(57)【要約】      （修正有）【課題】パワー電子応用のＳＭＤから発散される熱を除去するための回路基板ユニットおよびその製造方法の提供。【解決手段】回路基板ユニットは、回路基板の最上部に、表面実装が可能のデバイスＳＭＤ１２、１４を取り付けるための上側に導電路１０を有するラミネート８を含む。回路基板最上ラミネート８は、ＳＭＤ１２から放散される予想された熱が回路基板最上ラミネート８の上側からその下側へ効果的に移送されるような厚さ寸法を有する。さらに、回路基板ユニットは、回路基板最上ラミネート８下に配置された電気絶縁ラミネート９と、高い放熱性を有するＳＭＤ１２の下方箇所で電気絶縁ラミネート９内に埋設され、良好な熱伝導性および電気絶縁性を有する材料から成る挿入物１５と、電気絶縁ラミネート９および挿入物１５下に配置された冷却板１６とを含む。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板ユニットを製造する方法であって、
回路基板の最上ラミネート（８、１９）であって表面実装が可能のデバイスＳＭＤ（１２、１４、１８、２１）を取り付けるための上側に導電路（１０）を有し、前記ＳＭＤ（１２、１８）から放散される予想される熱が前記回路板最上ラミネート（８、１９）の前記上側からその下側へ移送される厚さ寸法に回路基板最上ラミネート（８、１９）を作ること、
前記回路基板最上ラミネート（８、１９）下に絶縁ラミネート（９）を配置すること、
高い放熱性を有するＳＭＤ（１２、１８）の下方箇所で前記絶縁ラミネート（９）内に良好な熱伝導性および電気絶縁性を有する材料から成る挿入物（１５）を埋設すること、および
前記絶縁ラミネート（９）および挿入物（１５）下に冷却板（１６）を配置することを含む、回路基板ユニット製造方法。
【請求項２】
高い放熱性を有するＳＭＤ（１２、１８）の下方箇所で前記最上ラミネート（８、１９）の前記上側から下側へ放出された熱の移送のために、１以上のメッキされたスルーホール（１１）が設けられ、該スルーホール（１１）の数および形状は各ＳＭＤの予想される放熱に適合されている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記回路基板最上ラミネート（８、１９）は、ガラス繊維エポキシ樹脂材料またはパウダー充填ポリマーで形成されている、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
導電路（１０）のための少なくとも２つの平面が前記回路基板最上ラミネート（８、１９）上に形成されている、先の請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記回路基板最上ラミネート（８、１９）は０．１ｍｍおよび１ｍｍ間の厚さ、より好ましくは０．５ｍｍ未満の厚さに形成されている、先の請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記電気絶縁ラミネート（９）は、ガラス繊維エポキシ樹脂材料またはパウダー充填ポリマーで形成されている、先の請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記電気絶縁ラミネート（９）は、０．２ｍｍおよび２ｍｍ間の厚さ、より好ましくは０．６ｍｍ未満の厚さに形成されている、先の請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記挿入物（１５）は、高い熱伝導性および高い電気絶縁性の、特に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を有するセラミックで形成されている、先の請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記挿入物（１５）は、前記電気絶縁ラミネート（９）のそれと同一厚さに形成されている、先の請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
冷却板（１６）は、良好な熱伝導性および耐腐食性を有する金属または金属合金で形成されており、冷却通路（１７）は、前記冷却板（１６）中の冷却液の経路指定のために設けられている、先の請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
２つの回路基板ユニットが付加の側壁（２２）で結合されて回路基板モジュールになり、前記２つの回路基板ユニットの２つの冷却板（１６）が、前記回路基板モジュールの外壁を形成し、また前記側壁（２２）と共に密封されたパッケージを形成し、前記２つの回路基板ユニットはＳＭＤコネクタ（１３、２０）で電気的に直接的に相互接続され、前記各回路基板ユニットは、前記付加の側壁（２２）を通して密封された電気的接続（２３−２５）を経て外部に接続される、先の請求項のいずれか一項に記載の、回路基板モジュール製造方法。
【請求項１２】
複数の回路基板モジュールが１つシステムパックに統合され、前記回路基板モジュールは冷却板（１６）を共有するように、前記システムパック内に配置される、請求項１１に記載のシステムパック製造方法。
【請求項１３】
前記電気絶縁ラミネート（９）および挿入物（１５）は、前記冷却板（１６）に解除可能に結合される、先の請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記解除可能の結合は、
低融点のはんだ合金のはんだ付け結合、
再溶融可能のホットメルト結合、
取り外し可能な両面粘着性フィルム、および
前記回路基板最上ラミネート（８、１９）の前記上側と、空気透過性および熱伝導性を有する中間層（５０）であって一方の電気絶縁ラミネート（９）および挿入物（１５）と他方の冷却板（１６）との間にある中間層（５０）との間の空気圧差を介して、
のうちの少なくとも一つの結合によって生じる請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
空気透過性および熱伝導性を有する中間層（５０）は、
ワイヤメッシュ、
構造化されたフィルム、および
布地
の材料の少なくとも1つで作られる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
回路基板モジュールまたはシステムパックは、前記冷却液のためのすべてのポートおよびシールが下方へ向けられるように、機械に設置される、請求項１１ないし１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記冷却液には水が用いられる、請求項１０ないし１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
不凍液、腐食防止液および／または藻類や微生物に対する活性剤が前記水に付加される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記冷却板（１６）は、２枚構成の半ボードから成る、先のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記半ボードは、
機械加工、
加圧成形、
半ボードのさらなる層分離による切断、
鋳造、および
ダイカスト
の少なくとも一つの方法により作られる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記半ボードは、
接着、
ハンダ付け、
ろう付け、および
溶接
の少なくともいずれか一つの方法により、相互に結合される、請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項２２】
熱交換領域の構造は、前記２つ半ボードの相互結合によって迷路が具体化するように、形成される、請求項１９ないし２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
モジュールまたはシステムパックは、ＥＤＭを使うために水または誘電体中に置かれる、請求項１１ないし２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記モジュールまたはシステムパックは、原子力発電所の水で満たされた原子炉内の試料サンプリングのためのロボットマニピュレータに取り付けられる、請求項１１ないし２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
回路基板の最上ラミネート（８、１９）であって表面実装が可能なデバイスＳＭＤ（１２、１４、１８、２１）を取り付けるための上側に導電路（１０）を有し、前記ＳＭＤ（１２、１８）から放散される予想される熱が前記回路板最上ラミネート（８、１９）の前記上側からその下側へ移送される厚さ寸法の回路基板最上ラミネート（８、１９）と、
前記回路基板最上ラミネート（８、１９）間に配置された絶縁ラミネート（９）
と、
高い放熱性を有するＳＭＤ（１２、１８）の下方箇所で前記絶縁ラミネート（９）内に埋設され、良好な熱伝導性および電気絶縁性を有する材料から成る挿入物（１５）と、
前記絶縁ラミネート（９）および挿入物（１５）下に配置された冷却板（１６）とを含む、回路基板ユニット。
【請求項２６】
前記回路基板最上ラミネート（８、１９）は、ガラス繊維エポキシ樹脂材料またはパウダー充填ポリマーで形成されている、請求項２５に記載の回路基板ユニット。
【請求項２７】
前記回路基板最上ラミネート（８、１９）は０．１ｍｍおよび１ｍｍ間の厚さ、より好ましくは０．５ｍｍ未満の厚さに形成されている、請求項２５または２６に記載の回路基板ユニット。
【請求項２８】
前記電気絶縁ラミネート（９）は、ガラス繊維エポキシ樹脂材料またはパウダー充填ポリマーで形成されている、請求項２５ないし２７のいずれか一項に記載の回路基板ユニット。
【請求項２９】
前記電気絶縁ラミネート（９）は、０．２ｍｍおよび２ｍｍ間の厚さ、より好ましくは０．６ｍｍ未満の厚さに形成されている、請求項２５ないし２８のいずれか一項に記載の回路基板ユニット。
【請求項３０】
前記挿入物（１５）は、高い熱伝導性および高い電気絶縁性の、特に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を有するセラミックで形成されている、請求項２５ないし２９のいずれか一項に記載の回路基板ユニット。
【請求項３１】
前記挿入物（１５）は、前記電気絶縁ラミネート（９）のそれと同一厚さに形成されている、請求項２５ないし３０のいずれか一項に記載の回路基板ユニット。
【請求項３２】
前記冷却板（１６）は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅または銅合金で作られている、請求項２５ないし３１のいずれか一項に記載の回路基板ユニット。
【請求項３３】
前記冷却板（１６）は、流体媒体のための冷却通路として埋設された耐腐食性の金属または合金の管を含む、回路基板ユニット。
【請求項３４】
前記冷却板（１６）は、冷却通路（１７）を備える押出成形プロファイルとして作られている、請求項２５ないし３３のいずれか一項に記載の回路基板ユニット。
【請求項３５】
前記冷却板（１６）は、２枚構成の半ボードから成る、請求項２５ないし３４のいずれか一項に記載の回路基板ユニット。
【請求項３６】
前記冷却板（１６）は、４枚の穴開きボード層から成る、請求項２５ないし３４のいずれか一項に記載の回路基板ユニット。
【請求項３７】
請求項２５ないし３６のいずれか一項に記載の２つの回路基板ユニットを含む回路基板モジュールであって、前記両回路基板ユニットおよび付加の側壁（２２）が回路基板モジュールを形成し、前記回路基板ユニットはＳＭＤコネクタ（１３、２０）で電気的に直接的に相互接続され、電気入出力は、密封された電気接続（２３−２５）により、前記側壁（２２）を通して行われる、回路基板モジュール。
【請求項３８】
２つの回路基板ユニットは冷却板（１６）を共有し、該冷却板（１６）は該冷却板の両側に配置された前記２つの回路基板を直接的に相互接続するＳＭＤコネクタ（２８、２９）を取り付けるための凹所を含む、請求項３７に記載の回路基板モジュール。
【請求項３９】
部品面を備える前記回路基板ユニットは、互いに向き合って配置されている、請求項３７または３８に記載の回路基板モジュール。
【請求項４０】
前記冷却板（１６）は、冷却液を分配するための通路およびスルーホール（４５）を含む２枚の半ボードから成る、請求項３７ないし３９のいずれか一項に記載の回路基板モジュール。
【請求項４１】
前記冷却板（１６）は、冷却液の供給および帰還のためのポート（３５、３７）を含む、請求項４０に記載の回路基板モジュール。
【請求項４２】
前記半ボードは、空気の排気のための追加の通路およびスルーホール（５２）を含む、請求項４０または４１に記載の回路基板モジュール。
【請求項４３】
前記半ボードは圧縮空気を送るための追加の通路およびスルーホール（４６）を含む、請求項４０ないし４２のいずれか一項に記載の回路基板モジュール。
【請求項４４】
一方の回路基板ユニットは制御機能のために、また他方の回路基板ユニットはパワー機能のためにそれぞれ設計されている、請求項３７ないし４３のいずれか一項に記載の回路基板モジュール。
【請求項４５】
制御機能のための前記回路基板ユニットとパワー機能のための前記回路基板ユニットとの間には、電磁放射線を遮蔽するプレートが配置されている、請求項４４に記載の回路基板モジュール。
【請求項４６】
前記制御機能のための、および／またはパワー機能のための、回路基板ユニットは、冷却板（１６）と解除可能に結合されている、請求項４４または４５に記載の回路基板モジュール。
【請求項４７】
前記解除可能の結合は、
低融点を有するはんだ合金のハンダ結合、
ホットメルト結合、
両面粘着性フィルム、および
回路基板と冷却板(16)の間の空気透過性および熱伝導性を有する層（５０）であって前記回路基板モジュールの内部空間の残部が全体的に受ける空気圧よりも低い空気圧を受ける層（５０）
の少なくとも１つから成る、請求項４６に記載の回路基板モジュール。
【請求項４８】
空気透過性および熱伝導性を有する層（５０）は、乾燥して清浄な環境下で大気圧または低圧に第１の管状接続部により接続され、前記回路基板モジュールの内部空間の残部のすべては、昇圧された空気圧力で、第２の環状接続部により、乾燥して清浄な空気の供給を受ける、請求項４７に記載の回路基板モジュール。
【請求項４９】
前記回路基板ユニットは、電圧、電流、温度、湿度、歪みおよび／または圧力の各センサーと、前記回路基板ユニットの開ループおよび閉ループ制御、モニタリングおよび保護のためのコントローラの他に、前記冷却液の流れを制御するためのアクチュエータとを含む、請求項３７ないし４８のいずれか一項に記載の回路基板モジュール。
【請求項５０】
前記制御装置は、前記回路基板モジュールに供給された空気の流れが監視され、その監視から前記回路基板モジュールの密封状態についての診断、警告および保護の各機能のための情報が引き出されるように、形成されている、請求項４９に記載の回路基板モジュール。
【請求項５１】
前記２つの回路基板ユニットの各冷却板（１６）は、金属板（５５、５６）として形成されており、各電気絶縁ラミネート（９）に固定的に接続されており、また挿入された成形品（５４）を介して相互接続されている、請求項３７ないし５０のいずれか一項に記載の回路基板モジュール。
【請求項５２】
前記成形品（５４）は、同様に、前記側壁（２２、３２）、冷却液ポート（３５、３７、３８、４０、４５、４７）および／またはエアポート（４６、４９、５１、５３）を形作る、請求項５１に記載の回路基板モジュール。
【請求項５３】
前記成形品（５４）は、該成形品が前記熱交換帯域に前記冷却液流のための迷路構造を含むように、形成される、請求項５１または５２に記載の回路基板モジュール。
【請求項５４】
前記成形品（５４）は、プラスチック素材、金属被覆のプラスチック素材、金属または金属合金で作られている、請求項５１または５３のいずれか一項に記載の回路基板モジュール。
【請求項５５】
請求項３７ないし４９のいずれか一項に記載の、少なくとも２つの回路基板モジュールを含むシステムパックであって、前記少なくとも２つの回路基板モジュールはシステムパックを構成すべく積み重ねられている、システムパック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板ユニットに関し、より具体的には、パワー電子応用のＳＭＤから発散される熱を除去するための回路基板ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
目的のためのパワー電子的解決は、ますます需要があり、それは以前、たとえば、すべて機械的または電気機械的手段で達成されていた。電子組立品の容量および重量の増加と同様に、絶えず増大する労働および材料費は、革新的な解決に大きな障害を引き起こす。最も多くの経費を占める仕事は、通常、パワー半導体およびとそれらの組立体を、放散された熱を排出するための冷却装置に人手によって実装することである。組立体の信頼度は、現在、これらの手動の作業手順の実際の品質によってのみ表されており、しかしながら、この目的のために必要とするその品質保証は、関連するコストを増大させる。
【０００３】
そのような電子組立体の生産、試験、動作および保守は、国際的な縮尺の上、成功しているにちがいない。この目的のために、材料と製品は最小化されなければならないが、また、修理、改修および最終的に環境に適合する処分が保証されていなければならない。組立ては、試験コストを下げるために、かなり信頼できる必要がある。さらに、同一または同様なモジュールが、高価な製品や安い製品を利用できるとき、信頼性は有利さを与える。
【０００４】
全く新たな挑戦が工作機械の構成で実現し、この構成では、現在、電子機器キャビネットは、直接インストールする必要があるモジュールによって取り替えられることを要求されている。工作機械は、放散された熱に反応して膨張し、歪みを生じるので、少なくとも高精度機械では、モジュールの従来の空冷装置はもはや許容することはできない。
【０００５】
放電加工（ＥＤＭ）場合、また、これらのシステムがキロワットの範囲で熱を放散する発電機モジュールのインストールを含むので、その状況は特に複雑である。
【０００６】
モジュールは、以前から、駆動システムおよび関連分野に利用可能である。これらの殆どは、特別な銅−セラミック基板にはんだ付けされ、結合リードにより接続された三相交流のブリッジ回路やダイオード、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴチップの一つに関連する。そのようなモジュールに水冷式バックプレーンを与え、それを制御電子回路とともにパッケージにすることは実現可能であろう。
【０００７】
この解決策の不利な点は、モジュールの集積度が、より複雑な回路の実現には小さ過ぎ、モジュール中の一部分の故障を補修することができないことである。この解決策には、熱伝導性ペーストを適用する作業や慎重を要する固定作業のような、品質に重要な多くの手作業がまだ残る。
【０００８】
表面実装部品（ＳＭＤ）技術の複雑なパワー電子モジュールは、自動車や駆動システムの大型シリーズの連続生産に常に増加する応用が見出されており、そこではＳＭＤが回路基板の片側に自動的に実装される。回路基板の下面は放出された熱の除去のために、金属製のバックプレーンに結合されている。そのような解決策の一つが欧州特許0 590 354 B1に開示されており、従来技術として図３に示されている。モジュールは、パワー素子のより良い冷却に、高い熱伝導度を有する、薄い、通常特別な電気絶縁層を含むバックプレーンを経て、冷却システムに接続している。
【０００９】
この種のモジュールは改善されているが、それらは、高い熱放散を伴う一方、他方では実際的に修理不可能であり、まだ、適正に冷却することに失敗する不利を有する。なぜなら、堅固なバックプレーンは、無鉛はんだのはんだ付け温度がそのような修理で回路を破壊することなく達成できないような高いヒートシンクに相当するからである。熱伝導絶縁層を効果的にするために、該絶縁層は、最小の厚さ寸法に形成され、それは、あいにく高い電気漂遊容量の不利を結果として生じる。
【００１０】
この解決策の一つの変形は、約１ｍｍから５ｍｍのアルミニウムまたは銅のコアに結合された２つの回路基板を提供し、前記コアは回路基板間で絶縁された接点を備える。先に言及した主要な不利はまだ残るが、これに加えて、熱が回路基板の縁部を経て除去できるだけであるので、冷却板の横方向熱伝導に制限を受けることから、回路基板の中心部の構成要素はかなり少ない冷却しか受けられない。
【００１１】
回路基板組立て体の現在の一般的な方法での製造方法での製造が可能であり、直接的に一体化された冷却路を有する回路基板は、欧州特許0 844 808 B1に開示されており、米国特許4,718,163（図４に示されている）は、米国特許4,706,164および独国特許公開40 12 100 A1と同様に、前記欧州特許で言及されたと極めて類似した解決策を示す。
【００１２】
最高２０年前のそれらの出願以来、これらの４つの特許の革新的資質にも拘わらず、それらのいずれも、市場で明確な支持を得られなかったことは興味深い。これは次のような理由に違いない。第一に、回路基板（そのラミネートは、わずかな吸湿性を持つ傾向がある）の電子機器から冷却液を確実に分離することが提案されているような方法によっては、ほとんど達成可能でない。第二に、開示された解決策の冷却容量は、パワー応用のために明らかにまったく不十分である。
【００１３】
制御電子回路およびパワー電子機器を一つのモジュールに統合するとき、回路基板ラミネートによる吸水性は、特に致命的である。その比誘電率εＲ＝８０を有する水は、現在の一般的な高クロック周波数を考慮すると、小さな漂遊容量でさえも増大されて、壊滅的な結果を伴う不利を生じる。さらに、吸水は導電性を高め、従って、漂遊電流が例えば高インピーダンスのアナログ回路および絶縁障壁を破壊する。
【００１４】
さらに、回路基板の金属部分の腐食および非金属部分へのカビのような堆積物は、吸水の否定的な結果となる。これらの特許では代替的な冷却液が提案されているが、そのとき冷却容量は、一層より大幅に減少し、環境共存性についての問題が生じる。
【００１５】
【特許文献１】欧州特許第0 590 354号明細書
【特許文献２】欧州特許第0 844 808号明細書
【特許文献３】米国特許第4,718,163号明細書
【特許文献４】米国特許第4,706,164号明細書
【特許文献５】独国特許公開第40 12 100号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、従来技術に比較して、ＳＭＤから放散された熱の適正な除去を確実にすることができる回路基板ユニットおよびその製造方法を明確にする目的に基づく。好ましくは、回路基板ユニットの生産、品質保証、動作およびその後の処分は、環境要求事項に沿って、より良いことを意図している。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、この問題を独立請求項の主題で解決し、発明の好適な実施例は従属請求項に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は如何なる種類の電気回路/電子回路に一般的に使用することができるが、その主要な応用分野は、機械加工および設備工学、特に精密工作機械である。そういうわけで、本発明のより良い理解のために、統合された冷却機能を有する回路基板ユニットは、工作機械およびそれと類似したパワー電子応用装置に直接取り付けられ、回路基板ユニットがそれに制限されるとは理解できないそのような特別な応用、ここでは特に放電加工（ＥＤＭ）への応用と共に記述されよう。この目的のために、そのようなＥＤＭシステムの基本的形態が最初に説明される。
【００１９】
図２に示されるようなＥＤＭシステムの一般的な形態は次の通り区分することができる。パワー入力１、電子セクタ２、ケーブル集合体３および加工セクタ４である。
【００２０】
電子セクタ２、例えば電子キャビネットは、機械制御（ＣＯＮＴＲＯＬ）の他、パワー電圧モジュール（ＡＣ）、直流電圧モジュール（ＤＣ）、数値制御モジュール（ＣＮＣ）、1以上の駆動モジュール（ＤＲＩＶＥ）および発電機モジュール（ＧＥＮ）を含む。電子セクタ２の内容のすべてが容積および重量においてかなりを占め、合計の消費がまたｋｗの範囲にあるので、それは通常、工作機械４からいくらかの距離をおいて置かれる。
【００２１】
ケーブル集合体３は、通常２ｍから５ｍの長さを有する。第１のケーブルは、駆動モジュール（ＤＲＩＶＥ）を工作機４の駆動軸を駆動するモータに接続し、モータ電流、位置検出器の様々なデジタルセンサー信号の他、必要とされるすべての制動のための電流を案内する。これらのケーブルは、重要なコスト要因を構成しており、すべてに相当な注意を払って設計されなければ、運転中に簡単に故障を生じることがある。
【００２２】
第２のケーブルは、発電機モジュール（ＧＥＮ）を被加工物および工作機械４の電極に接続する。この第２のケーブルは、特にワイヤーカットの場合では、パルス電流ＲＭＳのため、ケーブル損失が１００Ｗ／ｍのような高い値となるかもしれない不都合を有する。これがエネルギーの浪費であることは別として、これは工作機械に熱歪みを生じ、従って、被加工物の不正確を結果として生じ得る。この問題を解決する現在の唯一の方法は、ケーブルの複雑な水冷である。
【００２３】
別の不都合は、使われているケーブルの高い剛性であり、典型的には、並列の、それぞれが約２×５ｍｍ２の横断面の銅を有する８つの同軸ケーブルで形成される必要がある。ケーブルが工作機械の移動構造部分に取り付けられているので、ケーブルの剛性は、また、これらの構造部分にミクロン範囲での弾性変形を生じさせ、当然ながら、被加工物に対応した不正確さを結果として生じる。
【００２４】
最後に第３のケーブルは、例えば電磁弁、ポンプ、補助駆動、エンドスイッチ、温度センサー、安全手段等の機械４の多種の機能に機械制御モジュール（ＣＯＮＴＲＯＬ）を接続するのに役立つ。この第３のケーブルは、非常に多くの異なる導体に関係するだけでなく、工作機械のすべての改良毎に特別なケーブルを必要とするので、同様にコストをかなり増大させる。また別の不具合は、工作機械４と電子キャビネット２とが別々に需要家に出荷されるとき、付加の誤差の危険性であるケーブル集合体３の接続の多様さによって、具体化する。
【００２５】
図１には、回路基板モジュール（以下では、単にモジュールと称する。すなわち、対応する電気的機能にしたがって制御モジュール、パワーモジュールなどと同様である。）を備える型彫り型放電加工機の特徴的な組立体が示されている。この配置も、より良い図示ために各機能に従って区分することができ、すなわち次のようにモジュール化することができる。パワー入力１、電子セクタ２、加工機械４、ノード５、データ接続セクタ６および電源装置７である。第一に、この配置は、よく知られているように、パワー入力１を含み、これの後に、パワー電圧モジュール（ＡＣ）、直流電圧モジュール（ＤＣ）および数値制御モジュール（ＣＮＣ）を含む電子セクタすなわち電子キャビネット２が続く。この具体例では、電子セクタ２は、より少ない素子から成り、例えばオペレータコンソールに組み入れられる。駆動モジュール（ＤＲＩＶＥ）、発電機モジュール（ＧＥＮ）および加工機制御モジュール（ＣＯＮＴＲＯＬ）などのさらなる要素は、加工機４に直接的に、すなわちそれらの機能部位に、設置される。
【００２６】
この具体例では、リンクは、先に述べた配置と同様に、ノード５に集まる前記システムのすべてのデータ接続セクション６で提供されている。デジタル接続は一種のローカルネットワークすなわちデータ網を形成し、これは前記システムの種々のモジュールおよび／またはノード５を相互接続し、また相互通信する。本具体例中のノード５は、コンフィギュレーション可能な発電機モジュール（ＧＥＮ）などのシステムの様々なモジュールへの情報またはリソースにアクセスするために使われる。
【００２７】
前記モジュールは、汚れ、水しぶきおよび電磁干渉を含む前記加工機の過酷な環境に対する免疫を与えられることが必要であり、閉鎖された金属被覆のプラスチックハウジング、またはさらに優れた完全な金属ハウジングがこれらの要求を満たす。
【００２８】
次に図５を参照するに、一体化された流体冷却状態でパワー機能のための回路構造（以下では、単にパワーボードと称する。）の断面図が示されている。「パワーボード」は、ダイオード、MOSFETおよびIGBTなどのハンダ付けされたＳＭＤパワー半導体を備える回路基板から成る電子組立体であると理解されているが、また、コンデンサ、インダクタンス、変圧器、抵抗器またはセンサー、アクチュエータおよびコネクタなどの受動的ＳＭＤパワー素子も備える。もちろん、受動的構成要素も冷却流体の利益を得ることができ、より小さくて、更なる小型化に向けて選ぶことができる。
【００２９】
必要とする電流は、一般的には５Ａから２００Ａであり、電圧は一般的に５０Ｖから１２００Ｖである。先進の半導体および受動素子特性でさえ、１００％未満の効率であり、かなりのパワー損失が現れることが理解できよう。例えば３．５ｋＷの入力定格で８６％の効率を示すパワーモジュールは、４９０Ｗのパワー損失を結果として生じている。高電流を処理するために、０．２ｍｍを越える均等な厚さの導電路が、近頃では使用されている。
【００３０】
そのような高パワー損失を避けるために、パワーボードの最上のラミネート８は、特に薄く寸法付けられており、また高い熱放散を示すＳＭＤ１２の下にメッキされたスルーホール１１を備える。導電路１０のためには、例えば、パワーボードからの制御信号が可能な限り最短な方法で出るＳＭＤコネクタ１３によってパワー回路と制御信号とが厳密に分離されているおかげで、多くの場合、メッキされたスルーホールにより結合された２つ面で十分である。
【００３１】
０．１ｍｍから１ｍｍの厚さの最上ラミネート８のような薄い回路基板は、安定性の不足から産業的なハンダ処理に不適であり、また冷却板１６からの電気絶縁に失敗する。そのような理由で、効果的な冷却、絶縁強度および小漂遊容量の各ファクタを最適化するための厚さおよび構造の絶縁ラミネート９が提供される。この最適化は、要求に応じた０．２ｍｍから２ｍｍの厚さのラミネートを結果としてもたらす。
【００３２】
低い放熱性のＳＭＤ１４のためには、ラミネートの約０．３Ｗ／ｍＫの低い熱伝導率は、冷却通路１７を備える冷却板１６への熱の移送にすでに十分である。高い放熱性のＳＭＤ１２のためには、絶縁ラミネート９とほぼ同じの厚さの高い熱伝導性のセラミック挿入物１５が、ＳＭＤ１２および冷却板１６の温度差を最小化するために、そこに埋設されている。この温度差を、ＳＭＤ１２のはんだアイランドと最上ラミネート８の反対側の同様なアイランドとの間でメッキされた多数のスルーホール１１によって所望値にすることは可能である。これは、すべてのＳＭＤをほぼ同じ温度に維持し、熱応力を減少させるという利点がある。薄い最上ラミネート８とセラミック挿入物１５を有する絶縁ラミネート９との組合せは、結果的に、熱膨張を処理することが可能な横方向弾性構造をもたらす。そのようなパワーモジュールは、より長い間温度周期に耐え、よって従来の解決策よりも長い有効寿命を持つ。
【００３３】
テストは、厚さが０．８ｍｍの最上層ラミネート８と、たとえば０．６ｍｍの厚さの酸化アルミニウムセラミック挿入物１５とを有するＳＭＤパッケージＤ３ＰＡＫのシステムでは、４０Ｗの電力損失を、また、ＳＭＤパッケージＤ３ＰＡＫでは、７０Ｗでさえも、実際の動作状況の下で確実に無くすことができることを示した。結線された構成部品のための対応するＴＯ２２０およびＴＯ２４７パッケージがそのような性能の半分も可能とならず、この大きな進歩が現在よりコンパクトな設計を可能にしていることは注目されるべきである。
【００３４】
より一層薄い最上ラミネート８および窒化アルミニウムセラミック挿入物１５を作ることにより、より一層、高いパワー損失を処理することが可能になるであろう。しかしながら、どのくらいＳＭＤを離して載せることができるかには重要な限界が存在し、それを越えると、信頼性が温度周期のために一般的に減少する。この範囲では、構成部品温度を１０℃減少させることにより、結果として有効寿命を２倍にすることができる。
【００３５】
セラミック挿入物１５のための絶縁ラミネート９の凹所は、通常の回路基板製造方法により形成することができ、または例えば多数の連続する打ち抜きにより形成することができる。セラミック挿入物１５を挿入は、もちろん多数の連続打ち抜きと同様に、自動化することができる。これに代えて、凹所のみを絶縁ラミネート９より薄いセラミック挿入物１５の挿入のために、絶縁ラミネート９に設けることができる。
【００３６】
１８０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する前記した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）はセラミック挿入物１５のための材料として、特に好適であるが、おそらく、２７Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有するずっと安価な酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が十分に適正であろう。同様に、２６０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する酸化ベリリウム（ＢｅＯ）は適当であるが、その粉塵は非常に有毒であるためそれほど優先されない。これらすべてのセラミックが有する絶縁耐力は、１０から２０ｋＶ／ｍｍの優れた範囲にあり、例えばＥＤＭにおいて必要条件を満たすに十二分である。６．５から８．５の範囲の比誘電率εRは、絶縁ラミネート９の、またセラミック挿入物１５の厚さの選択に関連して決められる。
【００３７】
ラミネート８、９および冷却プレート１６を接合するために、多層回路基板のためのよく知られた方法および前記した金属バックプレーンを有する前記した回路基板の製造方法を用いることができ、これにより、ラミネート８、９および冷却プレート１６は、プリプレグ（prepregs）すなわち前重合したほぼ５０ミクロンのフィルムで接合され、その後のベーキング処理で重合される。プリプレグは室温で６ヶ月を超える貯蔵寿命を持つ。そのようなプリプレグは、また、パウダーで満たされて、それらはよりよい熱伝導率をもつ。例えば、ベルギスト（Berguist）社、(www.bergquistcompany.com)から入手可能な製品である、サーマルクラッド（THERMAL CLAD）またはカンパニーサーマゴン(www.thermagon.com)から入手可能のT-ラミネート（T-LAMINATE）およびT−プレグ（T-PREG）が適当である。如何なる空隙および不規則性も、圧力および加熱下の重合で全体的に満たされ、すべての工業的はんだ付処理に適正な十分な安定性を特徴とするような回路基板が結果として得られる。
【００３８】
次に図６を参照するに、前記パワーボードに対をなしてこれに対応する部分、すなわち周囲との通信およびパワーボードの操作のために必要なＳＭＤ１８、２０、２１等を含む制御ボードが図示されている。しかし、ここでの要求事項は、全く異なる。例えば、最上ラミネート１９は、多くの場合、非常に高密度の複合配線（track）パターンに適応することを要求され、有効な電流および電圧は、単にミリアンペアおよびボルト範囲内にあるが、周波数はMHzを越える範囲にある。しかし、制御ボードの総パワー損失は、通常５０Ｗより少ない。それにもかかわらず、例えば、パワーボードについてと同じ手段(メッキされたスルーホール１１および／またはセラミック挿入物１５)を提供することは、放散された熱を有するプロセッサ１８下では、利点となる。進歩したＢＧＡパッケージは、下面に良好な熱接触に適正なリード線を含む。
【００３９】
低い放熱性のＳＭＤ２１のみが含まれていれば、これらの手段の一方または両方をコスト削減のために省略し、通常の絶縁ラミネート９が凹所なしで使用される。パワーボードのＳＭＤプラグ１３に対応するＳＭＤコネクタ２０は、もちろん、完全な整合を示し、対応する正確な位置に設置されなければならない。
【００４０】
冷却通路１７を有する冷却板１６は、パワーボードのそれらと同一のものが選択され、組立ては、パワーボードのそれと全く変わらない。
【００４１】
パワーおよび制御の両ボードには、広範囲のＳＭＤタイプのセンサー、特に、電圧および電流センサー、温度センサー、歪みおよび圧力センサーと同様に湿度センサーを搭載することができる。例えば、冷却流体の出入口での温度と、電流および電圧から入出力での電力を感知することは、例えば温度における差異と電力における差異から、効果的な冷却液の流量率の正確な計算が可能となる。
【００４２】
種々のセンサーの主要な仕事は、 前記モジュールの保護対策および監視のために開ループあるいは閉ループ制御のための値を感知することである。感知された値は、既存のＬＩＮＫコネクタ２３を経由してホストコントローラに伝達されるか、または回路基板の如何なる位置でも廉価な組立体の利点で、冷却装置への既存の良好な接触と同様に複雑でないデータ通信も行うことができる。
【００４３】
また、回路基板に、アクチュエータ、例えば電子機器の温度を定値に維持すべく冷却液流を開ループおよび閉ループ制御するための小型ソレノイドバルブを含めることが可能である。この装置では、作動力が冷却板１６の壁を通して磁気的に伝達されるので、電子機器からの冷却液の分離は維持される。これの利点は、温度サイクル、従って熱膨張応力の回数を減少させることを可能とするので、モジュールの有効寿命が著しく増大することである。リレーまたは小型の電気的駆動装置などの、例えばスイッチング機能を実行するためのＳＭＤアクチュエータを含むことが、また可能である。
【００４４】
次に図７を参照するに、パワーモジュールを形成するパワーボードおよび制御ボードの簡単な組合せが示されている。外部への導線がさらに示されている。ＬＩＮＫコネクタ２３は規格化されたインタフェース経由で制御ボードをホストコントローラに接続する。この装置の制御ボードの電源は、好ましくは、このＬＩＮＫコネクタ２３を経由して、信号の流れと共に送ることができる。直流コネクタ２４は、高出力にも拘わらずケーブル損失を最小化するために、選択された最大の高電力直流電圧で前記パワーボードを動作させる。
【００４５】
通常での非常な高電流のため、パワーボードの出力コネクタ２５は、通常、圧入され、接続端子には多数のピン接触子が前記回路基板のメッキされかつ精密に配置されたスルーホールに挿入されることを要求され、その結果、ガス気密性を有し塑性変形の接続部がもたらされ、該接続部は耐久性のある安定した非常に低い接触抵抗を示す。
【００４６】
パワーモジュールとしてのこの第１の実施例の利点は、側壁２２および構造部分３２、３５、３７の単なる追加による密封されたパッケージにある。外面は、環境に熱が放散されることを効果的に防止する冷却プレートを主として含む。現在の一般的な方法は、前記回路基板の製造およびそれらのはんだ付けに十分である。
【００４７】
次に図８を参照するに、パワーモジュールの第２の実施例が示されており、該モジュールではパワーボード２６が制御ボード２７で支持されている。図９に例示するようなシステムパックが求められているとき、この実施例は有利である。この実施例では、初めに、パワーモジュールが図５に例示するように準備され、次に図８に例示するような任意の数のモジュールが追加され、最後にシステムパックは、図９に例示するような制御モジュールとして完成する。
【００４８】
図８に例示するような形態は、モジュールが２つの面をはんだ付けする必要があることから、多少の問題がある。これは電流を用いた技術によってなされるが、その後のどのような修理または改修でも難題を提出する。そのため、今、２つの代替案が提案される。冷却板１６は二重であり、すなわち、図５に示されているようなパワーボードおよび図６に示されているような制御ボードが背中合わせに、いつでも再分離可能に組み立てられるか、あるいは制御ボード２７が冷却板１６に解除可能に結合されるかのいずれかである。全体的に、制御ボード２７のパワー損失が、より低い傾向があるので、該制御ボードをより厚いラミネートで形成し、補強している冷却板１６を用いることなく、あるいはせいぜい薄い金属板に単に工業的な規模ではんだ付けをすることができる。
【００４９】
この解除可能な結合は、電気伝導性でなく、また絶縁している必要もないが、良好な熱伝導率を有し、最高約１００℃の実用温度に耐えるべきである。解除可能の結合、例えばスズ−ビスマス合金などの低融点はんだのために、例えば、１３８℃の融点を有するスズ４２/ビスマス５８合金を使用することができる。そのような結合は極めて良好な熱伝導率を特徴とするが、基本的に、銅層の間の接続に考慮されている。
【００５０】
別の可能性は、後での修理のために、再融合して除去することができる特別なホットメルトボンドである。アビフォー（Abifor）社(www.abifor.com)から入手可能なポリアミドベースの製品ＡＣ−２０５０は、最高９５℃の耐温度性を有し、約１４０℃で加工可能である。ウェボ（Wevo）社（www.wevo-chemie.de)から入手可能な同様なポリオレフィンベースの製品Ｌ３２５は、最高１００℃の耐温度性と１３０℃の加工温度を有する。
【００５１】
代わりの簡単な可能性は、回路基板上に冷却装置を実装するために特別に開発されたセラミック粉体で満たされた両面粘着性フィルム、例えばコメリックス（Chomerics）社(www.chomerics.com)から入手可能な製品ＴＨＥＲＭＡＴＴＡＣＨ Ｔ４１３である。その材料は、ちょうど０．３５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有するので、これは、この場合、完全に十分である。例えば２３３ｍｍ×３４０ｍｍの表面積を有する制御ボードは、０．１７８ｍｍのフィルム厚さおよび冷却板１６との1℃の温度差毎で、１５５Ｗまでパワーを負荷することができ、それは必要とするより少なくとも3倍は良い。修理が必要なとき、この接着結合は、へらによって解除することができるが、再利用時には新しいフィルムを必要とする。
【００５２】
より一層費用効果が高い解決策は、空気透過層５０（図１１参照）を冷却板１６と制御ボード２７との間に設け、また冷却板１６（図１２参照）のポート５２および５１および図１３に示すような構造部分のポート５３を経る組合せから空気を抜くことである。空気透過層５０のための空間は、そのとき大気圧である。制御ボード２７が置かれるチャンバは、制御ボード２７を冷却板１６に押し付けるような僅かな加圧を受ける。例えば、７９０ｃｍ２を越える表面積を有する制御ボード２７は、７９Ｎの接触圧力を結果として生じるのにちょうど１０ｍｂａｒの差圧を受けるであろう。これは、制御ボード２７を空気透過層５０を経て冷却板１６に良好に熱接触させるに十分であり、また必要なときには制御ボード２７を冷却板１６から解除することを可能にする。
【００５３】
良好な冷却のために、前記層５０は空気透過性の他、さらに良好な熱伝導率を特徴としなければならない。この目的のための可能な材料は、細いワイヤ製網、例えばコメリック（CHOMERICS）社(www.chomerics.com)から入手可能な製品ＴＨＥＲＭＡ−Ａ−ＧＡＰ Ｔ２７４リブ付きなどの構造化された重合体フィルム、より多様な材料の布地あるいは単に何も無しである。もちろん、他の多くの解決策および方法、例えば、冷却板１６にマイクロチャネリング（micro -channeling）を施すか、制御ボード２７の裏面をでこぼこにするか、または周囲の気圧に側壁２２の穴を通してこのゾーンを直接つなぐこと、あるいはこのゾーンに真空を発生させることである。
【００５４】
空気透過層５０が十分に高い熱伝導率を有するとき、前記方法は、またパワーボード２６に適用することができる。高質量の冷却板１６を使うとき、パワーボード２６がまた冷却板１６との解除可能の結合の構成であるならば、それは特にはんだ付と修理のために有利である。すなわち、よりよい熱伝達のために接触圧力が得られるように気圧差が必要とされていることは、一般的に事実である。
【００５５】
コネクタ３５、３６を経由して空気を排出することは、前記モジュールが密封を維持されるという大きな利点を有する。追加コストが追加の管接続のために具体化するが、空気は、保護されたゾーンで放出することができ(また、必要とするところへ供給され)、そうでなければ、気圧の如何なる揺らぎも、モジュールに出入りする水蒸気または塵芥ダストを結果として生じるであろう。パッケージの中での最もわずかな漏れさえ、直ちにパッケージ内への汚れた周囲の空気と水蒸気を結果として生じるので、モジュールの中の真空は同じ理由により、それほど好まれない。対照的に、単にわずかな修正を施したモジュールは、EDMのための水すなわち誘電体中で水没しても問題なしで稼働することができ、その場合には、モジュール入力および出力の解除可能な接続は、パッキン押さえ付きのケーブル挿入に取り替えられる。
【００５６】
極めて過酷な応用は、例えば原子力発電所の原子炉冷却水中の１０ｍの深度まで沈められた材料サンプルを得るためのロボットマニピュレータのモジュールへの使用である。そのようなサンプリングは、原子力発電所が災害時に早期あるいは遅まきに閉鎖される必要があるかどうかに、莫大な金額が賭かっているので、原子力発電所の操作の安全性を評価する際に極めて重要である。現在達成されているように、浸食パルスは、パルス品質と効率とを損なう点で、６０ｍを超える長さの同軸の電力ケーブルに供給される必要がある。前記モジュールまたはシステムパックは、好ましくは昇圧された気圧で使用される。この応用のために、水圧よりも僅かに高い気圧が選ばれ、水深に自動的に適応する。さらに、パワーボードの動作電圧を多少低く維持し、放射能レベルのために、特別な放射線耐性部品および材料を使用することが必要である。この場合に、ロボットマニピュレータは初めての使用後に放射性破砕物として分類されて、修理の可能性が全然ないので、不可欠な機能は、さらに予備が付加的に重複して保持される。
【００５７】
次に図９を参照するに、よりよい理解のために厚さが誇大に表示されたシステムパックが示されている。３．５ｋＷのパルス発生器モジュールは、一般的に、約３５０ｍｍの長さ、約２５０ｍｍの幅および約４０ｍｍの厚さをそれぞれ有する。このように、１０．５ｋＷのシステムパックは、ちょうど１０．５ｄｍ３の容量で約１２０ｍｍの厚さを有し、１ｋＷ／ｄｍ３という特定のパワー密度を生じる。この値は特に高くはないが、含まれているものは全体に複雑なシステムであり、また容量の半分以上が制御ボードおよび冷却システムで占められていることは忘れてはならない。
【００５８】
ここまで説明された実施例は１つの問題を抱える。例えば、パワーボード２６が非常に強い電磁雑音を放射する場合、制御ボード２７は、その近傍におかれるとこれに過度にさらされる。これを阻止する１つの可能性は、追加のシールドプレートを２つのボード間に挿入することである。
【００５９】
次に、図１０を参照するに、さらに一層効果的な解決策が示されている。この第３の実施例のモジュールは、インタフェースコネクタ２９のために、冷却板１６に凹所２８を含む。好ましくはアルミニウムまたは銅で形成される冷却板１６は、電気および高周波磁気の干渉に対して優れたシールドとなる。SMDの形状によって、制御ボード２７およびパワーボード２６間の接続は、多少、より短い傾向がある。
【００６０】
両面構成の問題は、図８に例示した第２の実施例におけると同様であり、それの解決策は、図８で提案されたと同様である。図１０に例示するようなモジュールは、また、上記したようなシステムパックに積み重ねることができる。しかしながら、パワーボードまたは制御ボードが常に互いに直接に向き合うように、モジュールは好ましくは積み重ねられるべきである。これにより、仕切りを不要とし、単にバックプレーン３０および面板３１で封止できる。
【００６１】
次に図１１を参照するに、前記モジュール内の図７ないし１０に示された冷却液の流れが９０°回転させた断面で示されている。右方の側壁は、例えばアルミニゥムからなる構造化された部分と、下方の冷却液コネクタ３５および上方冷却液コネクタ３７（また、図１３参照）とを備え、適所に固定された冷却板１６に帰する。Oリング、ガスケット、あるいはシーラントペーストのようなシール３６、例えばシリコンペーストが、冷却液と電子機器との分離を保証するために必要である。完成したパックは、ねじまたは同等の結合具(図示せず)によって共に結合される。
【００６２】
冷却液の流れが矢印で示されている。冷却板１６毎で前記冷却液流は分配通路３３に分岐し、またいくつかの流入孔３４を経て、好ましくは冷却板１６の全体を横断する迷路構造に向けられる。冷却板１６の後部分では、前記冷却液は対称的な通路で冷却液の帰還のために冷却液コネクタ３５、３７に戻される。前記モジュールに関し、上方冷却液コネクタ３７は圧縮空気のためのポートのみを含み、従って、圧縮空気が冷却システムを閉じ込める（close off）。積み重ねられて構成されたシステムパックは、前記流れを増大するために、また頂部の冷却液コネクタで特徴付けることができる。
【００６３】
左方に示された側壁３２に代えて、冷却液の戻しをそこに配置することができる。しかし、これは、冷却液がモジュールの両側に存在するという不利を生じる。流体は、通常、頂部から底部へ流れるので、すべての流体コネクタとシールとが底にあるように、モジュールは有効に設置される。
【００６４】
冷却液コネクタ３５、３７は、パワーモジュール２６と、制御モジュール２７とが収容されるチャンバ内に圧縮空気を向けるために追加の圧縮空気通路を備えることができる。この例は、パッケージが完全に封止されていなくても、流体または塵埃の如何なる出入りをも防止することができ、また、先に述べたように、冷却のために冷却板１６に対して制御ボード２７を押し付ける接触圧力を生成することを可能とする。この例では、圧力は無視できる程度だけ雰囲気圧を越えるかもしれないが、もちろん、使われる空気は可能な限り、乾燥し清浄でなければならない。システム漏洩の表示として空気消費を監視することができ、前記モジュールの内圧に応じて、パッケージ構造１６、２２、３０、３１、３２、３５、３７が、対応する耐圧に設計されることが必要であることは明らかである。
【００６５】
次に図１２を参照するに、冷却板１６実施例が示されており、図示された半分すなわちそのような同一の２つの半分が結合され、図１０に示されているようなモジュールに好適な迷路構成を備える冷却板になる。例えば１．５ｍｍの厚さのアルミニウム薄板の圧延物は、垂直対称軸Ｓに対称に準備され、冷却液がその後冷却プレート１６によってどの方向に流されるか、あるいは、モジュールが対称軸Ｓに関してシステムパックの如何なる位置に後で取り付けられるか無関係である。
【００６６】
貫通する冷却通路入口３８、対称的な理由により２つの圧縮空気通路４９および貫通する冷却通路出口４０が上部に穿たれている。空気を排出するための貫通通路出口５１は、空気排気のための同様な貫通穴５２に分岐通路を経て接続される。センターホール４４は、また、正確に２つの半冷却プレートおよび後で前記ラミネートに正確に整合する貫通路を備えることができる。インタフェースプラグすなわちインタフェースコネクタ２９のための貫通する凹所２８は、図１０に例示するように第３の実施例のモジュールにだけ必要であり、他のすべての実施例では省略される。
【００６７】
前記迷路への分配通路３３と流入孔３４とは、好ましくは傾斜ポケット３９の深さに同しく形成される。
【００６８】
経済的な小型シリーズを作る高速フライス盤は、冷却板の半分すなわち半冷却板を加工するには、ほんの数分であり、大型シリーズでは、生産対象は、より広範な範囲で例えば４つの層にパンチングが施され、あるいはフロープレス施され、次に前記構造物に高圧が付与される。さらに、従来知られた鋳造法およびダイカスト法では、前記構造物を高精度で成形できるが、収縮を考慮する必要がある。この方法は、例えば、亜鉛、アルミニゥム、銅またはその合金の処理に適する。
【００６９】
その後、前記半分または層が特別な接着材(自動車の製造での一般的なラジエータ接合)によって接合することができる。しかし、要求事項がよりきびしい所では、前記半分は、はんだ付けまたは不活性ガスまたは真空のろう付けにより接合されるであろう。最も耐久性があるが最も高価な変形例は溶接であり、該溶接は、冷却板１６がその排他的に1タイプの金属から成るという有利さを提供し、はんだ接合よりも腐食し難い。粘着性シール、つば成形または圧接などの他の接合方法が同様に実現可能であろう。
【００７０】
前記迷路を成形するために、約０．５ｍｍの厚さの壁が残るまで傾斜ポケット３９を加工し、それが残りの半分と共に、静的ミキサを形成する。図示のより良い理解のために、他の半分のポケット４３が点線で示されている。前記冷却液が一方の面上のポケットから他方の半冷却板の前記ポケットに流出するオーバーフローポイント４１は明らかであり、前記冷却液は、２つの半冷却プレートの部分的な流れが横に衝突する中間的なポケット４３での鋭いエッジの乱流によって、より強い混合を受ける。この迷路構造は、冷却帯域での層流状況を防止し、これにより冷却容量が大幅に増大され、また、冷却液流が前記高出力損出を消失してこれをいかに低くするかは驚くべきである。
【００７１】
1つの望ましい効果は、流体抵抗の増大であり、そのおかげで、冷却液の流れは並列の迷路構造に分配され、圧力増大の結果として、キャビテーション効果が減少する傾向にある。他方、より高いポンプ圧がより高いパワーを必要とするので、増大した流体抵抗はそれほど望ましくない。そのため、その多数のポケット３９による迷路構造は、冷却容量、流れ分布、ポンプ圧、およびキャビテーションの防止を最適化する目的で慎重に寸法付けされ、傾斜される。
【００７２】
選択した冷却液として水を使用する特定の場合には、藻または微生物に対して活性の薬剤と同様に、不凍液（例えばグリコール）、防蝕剤のような添加物の混入を必要とする。そのような添加物は、わずかに冷却容量を減少させるかもしれないが、それらは悪い動作条件下で信頼できる動作を可能とする。
【００７３】
以上に論じた実施例は、もちろん種々の実施例のほんの一部である。例えば、非腐食性ステンレス鋼の挿入管を備える市販の薄い冷却板あるいは押出成形の冷却板を使うことができる。しかしながら、先に提案したような実施例は、非常に低い質量を特徴付けるにもかかわらず、冷却板１６が広いエリアおよび薄い壁の帯域を有さず、これが積層ラミネートのボンディング、はんだ付およびその後の電子機器の修理または改修によく適するという特別な有利さをもたらす。
【００７４】
モジュールの側壁２２は、金属または金属/プラスチック構造で作られており、以下の機能を満たすように構成することができる。
汚れおよび湿気を締め出す溶接密閉、
電磁放射線の防止、
放熱の防止、
モジュールの入出力ポートの形成、
冷却液の分配、
圧縮空気の分配、および
排気の返還
である。
【００７５】
次に図１３を参照するに、冷却液、圧縮空気および排気を運ぶために本発明に従って構造化されたポートが示されている。図１１の下方冷却液コネクタ３５および上方冷却液コネクタ３７は、そのような構造化された部分を備え、それらは高さを異にして設計される必要がある。前記構造化部分は、アルミニウムまたは同様な金属または合金で形成することが好ましいが、それらがプラスチック素材またはプラスチック/金属の複合材で形成することができる。
【００７６】
全長に亘る穿孔が、冷却液供給４７、冷却液帰還４５、および一方が圧縮空気４６、他方が排気５３の２つの、それぞれのために提供される。それぞれの上下（底の一方は図示せず）にシール３６が設けられている。さらに、他の穿孔(図示せず)が、縦結合および側壁２２の固着のために設けられる。いくつかのシール３６を冷却板１６の構成要素で置換することができる。小さな横方向の穿孔４８は、対応する圧縮空気穿孔４６に接続され、パワーおよび制御モジュールのすべてのチャンバへの前記圧縮空気の分岐に役立つ。
【００７７】
次に図１４を参照するに、大型シリーズの生産に特に適したモジュールのための第４の実施例が示されている。この場合のパワーボード２６および制御ボード２７は、それぞれ良好な熱伝導度および耐腐食性を有するアルミニウム、銅、その他の金属または合金からなる金属板５５、５６に固定的に接続される。これらの回路基板２６、２７を組み立てるために、図３に例示したように、バックプレーンを備える前記したモジュールに使用したと同様な方法を用いることができる。どのような方法であっても、ここでは、金属プレート５５、５６が指定されたように、容易な修理に有利なように、回路基板２６、２７に十分な構造保全が与えられる限り、金属プレート５５、５６は、ちょうど意図した寿命にわたって問題なく腐食に耐えるに十分な厚さに選ばれる。
【００７８】
図１２に関連して説明したような迷路構造を構成する成形品５４が回路基板２６、２７間に解除可能に挿入されており、これにより金属板５５、５６は、冷却液の流れと直接に接触する。したがって、この場合、前記冷却板の機能は、３つの部分、すなわち金属板５５、５６および成形品５４が引き受ける。さらに、成形品５４に関し、前記モジュールの４つの側壁は、また冷却液および空気のポートのための図１３に例示したような穿孔４５ないし４７を含めて、形成することができる。成形品５４は、プラスチック素材、メッキされたプラスチック素材あるいは金属または合金で作ることができる。熱伝導度は、成形品５４では全く重要でない。成形品５４は、回路基板２６、２７を前記冷却液から確実に分離するためのシール３６またはこれと同様な手段を備える。
【００７９】
その他の点では、この第４の実施例の構成および適用の可能は、既に述べた実施例で記載したと同様である。この実施例に特有な1つの利点は、個々の回路基板２６、２７の容易な分解を可能とし、同時に、如何なる特別な付属物をも必要とすることのない、冷却液流への良好な熱接触にある。
【００８０】
要約するに、可能な高度の集積化および非常に高い熱除去効率のおかげで、回路基板ユニットおよび回路基板モジュールまたはそれらから成るシステムパックは、現在、特にＥＤＭシステムで最適に位置することができる範囲まで、小型化されている。したがって、例えば、ＥＤＭ発電機のパルス性能は、除去されている高周波ケーブルによって今やかなり改善される。したがって、パワーモジュールは、現在、過酷な環境でさえも互換性があるように大きな特別な費用なしで密閉することができる。これの上部で、モジュールの放熱および電磁放射線が現在最小化され、それは、ＥＤＭシステムの直接的な位置であることから、大きな利点を有する。さらに、たとえば、パワーモジュールの電気出力が現在可能な限りの最も短い方法で消費部に接続できる利点で、それらの機能が必要な所でモジュールまたはシステムパックは、現在、直接的に据え付けることができる。圧縮空気、排気、冷却液の供給および除去のために必要な如何なるフレキシブル・チューブも、電気ケーブル（例えばパワーモジュールの電気入力）と共に、前記システムまたはプラントの乾燥した清浄なエリアへの必要な距離で経路を形成することができる。
【００８１】
前記回路基板が現在トラック層の数および／または厚さによって変わるので、1つの重要な利点が、制御ボードとパワーボードとを対にすることにより、生じる。
これは第一に、回路基板の適用で、より最適化することにおける新しい自由度が結果として生じ、第二に、この特質により、駆動信号および制御信号は、制御ボードとパワーボードとの間でコネクタを経て最短距離に経路を指定できることである。そのような任意の数の対を相互に結合することができるので、システムパックは、今や非常に高いパワーが可能になる。
【００８２】
この斬新な特質は、今や大量にモジュールを生産する高度な自動化された方法を使うことを可能にし、明確なコストダウンを結果として生じ、また組立て品質における高い再現性を増大する。モジュールの生産、テスト、動作および保守は現在の国際的な規模で行うことができる。ＳＭＤの組立ては、機器の搭載のために穿孔を必要とすることのない回路基板上にワイヤーなしでＳＭＤを自動的に構成することを基本とし、従って、該ＳＭＤの平坦な背面は冷却目的に極めて適する。
【００８３】
これは、また製品が役に立たなくなったとき、さらなる利点を結果として生じる。すなわち、電子機器と機械的ハードウェアとを分離するために、回路基板は単にはんだ溶融のために加熱が必要とされ、すべての電子部品は単に拭き取られる。さらなる加熱は、次に、みがき直しおよび再利用のために、より貴重な冷却板およびセラミック挿入物から積層ラミネートを分離するのを可能とする。また、これらのモジュールを有する他の利点は、冷却液が完全かつ確実に電子機器から分離されることである。
【００８４】
本願の流体による直接的な冷却は、パワーモジュールの設置で、高い集積度および高い柔軟性を促進することを可能とする。
【００８５】
最上ラミネート８および絶縁ラミネート９の厚さを決めるために、冷却板１６の形成と同様に、次の要因を考慮することができる。
高い集積度を達成するために、回路基板は少なくとも２つのトラック面（track planes）すなわち配線面を含み、その数の制限因子は回路基板の厚さの増加による熱伝導度の劣化である。
熱源とヒートシンクとの間の距離が短いほど冷却はより効果的であり、この場合の制限因子は漂遊容量の増大と、電気的絶縁抵抗の減少とである。
熱源とヒートシンクとの間の材料の熱伝導度が優れている程、冷却はより効果的であり、その制限因子は単にコストが関係する。
ＳＭＤの最大許容電力損失は、回路基板の温度またはＳＭＤ障壁層の温度によって制限することができ、最初のケースでの前記装置の温度抵抗は、非常に良好であるが、後のケースでは、前記回路基板の熱抵抗に比較して劣っている傾向が見られる。
回路基板に直接的に接触する冷却板の質量がより低いほど、回路基板のハンダ付け、修理および変更はより簡単であり、ここでの制限因子は、十分な機械的安定性と共に、モジュールの有効寿命に亘る冷却液と電子機器との安全な分離である。
その高い比熱、その長距離の上の簡単な熱輸送およびその基本的な環境の適合性により、凝固以下または蒸発以上の温度制限因子をもつ水が最初の冷却液として選択されると、藻類または微生物への感染性と同様に、腐食の危険性が付加される。
水は比較的低い熱伝導度を持つので、熱交換帯域で冷却液の混合を通して冷却効率が増し、制限因子は、冷却板の流入側でより高い圧力を必要とする流体抵抗の増加である。 流量率が過度ならば、キャビテーションは局在化する真空のために結果として同様に腐食を起こすかもしれない。
湿度による復水は、露形成を結果として生じ、同様に回路基板に水を吸収させる。この場合の制限因子は、空気の温度以下ではない温度を必要とする回路基板の温度と、もちろん回路基板に出入りできるすべての空気の相対湿度とおよび容量とである。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】形彫り放電加工機の基本構造の線図である。
【図２】形彫り放電加工機の基本構造の線図である。
【図３】欧州特許0 590 354 B1に開示されたＳＭＤを冷却するための従来技術の回路基板ユニットの図面である。
【図４】米国特許4,718,163に開示されたＳＭＤを冷却するための従来技術の回路基板ユニットの図面である。
【図５】本発明に係るパワー機能のための回路基板ユニットの第１具体例の断面図である。
【図６】本発明に係る制御機能のための回路基板ユニットの第１具体例の断面図である。
【図７】２つの本発明に係る回路基板ユニットから成る回路基板モジュールの第１具体例の断面図である。
【図８】２つの本発明に係る回路基板ユニットから成る回路基板モジュールの第２具体例の断面図である。
【図９】図７および８に示された回路基板モジュールから成システムパックの断面図である。
【図１０】２つの本発明に係る回路基板ユニットから成る回路基板モジュールの第３具体例の断面図である。
【図１１】図７ないし図１０に示された回路基板モジュールの冷却液の流れを説明するための断面図である。
【図１２】冷却効率を高めるための迷路構造を有する冷却板の半分の斜視図である。
【図１３】冷却液、圧縮空気および排気を処理するための構造化された部分の斜視図である。
【図１４】２つの本発明に係る回路基板ユニットから成る回路基板モジュールと、迷路およびパッケージ壁を形成するための成形品とを含む第４具体例の断面図である。
【符号の説明】
【００８７】
１０  導電路
８、１９  ラミネート
９  電気絶縁ラミネート
１２、１４、１８、２１  ＳＭＤ（表面実装型デバイス）
１５  電気絶縁性挿入物
１６  冷却板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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