在已述的线圈旁边还存在有四个另外的结构相同的螺线管线圈。每个单个的螺线管线圈被构建成使得沿竖向方向观察，它具有根据本发明的相邻的扁平线圈的横向错位。此外，每个螺线管线圈的最外的导体迹线区段分别呈梳状地嵌入到横向紧邻的螺线管线圈的最外的导体迹线区段中，其中，该嵌入以图3中所示的方式和方法实现。由此沿横向方向确保了各个螺线管线圈之间的多层电路板内部的导热系数，该导热系数接近实心金属板的导热系数。
图7示意性地示出了具有初级部分22的直线马达，该初级部分可以如图6中所示地构建为多层电路板。这样的初级部分22是非常紧凑且轻巧的，从而它特别适合于高动态应用。该初级部分22与次级部分23处于电磁相互作用中。次级部分包括埋入到软铁床中的永磁体24。初级部分22和次级部分23经由气隙25彼此间隔开。通过对存在于初级部分22的螺线管线圈进行适当的通电，可以实现初级部分22的平移式的高动态的运动。
附图标记列表
1 第一扁平线圈
2 第二扁平线圈
3 第三扁平线圈
4 第四扁平线圈
5 第五扁平线圈
6 第六扁平线圈
7、26 导体迹线区段
8 横截面
9～14 第二螺线管线圈的扁平线圈
15 第二螺线管线圈的外导体迹线区段
16 无源的导体迹线结构
17 能导热的过孔
18 冷却体
19 绝缘的覆盖层
20 第一螺线管线圈
21 第二螺线管线圈
22 初级部分
23 次级部分
24 永磁体
25 气隙
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