DE102008016458A1

DE102008016458A1 - Leiterplatte

Info

Publication number: DE102008016458A1
Application number: DE102008016458A
Authority: DE
Inventors: Michael Weis; Steffen Strauss
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-01
Also published as: US20090301765A1; US8253026B2

Abstract

Die Leiterplatte ist mit mindestens einem Durchgangsloch versehen, in dem ein Wärmeableitelement angeordnet ist, wobei mindestens eine Strahlungsquelle auf dem Wärmeableitelement angeordnet ist. Die Leuchtvorrichtung ist mit mindestens einer Leiterplatte nach einer der vorhergehenden Ansprüche ausgerüstet.

Description

Die Erfindung betrifft eine mit mindestens einer Strahlungsquelle, insbesondere Leuchtdiode, bestückte Leiterplatte und eine Leuchtvorrichtung mit mindestens einer solchen Leiterplatte.
Allgemein ist es bekannt, Leiterplatten mit wärmeleitfähigen Durchkontaktierungen zu versehen, sog. ”Thermal Vias”. Thermische Vias verbessern den Wärmetransport senkrecht zur Leiterplatte. Die Wärmeleitfähigkeit von kostengünstigen Basismaterialen wie FR4 mit 0,3 W/m·K wird für eine Entwärmung von elektronischen Bauelementen als zu gering angesehen. Die primäre Aufgabe der thermischen Vias besteht in einer Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit; sie nutzen den hohen Wärmeleitwert (300 W/m·K) von Kupfer, dem Material einer typischen Durchkontaktierung. Durch eine dichte Anordnung, beispielsweise in einem hexagonalen Raster von 0,5 mm und einem Durchmesser der Vias von 0,25 mm, können effektiv bis zu 10 Kupfer in die Leiterplatte eingebracht werden. Daraus ergibt sich eine Wärmeleitfähigkeit von 30 W/(m·K) senkrecht zur Leiterplatte. Allgemein ist auch es bekannt, Leiterplatten mit Metallkern (engl. metal core) und Dickkupfer zu versehen, was eine höhere laterale Wärmeleitfähigkeit erlaubt. Hierzu werden Kupfer- oder Aluminiumbleche oder auf bis zu 400 μm verstärkte Kupferlagen in die Leiterplatte eingearbeitet. In Verbindung mit einem Wärmepastendruck kann so eine Wärmereduktion erreicht und in bestimmten Fällen, falls die Wärmeentwicklung durch die elektronischen Komponenten nicht zu hoch wird, der Einsatz zusätzlicher Kühlkörper vermieden werden.
DE 20 2004 006 870 U1 offenbart eine elektrische Leiterplatte, bestehend aus wenigstens einer dielektrischen Trägerschicht und einem, zumindest auf deren einer Seite angebrach ten, eine elektrische Schaltung darstellenden Leiterbild mit zumindest einem flächigen, in eine durchgängige Ausnehmung der Trägerschicht eingesetzten, aus einem metallischen Werkstoff bestehenden Wärmeleitblock, der mit dem Leiterbild zumindest in einem wärmeleitfähigen Kontakt steht und dessen Stirnseiten sich im Wesentlichen bündig zu den Ebenen der Oberseite sowie der Unterseite der Leiterplatte erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stirnseite des Wärmeleitblockes mit einer Oberflächenmetallisierungsschicht überzogen ist, die sich über die Berandung der Ausnehmung hinaus erstreckt, dass die Innenwandungen der Ausnehmung gleichförmig mit einer Metallisierungsschicht überzogen sind und dass der Wärmeleitblock mit dieser Metallisierungsschicht zumindest in einem wärmeleitfähigen Kontakt steht.
LED-Lichtquellen (LED-Chips oder ein LED-Submount) und ggf. zugehörige Elektronikbauteile (Treiberbausteine usw.) werden bisher aufgrund ihrer hohen Wärmeentwicklung gleichzeitig elektronisch an eine Leiterplatte und thermisch an ein Kühlsystem angeschlossen werden. Zur Verbindung mit dem Kühlsystem wird meist die Leiterplatte rückseitig großflächig mit einem Kühlkörper versehen. Jedoch sind solche Lösungen vergleichsweise ineffizient und großvolumig.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur effektiven und platzsparenden Kühlung von Strahlungsquellen, insbesondere Leuchtdioden, bereitzustellen, die an einer Leiterplatte anzuordnen sind. Möglichst soll auch die Wärme von Elektronikbausteinen auf der Leiterplatte effektiv und platzsparend abgeführt werden.
Diese Aufgabe wird mittels einer Leiterplatte nach Anspruch 1 und mittels einer Leuchtvorrichtung nach Anspruch 29 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Leiterplatte weist mindestens ein Durchgangsloch auf, in dem ein gut wärmeleitendes Wärmeableitelement (”Inlay”) angeordnet ist, z. B. ein Block aus Metall, insbesondere Kupfer. Das Loch kann ganz oder auch nur partiell von der Leiterplatte seitlich umfasst sein. Auf einer oberseitigen oder unterseitigen Endfläche des Wärmeableitelements ist mindestens eine Strahlungsquelle angeordnet. Die Strahlungsquelle kann beispielsweise sichtbares Licht und/oder IR-Strahlung aussenden.
Unter einem gut wärmeleitenden Material oder Element wird ein Material oder eine Materialkombination bzw. ein Element verstanden, welche(s) einen Wärmeleitkoeffizienten λ von mehr als ca. 15 W/(m·K) aufweist. Es wird besonders bevorzugt, wenn der Wärmeleitkoeffizient λ 175 W/(m·K) oder mehr beträgt, speziell mehr als 215 W/(m·K) und am bevorzugtesten mehr als ca. 300 W/(m·K), speziell mehr als ca. 350 W/(m·K). Das Material kann ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen, z. B. mit Al, Cu, Ag und/oder Au, oder ein Nichtmetall, wie eine AlN-Keramik, oder auch Kohlenstoffnanoröhrchen.
Bei einer solchen Leiterplatte wird durch das Wärmeableitelement ein effizient wärmeableitender und kompakter Bereich geschaffen. Ein an die jeweils entgegengesetzte Endfläche des Wärmeableitelements thermisch angekoppeltes Kühlsystem, z. B. ein Kühlkörper oder eine Heatpipe, kann einen entsprechend hohen und lokal begrenzten Wärmefluss aufnehmen und ableiten.
Es wird eine Leiterplatte bevorzugt, bei der das Wärmeableitelement mit einer Kühlvorrichtung in thermischem Kontakt steht, insbesondere an einer der mindestens einen Strahlungsquelle entgegengesetzten Fläche des Wärmeableitelements in thermischem Kontakt steht, z. B. durch mechanische Kontaktierung.
Die Kühlvorrichtung kann aktiv und/oder passiv arbeiten. Zur aktiven Kühlung kann beispielsweise ein Lüfter oder ein anderer Luftstromerzeuger eingesetzt werden. Zur passiven Kühlung kann beispielsweise ein Kühlkörper mit Kühlrippen oder ein Wärmerohr ('Heatpipe') verwendet werden. Der Kühlkörper kann beispielsweise separat hergestellt oder mit dem Wärmeableitelement einstückig hergestellt sein. Der Kühlkörper ist vorzugsweise nur mit dem Wärmeableitelement thermisch gekoppelt, kann aber mit seinen Kühlrippen seitlich darüber ausgedehnt sein. Es sind Kombinationen von Kühlelementen möglich. Allgemein sind alle geeigneten Arten zur Wärmeabführung vom Wärmeableitelement einsetzbar, z. B. auch eine Wasserkühlung.
Es wird zur festen und verwindungssteifen Befestigung sowie zur noch besseren thermischen Anbindung an die Leiterplatte bevorzugt, wenn das Wärmeableitelement eine Wand des zugehörigen Durchgangslochs kontaktiert, insbesondere in Umfangsrichtung durchgehend kontaktiert. Das Durchgangsloch ist zur besseren elektrischen und thermischen Anbindung vorzugsweise an seinen Seitenflächen metallisiert.
Alternativ können ein oder mehrere Wandabschnitte nicht kontaktiert sein, z. B. zur elektrischen Isolierung gegen die Leiterplatte; das Wärmeableitelement kann dann z. B. unterseitig an der Leiterplatte festgeschraubt sein.
Es wird zur einfachen und besonders positionsfesten Einbringung bevorzugt, wenn das Wärmeableitelement in das zugehörige Durchgangsloch eingepresst ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, falls ein Drahtbonden zur Kontaktierung der Strahlungsquelle(n) mit der Leiterplatte verwendet wird.
Es wird ferner bevorzugt, wenn das Wärmeableitelement eine der Höhe der Leiterplatte entsprechende Höhe aufweist.
Es kann bevorzugt sein, wenn das Wärmeableitelement elektrisch leitfähig ist und von der mindestens einen Strahlungsquelle mittels einer sowohl wärmeleitenden als auch elektrisch isolierenden Schicht getrennt ist.
Dann wird es besonders bevorzugt, wenn die sowohl wärmeleitende als auch elektrisch isolierende Schicht (TIM; thermal interface material) als Submount für die mindestens Strahlungsquelle ausgeführt ist.
Zur einfachen Befestigung kann es ferner bevorzugt sein, wenn der Submount in das Wärmeableitelement eingepresst ist.
Das Wärmeableitelement kann vorzugsweise ein sowohl gut wärmeleitendes als auch elektrisch isolierendes Material umfassen, z. B. AlN oder eine andere Keramik. Bevorzugt wird dann eine Leiterplatte, bei der die mindestens eine Strahlungsquelle direkt auf dem Wärmeableitelement aufgebracht ist z. B. mittels eines Klebers oder eines Reflow-Lötverfahrens.
Die Strahlungsquelle umfasst vorzugsweise mindestens eine Leuchtdiode. Die Strahlungsquelle kann beispielsweise als LED-Modul mit einer Leuchtdiode oder mehreren Leuchtdioden vorliegen, z. B. einer Leuchtdiode als Teil eines LED-Chip(s). Die einzelnen Leuchtdioden können jeweils einfarbig oder mehrfarbig, z. B. weiß, abstrahlen. Es kann auch eine IR-Licht abstrahlende Leuchtdiode verwendet werden. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtdioden können diese z. B. gleichfarbig (einfarbig oder mehrfarbig) und/oder verschiedenfarbig leuchten. So mag ein LED-Modul mehrere Einzel-LEDs ('LED-Cluster') aufweisen, welche zusammen ein weißes Mischlicht ergeben können, z. B. in 'kaltweiß' oder 'warmweiß'. Zur Erzeugung eines weißen Mischlichts umfasst das LED-Cluster bevorzugt Leuchtdioden, die in den Grundfarben rot (R), grün (G) und blau (B) leuchten. Dabei können einzelne oder mehrere Farben auch von mehreren LEDs gleichzeitig erzeugt werden; so sind Kombinationen RGB, RRGB, RGGB, RGBB, RGGBB usw. möglich.
Jedoch ist die Farbkombination nicht auf R, G und B beschränkt. Zur Erzeugung eines warmweißen Farbtons können beispielsweise auch eine oder mehrere bernsteinfarbige LEDs 'amber' (A) vorhanden sein. Bei LEDs mit unterschiedlichen Farben können diese auch so angesteuert werden, dass das LED-Modul in einem durchstimmbaren RGB-Farbbereich abstrahlt. Zur Erzeugung eines weißen Lichts aus einer Mischung von blauem Licht mit gelbem Licht können auch mit Leuchtstoff versehene blaue LED-Chips verwendet werden, z. B. in Oberflächenmontagetechnik, z. B. in Thin-GaN-Technik. Dann kann ein LED-Modul auch mehrere weiße Einzel-Chips aufweisen, wodurch sich eine einfache Skalierbarkeit des Lichtstroms erreichen lässt. Die Einzel-Chips und/oder die Module können mit geeigneten Optiken zur Strahlführung ausgerüstet sein, z. B. Fresnel-Linsen, Kollimatoren, und so weiter. Es können an einem Kontakt mehrere gleiche oder verschiedenartige LED-Module angeordnet sein, z. B. mehrere gleichartige LED-Module auf dem gleichen Substrat. Statt oder zusätzlich zu anorganischen Leuchtdioden, z. B. auf Basis von InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs) einsetzbar. Auch können z. B. andere Halbleiter-Strahlungsquellen, wie Diodenlaser, verwendet werden.
Die Leiterplatte ist vorzugsweise mehrlagig ausgeführt, insbesondere, falls mindestens eine Leiterbahn mindestens einer Lage das Wärmeableitelement kontaktiert. Dadurch wird eine Wärmeabfuhr auch von anderen an der Leiterplatte befestigten Bauelementen, z. B. elektronischen Bausteinen, ermöglicht.
Dazu wird es ferner bevorzugt, wenn die mit dem Wärmeableitelement kontaktierte Leiterbahn mittels mindestens einer wärmeleitfähigen Durchkontaktierung mit einer Außenlage der Leiterplatte verbunden ist.
Es kann zur Kühlung ferner bevorzugt sein, falls mindestens eine Leiterbahn mindestens einer Lage das Wärmeableitelement nicht kontaktiert. Dadurch können insbesondere mit einem Spannungspotenzial belegbare Bausteine effektiv gekühlt werden.
Zur Wärmespreizung und dadurch verstärkten Wärmeabfuhr ist die das Wärmeableitelement nicht kontaktierende (potenzialbelegte) Leiterbahn großflächig ausgeführt, d. h. mit einer größeren Fläche als eine üblich rein elektrisch wirkende Leiterbahn.
Zur effektiven Wärmeableitung auch der nicht das Wärmeableitelement kontaktierenden Lagen wird es bevorzugt, wenn eine das Wärmeableitelement nicht kontaktierende Leiterbahn und eine das Wärmeableitelement kontaktierende, benachbarte Leiterbahn einen geringen Abstand zueinander aufweisen, der dennoch eine ausreichende elektrische Isolierung ermöglicht.
Dazu wird es besonders bevorzugt, wenn ein Abstand zwischen einer das Wärmeableitelement nicht kontaktierenden Leiterbahn und einer benachbarten, das Wärmeableitelement kontaktierende Leiterbahn 250 μm nicht überschreitet, speziell 200 μm nicht überschreitet.
Ferner wird es besonders bevorzugt, wenn ein Abstand zwischen einer das Wärmeableitelement nicht kontaktierenden Leiterbahn und einer benachbarten, das Wärmeableitelement kontaktierende Leiterbahn 25 μm nicht unterschreitet, speziell 50 μm nicht unterschreitet.
Zur vereinfachten Auslegung kann es besonders bevorzugt sein, wenn ein (senkrechter) Abstand zwischen einer das Wärmeableitelement nicht kontaktierenden Leiterbahnebene und einer benachbarten, das Wärmeableitelement kontaktierende Leiterbahnebene 250 μm nicht überschreitet, speziell 200 μm nicht überschreitet, und/oder ein (senkrechter) Abstand zwischen einer das Wärmeableitelement nicht kontaktierenden Leiterbahnebene und einer benachbarten, das Wärmeableitelement kon taktierende Leiterbahnebene 25 μm nicht unterschreitet, speziell 50 μm nicht unterschreitet.
Es wird ferner bevorzugt, wenn eine Dicke einer Leiterbahn 250 μm nicht überschreitet, speziell eine Dicke einer Leiterbahn 200 μm nicht überschreitet.
Es wird bevorzugt, wenn eine das Wärmeableitelement kontaktierende Leiterbahn potentialfrei ausgelegt ist.
Zur besonders effektiven Wärmeableitung wird es zudem bevorzugt, wenn eine wärmeleitfähige Durchkontaktierung, welche die potentialfrei ausgelegte Leiterbahn kontaktiert, an der Außenlage von einem Gehäuse eines elektronischen Bauteils überdeckt ist.
Eine das Wärmeableitelement nicht kontaktierende Leiterbahn liegt im Betrieb vorzugsweise auf einem Spannungspotenzial.
Es wird bevorzugt, wenn eine das Wärmeableitelement nicht kontaktierende Leiterbahn über mindestens eine elektrisch und thermisch leitende Durchkontaktierung mit einem elektrischen Anschluss eines elektronischen Bauelements verbunden ist.
Die Leuchtvorrichtung weist mindestens eine solche Leiterplatte auf.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur besseren Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die gezeigten Elemente müssen nicht maßstabsgetreu eingezeichnet sein.
1A zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze einer Leiterplatte mit einem Wärmeableitelement;
1B zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze einer Leiterplatte mit einem Wärmeleitelement nach einer weiteren Ausführungsform;
1C zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze einer Leiterplatte mit einem Wärmeleitelement nach noch einer weiteren Ausführungsform;
1D zeigt die Leiterplatte aus 1C in Aufsicht;
2A zeigt eine Leiterplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem Wärmeleitelement nach 1A;
2B zeigt eine Leiterplatte gemäß noch einer weiteren Ausführungsform mit einem Wärmeleitelement nach 1A;
2B zeigt eine Leiterplatte gemäß noch einer weiteren Ausführungsform mit einem Wärmeleitelement nach 1A;
2C zeigt noch eine Leiterplatte gemäß noch einer weiteren Ausführungsform mit einem Wärmeleitelement nach 1A;
2D zeigt noch eine Leiterplatte gemäß noch einer weiteren Ausführungsform mit einem Wärmeleitelement nach 1A;
3A zeigt noch eine Leiterplatte gemäß noch einer weiteren Ausführungsform mit einem Wärmeleitelement nach 1A;
3B zeigt in Aufsicht eine innere Leiterplattenebene der Leiterplatte aus 3A;
4A zeigt in Schrägansicht von oben ein elektronisches Bauelement zum Aufsatz auf eine Leiterplatte;
4B zeigt in Aufsicht eine Kontaktfahne für das elektronische Bauelement aus 4A;
5A zeigt in Aufsicht eine Hälfte eines Layouts einer Außenlage einer erfindungsgemäßen Leiterplatte;
5B zeigt in Aufsicht die Hälfte der Außenlage der Leiterplatte aus 5A mit Bestückung;
6A zeigt in Aufsicht eine Hälfte eines Layouts einer ersten, potenzialfreien Innenlage der Leiterplatte aus 5A;
6B zeigt in Aufsicht eine Hälfte eines Layouts einer zweiten, potenzialbehafteten Innenlage der Leiterplatte aus 5A.
1A zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze einer Leiterplatte 1 mit FR4 als Grundmaterial. In der Leiterplatte 1 ist ein Durchgangsloch 2 durchgängig über die Höhe eingebracht mit einer Querschnittsform (Aufsicht von oben bzw. von unten) eines Quadrats mit abgerundeten Ecken, z. B. durch Ausfräsen. Das Durchgangsloch 2 ist vollständig mittels eines Wärmeleitelements 3 ('Inlay') aus Kupfer ausgefüllt. Das Wärmeleitelement 3 ist in das Durchgangsloch 2 eingepresst und kontaktiert die Wand des Durchgangslochs durchgehend, d. h., vollständig umlaufend. Die Höhe des Wärmeleitelements 3 entspricht der Höhe der Leiterplatte 1.
Die obere Oberfläche 4 des Wärmeleitelements 3 ist mit einem Submount 5 aus AlN-Keramik bestückt, welches mehrere Leuchtdioden 6 als Strahlungsquelle trägt (LED-Modul). Die Leuchtdioden 6 sind mittels einer wärmeleitfähigen Haftpaste auf dem Submount 5 befestigt. Die untere Oberfläche 7 des Wärme leitelements 3 kann mit einem Kühlsystem thermisch gekoppelt sein, z. B. einem kompakten Kühlkörper (ohne Abb.), der vor allem oder vollständig auf der unteren Oberfläche 7 aufliegt.
Diese Leiterplatte 1 weist gegenüber herkömmlichen Leiterplatten den Vorteil auf, dass die von den LEDs 6 entwickelte Wärme über ein kleines Volumen effektiv abgeführt werden kann.
In 1B ist der Submount 5 nun in das als Kupferblock vorliegende Wärmeleitelement 3 eingepresst. Dadurch wird eine Bauhöhe verringert und eine Wärmeableitfähigkeit weiter verbessert. Hier sind nun auch die elektrischen Kontaktierungen der LEDs 6 über Bonddrähte 8 mit (nicht gezeigten) Bondpads auf der oberen Außenlage der Leiterplatte 1 gezeigt. Der Submount 5 kann z. B. eine Metallkernplatine oder eine ein- oder mehrlagig strukturierte Keramik umfassen, z. B. AlN-Keramik. Durch das Einpressen ergibt sich der Vorteil, dass kein Klebeprozess benötigt wird. Alternativ können Submount 5 und Platine 1 beispielsweise verlötet werden.
1C zeigt eine Leiterplatte 1, bei der nun das Wärmeleitelement 9 vollständig aus thermisch gut und elektrisch isolierendem Material hergestellt ist, z. B. aus AlN. Die LEDs 6 können direkt, d. h., ohne eine elektrisch isolierende Zwischenschicht, auf einem solchen Wärmeleitelement 9 aufgebracht werden, z. B. mittels Klebens oder eines Reflow-Verfahrens.
1D zeigt die Leiterplatte 1 aus 1C in Aufsicht. Das Loch 2 ist hier mit einer quadratischen Querschnittsform ohne abgerundete Ecken ausgeführt. Acht LEDs 6 sind in 3 × 3-Matrixform auf dem Wärmeleitelement 9 aufgebracht, wobei die zentrale Position freigelassen ist. Die Innenpositionen sind mit farbig strahlenden LEDs bestückt, nämlich in dieser Darstellung mit oben einer rot strahlenden LED 6R, unten einer blau strahlenden LED 6B und links und rechts zwei elektrisch über einen Bonddraht 8 in Reihe geschalteten grün strahlenden LEDs 6G. Diese LEDs 6R, 6G, 6B können zusammen ein kalt-weißes Mischlicht ergeben. Um auch ein warm-weißes Mischlicht zu erzeugen, sind an den vier Eckpositionen bernsteinfarben ('amber') leuchtende LEDs 6A vorhanden. Die Zentralposition kann z. B. mittels eine Helligkeits- oder Farbsensors ausgefüllt werden.
2A zeigt eine Leiterplatte 10 ähnlich zu der Ausführungsform nach 1A, die nun mehrlagig ausgeführt ist. Auf der oberen Oberfläche (Außenlage) der Leiterplatte 10 sind seitlich des Wärmeableitelements (Kupferblock) 3 zu entwärmende elektronische Bausteine 11 aufgebracht, z. B. eine Treiberschaltungen, Widerstände, Kondensatoren und so weiter. Diese liegen auf wärmeleitenden Cu-Durchkontaktierungen ('thermal Vias') 12 auf, welche zu einer großflächigen Cu-Leiterbahn 13 führen. Dabei brauchen die elektronische Bausteine 11 die thermischen Vias 12 nicht zu kontaktieren, um eine wirksame Wärmeübertragung zu gewährleisten, es reicht meist die Wärmestrahlungsübertragung aus. Jedoch kann auch eine Presskontaktierung oder eine Haftverbindung vorgesehen sein. Schon eine Wärmespreizung durch die großflächige Cu-Leiterbahn 13 führt zu einer hohen Wärmeabfuhr vom elektronischen Baustein 11. Im der hier gezeigten Ausführungsform reicht die Leiterbahn 13 bis zum Durchgangsloch 2 und ist somit randseitig mit dem Wärmeableitelement 3 verbunden, was eine weitere Erhöhung der Wärmeabfuhr bewirkt. Diese Art der Wärmeabfuhr ist insbesondere für potenzialfreie Leitungen geeignet. Diese Variante weist den Vorteil auf, dass weitere Bauteile auf der Platine 1 thermisch an das Wärmeableitelement (Inlay) 3 angeschlossen werden können.
2B zeigt eine Leiterplatte 14 ähnlich zu derjenigen aus 2A, bei der nun zwei Lagen bzw. Leiterbahnen 15, 16 um einen Abstand d in Höhenrichtung beabstandet sind. Die thermischen Vias 12 sind mit Kontaktfahnen (ohne Abb.) auf der Außenlage der Leiterplatte 14 verbunden und stellen eine ther mische und elektrische Verbindung mit einer Leiterbahn 15 her, welche sich nicht bis zum Wärmeableitelement 3 erstreckt und davon vorteilhafterweise elektrisch isoliert ist. Durch die elektrische Isolierung ist die Leiterbahn 15 besonders dazu geeignet, auf einem Spannungspotenzial zu liegen. Die Wärmespreizung in der großflächigen Cu-Leiterbahn 15 führt zu einer hohen Wärmeabfuhr vom elektronischen Baustein 11. Um die Wärmeabfuhr zu verstärken, ist der Abstand d zwischen der auf einem Potenzial liegenden Leiterbahn 15 und einer mit dem Wärmeableitelement 3 verbundenen, potenzialfreien Leiterbahn 16 so gering, dass sich ein signifikanter Wärmeübertrag von der Leiterbahn 15 auf die Leiterbahn 16 durch das elektrisch isolierende FR4-Substratmaterial dazwischen ergibt. Hier dient die Leiterbahn 16 somit ausschließlich einer Wärmeabfuhr und kann z. B. ganzflächig aufgebracht sein.
2C zeigt noch eine weitere mehrlagige Leiterplatte 17 ähnlich zu derjenigen aus 2A, bei der nun thermische Vias 12 ein Bauteil 11 mit einer potenzialbehafteten Leiterbahn bzw. Leiterfläche 15 verbinden, wobei dann eine gleichzeitige elektrische Verbindung bevorzugt wird. Gleichzeitig ist das Bauteil 11 über thermische Vias 12 mit der potenzialfreien Leiterbahn 16 und weiter mit dem Wärmeableitelement 3 verbunden. Die potenzialfreie Leiterbahn 16 führt somit sowohl über die thermischen Vias 12 zugeführte Wärme als auch durch großflächigen Wärmeübertrag mittels Konvektion von der potenzialbehafteten Leiterbahn 15 durch das Leiterbahngrundmaterial FR4 zugeführte Wärme ab. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die komplette Fläche (potenzialfrei und mit Potential) des Bauteils 11 zur Kühlung an die Leiterplatte angebunden werden kann.
2D zeigt noch eine weitere mehrlagige Leiterplatte 18 ähnlich zu derjenigen aus 2C, bei der nun die Reihenfolge der Leiterbahnen 15, 16 verkehrt ist. Die potenzialbehafteten thermischen Vias 12 werden hier isoliert durch die potenzial freie Leiterbahn 16 durchgeführt, wie weiter unten ausführlich beschrieben wird.
3A zeigt noch eine weitere mehrlagige Leiterplatte 19 ähnlich der Art nach 2B ohne Darstellung der Strahlungsquelle. Die Leiterplatte 19 ist mit vier elektronischen Bausteinen 11 bestückt, die über thermisch und elektrisch leitende Vias 12 mit einer jeweiligen großflächigen, potenzialbehafteten Leiterbahn bzw. Leiterfläche 15 verbunden sind. Die vier Leiterbahnen 15 sind elektrisch voneinander isoliert. Die mit dem Wärmeableitelement 3 verbundene potenzialfreie Leiterebene 16 dient der Wärmeableitung mittels Konvektion.
3B zeigt die die potenzialbehafteten Leiterflächen umfassende Leiterplattenebene der Leiterplatte 19 aus 3A in Aufsicht. Jede der vier Leiterbahnen 15 weist eine Kontaktfläche für den thermischen Via 12 auf. Die Leiterbahnen 15 sind voneinander und von dem Wärmeleitelement 3 durch einen Spalt auf dem Substratmaterial 20 aus FR4 elektrisch isoliert. Die Leiterbahnen 15 sind dergestalt großflächig ausgebildet, dass sie die zur Verfügung stehende Fläche auf der Leiterplattenebene maximal ausfüllen, insbesondere weist jede der Leiterbahnen 15 eine gleiche Flächengröße auf.
In der Ausführungsform gemäß 3A und 3B sind die Lagen bzw. Leiterbahnen 15, 16 so großflächig wie möglich auszulegen, um eine ideale Wärmespreizung und damit einen geringen thermischen Widerstand zwischen Bauteil und Wärmeableitelement 3 (Inlay) zu erreichen. Bei mehreren Bauteilen 11 genügt es, die potentialbehaftete Zwischenschicht 15 elektrisch zu trennen. Die an das Inlay 3 angebundene Schicht 16 kann gemeinsam genutzt werden.
4A zeigt in Schrägansicht von oben ein elektronisches Bauelement 11 zum Aufsatz insbesondere auf eine der oben be schriebenen Leiterplatten. Das Bauelement 11 weist ein Kunststoffgehäuse 21 und drei unterseitige Kontakte 22 auf.
4B zeigt in Aufsicht Kontaktfahnen 23 auf der Außenseite der Leiterplatte, die zu den elektrischen Kontakten 22 für das elektronische Bauelement aus 4A zugehörig sind.
5A zeigt in Aufsicht eine obere Hälfte eines Layouts einer Außenlage einer Leiterplatte 24. Dieses Layout ist für sechs Treiberbausteine gemäß 4A ausgelegt. Schwarz dargestellte Flächen sich elektrisch leitfähig, weiß dargestellte Flächen elektrisch isolierend. Die Leiterplatte 24 ist außer mit den Kontaktfahnen 23 (exemplarisch nur für einen elektronischen Baustein beschrieben) auch mit jeweils zugehörigen zwei Gruppen von thermischen Vias 25 ausgestattet, die an der Oberfläche enden. Das quadratisch mit abgerundeten Ecken ausgestaltete Durchgangsloch 2 ist elektrisch gegen die Lage isoliert.
Bei bestückter Oberfläche, wie in 5B gezeigt, sind die elektronischen Bausteine 11 mit den Kontaktfahnen 23 elektrisch und thermisch kontaktiert. Das Gehäuse 21 liegt über den außenliegenden Endflächen der thermischen Vias 25. Dabei kann das Gehäuse 21 kontaktierend oder nichtkontaktierend auf den Vias 25 aufliegen.
6A zeigt die nächsttiefere Leiterbahnlage der Leiterplatte 24. Diese Leiterbahnlage ist potenzialfrei und wird elektrisch leitend bis an die Aussparung 2 für das Wärmeleitelement geführt. Gestrichelt eingezeichnet sind thermische und elektrische Durchführungen bzw. Vias 12, welche die Kontaktfahnen 23 aus 5A unterseitig kontaktieren und durch die gezeigte Leiterbahnlage elektrisch dagegen isoliert hindurchführen.
6B zeigt in Aufsicht eine Hälfte eines Layouts einer zweiten, nun potenzialbehafteten Leiterbahnlage der Leiter platte 24, welche unterhalb der potenzialfreien Leiterbahnlage aus 6A liegt. Dies entspricht der in 2D gezeigten Grundkonstellation. Jeder der sechs Treiberbausteine 11 ist mit einer mit einem individuellen Spannungspotenzial beaufschlagbaren großflächigen Leiterbahn 26 verbunden. Die Leiterbahnen 26 füllen die Lage flächig maximal aus und sind gegen das Durchgangsloch 2 elektrisch isoliert.
Im Betrieb der in den 5A bis 6B gezeigten Leiterplatte 24 wird von den Treiberbausteinen 11 entwickelte Wärme erstens über die mittlere elektrische Kontaktfahne 23 und weiter über die elektrischen und thermischen Vias zu der Leiterbahnlage mit den großflächigen Leiterbahnen 26 abgeführt. Dort wird die Wärme verteilt und weiter mittels Konvektion durch das Leiterplattensubstrat 20 zu der darüberliegenden potenzialfreien Leiterplatte und zum Loch 2 mit dem darin eingepressten Wärmeleitelement geleitet. Zweitens wird am Gehäuse 21 entwickelte Wärme über die thermischen Vias 25 direkt auf die potenzialfreie Leiterplatte und dann zum Loch 2 mit dem darin eingepressten Wärmeleitelement 3 geleitet. Durch diese beiden Wärmeableitpfade wird eine effiziente und kompakte Wärmeableitung erreicht.
Es sind zur besseren Übersichtlichkeit nicht sämtliche Leiterbahnebenen und Leitungen der Leiterplatte 24 gezeigt.
Mögliche Anwendungen umfassen eine Verwendung der Leiterplatte, oder mehrerer solcher Leiterplatten, für Fahrzeugscheinwerfer (Kfz-Scheinwerfermodule), zur Film- und Bühnenbeleuchtung, allgemeinen Beleuchtung oder auch zur Verwendung in Retrofit-Lampen. Bei Verwendung von IR-Strahlern, z. B. IR-LEDs, umfassen mögliche Anwendungen IR-Kameras, z. B. zur Überwachung, z. B. Gebäudeüberwachung, oder Kfz-Scheinwerfer zur IR-Straßenbeleuchtung.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist die Querschnittsform des Durchgangslochs nicht beschränkt und kann beispielsweise mehreckig oder rund, z. B. kreisrund oder oval, mit oder ohne abgerundete Ecken vorliegen, oder als Freiformfläche. Das Material des Wärmeleitelements im Durchgangsloch kann beispielsweise metallisch oder keramisch sein. Die Strahlungsquelle kann direkt oder mittels des Submounts auf dem Wärmeleitelement montiert sein, z. B. geklebt oder gelötet. Die Strahlungsquelle(n) kann/können über Löt-, Steck- oder Wirebondverbindungen an die Leiterplatte angebunden sein. Auch können die LEDs allgemein über ein Wärmeschnittstellenmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit und geringer elektrischer Leitfähigkeit mit einem metallischen oder sonstigen sowohl thermisch als auch elektrisch gut leitenden Wärmeableitelement verbunden sein. Zudem kann ein Wärmeleitelement verwendet werden, welches das Durchgangsloch nur abschnittsweise kontaktiert. Ferner kann die Höhe des Wärmeleitelements aber auch größer oder geringer sein die Höhe der Leiterplatte. Es sind andere Leiterplatten-Grundmaterialien möglich, z. B. FR1–FR5. Auch sind mehrere Durchgangslöcher mit entsprechenden, ggf. unterschiedlich ausgestalteten, Wärmeableitelementen möglich.

1: Leiterplatte
2: Durchgangsloch
3: Wärmeableitelement
4: obere Oberfläche
5: Submount
6: Leuchtdiode
6A: bernsteinfarbene LED
6R: rote LED
6G: grüne LED
6B: blaue LED
7: untere Oberfläche
8: Bonddraht
9: Wärmeableitelement
10: Leiterplatte
11: elektronisches Bauelement
12: thermischer Via
13: Leiterbahn
14: Leiterplatte
15: Leiterbahn
16: Leiterbahn
17: Leiterplatte
18: Leiterplatte
19: Leiterplatte
20: Substratmaterial
21: Gehäuse
22: elektrischer Kontakten
23: Kontaktfahne
24: Leiterplatte
25: thermischer Via
26: Leiterbahn
d: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 202004006870 U1 [0003]

Claims

Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) mit mindestens einem Durchgangsloch (2), in dem ein Wärmeableitelement (3) angeordnet ist, wobei mindestens eine Strahlungsquelle (6, 6R, 6G, 6B, 6A) auf dem Wärmeableitelement (3) angeordnet ist.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach Anspruch 1, bei der das Wärmeableitelement (3) elektrisch leitfähig ist und von der mindestens einen Strahlungsquelle (6, 6R, 6G, 6B, 6A) mittels einer sowohl wärmeleitenden als auch elektrisch isolierenden Schicht (5) getrennt ist.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach Anspruch 2, bei der die sowohl wärmeleitende als auch elektrisch isolierende Schicht (5) als Submount für die mindestens Strahlungsquelle (6, 6R, 6G, 6B, 6A) ausgeführt ist.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach Anspruch 3, bei der das Submount in das Wärmeableitelement eingepresst ist.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach Anspruch 1, bei der das Wärmeableitelement (9) ein sowohl wärmeleitendes als auch elektrisch isolierendes Material umfasst.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach Anspruch 5, bei der die mindestens eine Strahlungsquelle (6, 6R, 6G, 6B, 6A) direkt auf dem Wärmeableitelement (9) aufgebracht ist.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strahlungsquelle (6, 6R, 6G, 6B, 6A) mindestens eine Leuchtdiode umfasst.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach Anspruch 7, bei der die Strahlungsquelle mindestens eine Gruppe von Leuchtdioden (6, 6R, 6G, 6B, 6A) umfasst.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mehrlagig ausgeführt ist.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach Anspruch 9, bei der mindestens eine Leiterbahn (16) mindestens einer Lage das Wärmeableitelement (3) kontaktiert.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach Anspruch 10, bei der die mit dem Wärmeableitelement (3) kontaktierte Leiterbahn (13; 16) mittels mindestens einer wärmeleitfähigen Durchkontaktierung (12) mit einer Außenseite der Leiterplatte (10; 14; 17; 18; 19; 24) verbunden ist.
Leiterplatte (14; 17; 18; 19; 24) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der mindestens eine Leiterbahn (15; 26) mindestens einer Lage das Wärmeableitelement (3) nicht kontaktiert.
Leiterplatte (14; 17; 18; 19; 24) nach Anspruch 12, bei der die das Wärmeableitelement (3) nicht kontaktierende Leiterbahn (15; 26) großflächig ausgeführt ist.
Leiterplatte (14; 17; 18; 19; 24) nach einem der Ansprüche 10 oder 11 mit einem der Ansprüche 12 oder 13, bei der eine das Wärmeableitelement (3) nicht kontaktierende Leiterbahn (13; 16) und eine das Wärmeableitelement (3) kontaktierende Leiterbahn (15; 26) einen geringen Abstand (d) zueinander aufweisen.
Leiterplatte (14; 17; 18; 19; 24) nach Anspruch 14, bei welcher ein Abstand (d) zwischen einer das Wärmeableitelement (3) nicht kontaktierenden Leiterbahn (16) und einer benachbarten, das Wärmeableitelement kontaktierende Leiterbahn (15) 250 μm nicht überschreitet, insbesondere 200 μm nicht überschreitet.
Leiterplatte (14; 17; 18; 19; 24) nach Anspruch 14 oder 15, bei welcher ein Abstand (d) zwischen einer das Wärmeableitelement (3) nicht kontaktierenden Leiterbahn (16) und einer benachbarten, das Wärmeableitelement (3) kontaktierende Leiterbahn (15) 250 μm nicht überschreitet, insbesondere 200 μm nicht überschreitet.
Leiterplatte (14; 17; 18; 19; 24) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei welcher ein Abstand (d) zwischen einer das Wärmeableitelement (3) nicht kontaktierenden Leiterbahn (16) und einer benachbarten, das Wärmeableitelement kontaktierende Leiterbahn (15) 25 μm nicht unterschreitet, insbesondere 50 μm nicht unterschreitet.
Leiterplatte (14; 17; 18; 19; 24) nach Anspruch 17, bei welcher ein Abstand (d) zwischen einer das Wärmeableitelement (3) nicht kontaktierenden Leiterbahn (16) und einer benachbarten, das Wärmeableitelement (3) kontaktierende Leiterbahn (15) 25 μm nicht unterschreitet, insbesondere 50 μm nicht unterschreitet.
Leiterplatte (14; 17; 18; 19; 24) nach einem der Ansprüche 9 bis 18, bei der eine Dicke einer Leiterbahn (13; 15; 16; 26) 250 μm nicht überschreitet, insbesondere 200 μm nicht überschreitet.
Leiterplatte (14; 17; 18; 19; 24) nach einem der Ansprüche 10 bis 19, bei der eine das Wärmeableitelement (3) kontaktierende Leiterbahn (13; 16) potentialfrei ausgelegt ist.
Leiterplatte (14; 17; 18; 19; 24) nach einem der Ansprüche 11 bis 20, bei der die wärmeleitfähige Durchkontaktierung (12), welche die potentialfrei ausgelegte Leiterbahn (13; 16) kontaktiert, an der Außenlage von einem Gehäuse (21) eines elektronischen Bauteils (11) überdeckt ist.
Leiterplatte (14; 17; 18; 19; 24) nach einem der Ansprüche 12 bis 21, bei der eine das Wärmeableitelement (3) nicht kontaktierende Leiterbahn (15; 26) dazu ausgestaltet ist, auf einem Potenzial zu liegen.
Leiterplatte (14; 17; 18; 19; 24) nach einem der Ansprüche 12 bis 22, bei der eine das Wärmeableitelement (3) nicht kontaktierende Leiterbahn (15; 26) über mindestens eine elektrisch und thermisch leitende Durchkontaktierung (12) mit einem elektrischen Anschluss (22) eines elektronischen Bauelements (11) verbunden ist.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Wärmeableitelement (3) eine Wand des zugehörigen Durchgangslochs (2) kontaktiert.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach Anspruch 24, bei der das Wärmeableitelement (3) in das zugehörige Durchgangsloch (2) eingepresst ist.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Wärmeableitelement (3) eine der Höhe der Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) entsprechende Höhe aufweist.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Wärmeableitelement mit einer Kühlvorrichtung thermisch kontaktierbar ist.
Leiterplatte (1; 10; 14; 17; 18; 19; 24) nach Anspruch 27, bei der das Wärmeableitelement an einer der mindestens einen Strahlungsquelle abgewandten Fläche mit der Kühlvorrichtung thermisch kontaktierbar ist.
Leuchtvorrichtung mit mindestens einer Leiterplatte nach einer der vorhergehenden Ansprüche.