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Die
Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einem Lichtleiterelement
und ein Verfahren zum Herstellen der Leiterplatte.
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Hochwertige
Kommunikationsgeräte,
insbesondere tragbare wie etwa Mobiltelefone oder tragbare Computer,
sind heute bereits in hohem Maße miniaturisiert.
So wird beispielsweise bei der Tastatur von Mobiltelefonen, um den
Hub gering zu halten, eine Plastikmatte verwendet, welche gleichzeitig
als Lichtleiter dient. So wird eine Tastatur mit geringer Höhe, welche
zugleich beleuchtbar ist, realisiert.
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Um
ihre Handhabbarkeit, insbesondere wenn der Benutzer unterwegs ist,
weiter zu verbessern, werden Kommunikationsgeräte ständig weiter verkleinert.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, Kommunikationsgeräte unter
Beibehaltung der vorhandenen Funktionalität weiter zu verkleinern.
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Diese
Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Es
ist Kern der Erfindung, dass ein Lichtleiterelement sich innerhalb
einer Leiterplatte befindet, d.h. zwischen einer ersten Leiterplattenschicht
und einer zweiten Leiterplattenschicht. Mittels des Lichtleiterelements
kann beispielsweise ein über
einer Durchtrittsöffnung,
welche das Lichtleiterelement liegendes Ein- oder Ausgabeelement
beleuchtet werden. Auf diese Art und Weise kann die Leiterplatte
mit einer Möglichkeit
zur Beleuchtung sehr flach gestaltet werden.
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Vorzugsweise
wird das Lichtleiterelement an Stellen, wo ein Ein- oder Ausgabeelement
vorgesehen ist, also beispielsweise über einer Durchtrittsöffnung oder
an den Rändern
des Lichtleiterelements eine Taste für eine Tastatur vorgesehen
ist, mit Störstellen
versehen. Dadurch kann Licht aus dem Lichtleiter ausgekoppelt werden,
welches dann beispielsweise durch eine Durchtrittsöffnung an
die Oberfläche
einer Leiterplatte gelangt, wo dann eine Ein- oder Ausgabeeinheit,
beispielsweise eine berührungssensitive
Anzeigeeinheit realisierbar ist.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden anhand ausgewählter Ausführungsbeispiele detailliert geschildert.
Es zeigt:
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1 eine
Realisierung einer Leiterplatte mit einem Lichtleiter
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In 1 ist
eine Leiterplatte LP dargestellt, in der sich ein Lichtleiter LL
befindet. Der Lichtleiter LL ist zwischen einer ersten Leiterplattenschicht
LS1 und einer zweiten Leiterplattenschicht LS2 angeordnet. Der Eintritt
von Licht in den Lichtleiter LL erfolgt über ein Koppelelement CE. Das
Licht, welches sich im Lichtleiter LL ausbreitet, ist in der 1 als
Lichtstrahl LS dargestellt. Das Licht wird an Störstellen SS gestreut und tritt
durch eine Durchtrittsöffnung
DO aus dem Lichtleiter LL aus. aber die Durchtrittsöffnung DO
kann das Licht zu einer Ein- oder Ausgabeeinheit T geleitet werden.
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Die
erste Leiterplattenschicht LS1 oder/und die zweiter Leiterplattenschicht
LS2 sind vorzugsweise als Trägerschicht,
welche der Leiterplatte LP Stabilität verleiht, ausgebildet. Eine
Trägerschicht
besteht beispielsweise aus einer Glasfaserverbindung, wie etwa FR4
(FR: Fibre Resist) oder auch keramischen Stoffen. Eine typische
Dicke der Trägerschicht beträgt etwa
470 Mikrometer. Eine Anordnung des Lichtleiters LL zwischen zumindest
einer Trägerschicht
stellt einen ausreichenden Schutz des Lichtleiters LL gegenüber Verformungen
beispielsweise im Rahmen der Verarbeitung der Leiterplatte, sicher.
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Alternativ
können
die erste Leiterplattenschicht LS1 oder die zweite Leiterplattenschicht
LS2 auch als Aufbauschicht ausgebildet sein. Eine Leiterplattenaufbauschicht
besteht beispielsweise aus einer flexiblen Folie, insbesondere auch
sogenannten "Resin
Coded Copper"-Folien
(RCC), eine mit Harz beschichtete Kupferfolie. Eine Möglichkeit
zur Anordnung des Lichtleiters zwischen beliebigen Schichten gewährleistet
eine ausreichende Freiheit bei der Konstruktion und/oder Bearbeitung
der Leiterplatte.
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Weiterhin
sind auch Leiterplatten LP vorgesehen, welche aus mehr als zwei
Leiterplattenschichten aufgebaut sind. Dabei kann sich dann Lichtleiter LL
beispielsweise zwischen einer als Trägerschicht ausgebildeten ersten
Leiterplattenschicht und einer als Aufbauschicht ausgebildeten zweiten
Leiterplattenschicht LS2 befinden. Weiterhin sind Realisierungen
vorgesehen, bei denen mehr als ein Lichtleiter LL in die Leiterplatte
eingebaut ist. Beispielsweise kann ein Aufbau Leiterplattenschicht,
Lichtleiter, Leiterplattenschicht, Lichtleiter, Leiterplattenschicht
vorgesehen sein. Der jeweilige Aufbau kann bezüglich der Anordnung des Lichtleiters
LL in der Leiterplatte LP sowohl asymmetrisch als auch symmetrisch
erfolgen. Ein symmetrischer Aufbau der Leiterplatte LP hat den Vorteil,
das Auftreten von thermischen Verspannungen, wie sie etwa durch
Lötprozess
auftreten, zu vermeiden.
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Insbesondere
können
Lichtleiter LL in mehreren Schichten vorgesehen sein, so dass beispielsweise
auf beiden Seiten der Leiterplatte eine beleuchtbare Tastatur realisierbar
ist, indem entsprechende Durchtrittsöffnungen DO nach beiden Seiten vorgesehen
sind Der Lichtleiter LL kann als Faser oder als flächige Lage
ausgebildet sein. Eine Realisierung mit Fasern hat den Vorteil,
dass das Licht in Bereichen konzentriert ist, in denen Licht benötigt oder
gewünscht
wird. Eine Realisierung als flächige Lage
hat den Vorteil, dass Licht zu sämtlichen
Bereichen der Leiterplatte LP geleitet werden kann mit nur einem
einzigen Einkoppelelement CE. Weiterhin ist es verfahrenstechnisch
einfach, einen flächigen Lichtleiter
zwischen zwei Leiterplattenschichten zu laminieren bzw. zu verkleben.
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Als
Material für
den Lichtleiter LL sind Glasverbindungen oder Polymere vorgesehen.
Die Auswahl des Materials hängt
von der gewünschten
Güte der
Lichtleitung, der den Lichtleiter umgebenden Materialien in Bezug
auf die Verarbeitbarkeit ab, sowie von den für das Einkoppeln in den Lichtleiter
und das Auskoppeln aus dem Lichtleiter verwendeten Elemente, da
hier kein nennenswerter Brechzahlunterschied auftreten sollte, welcher
aufgrund von dann auftretenden Reflexionen die Transmission herabsetzt.
Als besonders geeignetes Material für den Lichtleiter LL hat sich
Borosilikatglas erwiesen.
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Die
Einkopplung von Licht in den Lichtleiter LL erfolgt über ein
Einkoppelelement CE. Das Einkoppelelement CE kann beispielsweise
als Leuchtdiode ausgebildet sein. Der Vorteil bei einer Leuchtdiode
liegt darin, dass bei dieser Art der Lichteinkopplung kein nennenswerter
Brechzahlunterschied zwischen Leuchtdiode und dem Lichtleiter auftritt,
welcher zu einer Herabsetzung der Transmission führen würde.
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Weiterhin
kann die Einkopplung auch vom Rand R der Leiterplatte LP erfolgen,
wenn sich der Lichtleiter bis zu den Rändern R erstreckt. Dies hat den
Vorteil, dass keine separate Lichteinkopplung erforderlich ist.
Alternativ kann eine Lichteinkopplung auch durch die Durchtrittsöffnungen
DO erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass beim Einbau der Leiterplatte
LP in ein elektrisches Gerät
so die Lichteinkopplung ohne konstruktionstechnischen Aufwand erfolgen
kann, wenn beispielsweise Ein- oder Ausgabeelemente T über den
Durchtrittsöffnungen
DO angeordnet sind.
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Die
Durchtrittsöffnungen
DO sind mit einem Material ausgekleidet, dessen Brechungsindex ähnlich dem
des Lichtleiters LL ist, um eine zufriedenstellende Transmission
zu ermöglichen.
Um die Transmission weiter zu erhöhen, ist die Grenzfläche G zwischen
dem Material, mit dem die Durchtrittsöffnung DO ausgekleidet ist,
und dem Lichtleiter LL aufgeraut. Das Aufrauen erfolgt durch Sandstrahlen
oder An-Ätzen
der Oberfläche
des Lichtleiters LL.
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Die
Durchtrittsöffnung
DO bzw. die Durchtrittsöffnungen
sind an Stellen angebracht, wo ein Lichtaustritt, beispielsweise
zur Beleuchtung eines Ein- oder Ausgabeelements, erwünscht ist.
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Um überhaupt
den Lichtaustritt aus dem Lichtleiter LL effizient zu ermöglichen,
werden an Stellen, wo ein Lichtaustritt aus dem Lichtleiter gewünscht ist,
Störstellen
eingebaut, welche das Licht unregelmäßig reflektieren. Dadurch trifft
ein Lichtstrahl LS teilweise nicht mehr unter einem Winkel an die
Grenzfläche
G, unter dem eine Totalreflexion erfolgen würde, sondern unter einem zum
Einfallslot EL hin spitzeren Winkel.
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Die
Störstellen
SS werden vorzugsweise durch Kugeln gebildet, welche durch einen Ätzvorgang,
eine Dotierung oder eine Bestrahlung des Lichtleiters LL mit einem
Laser erzeugt werden. Die Erzeugung der Kugeln mittels eines Lasers
hat den Vorteil, dass die Störstellen – bedingt
durch die jeweilige Eindringtiefe des Lasers – gezielt an einer Position
im Lichtleiter erstellt werden können.
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Weiterhin
kann die Bestrahlung so gezielt erfolgen, dass die Störstellen
SS so angeordnet sind, dass bei einem Blick auf das Ein- oder Ausgabeelement
T sich eine bestimmte geometrische Form, beispielsweise eine Ziffer
oder ein Buchstabe ergibt. Damit kann ein Ein- oder Ausgabeelement
realisiert werden, bei dem z.B. das Zeichen nicht mittels Siebdruck
aufge bracht ist. Bei einer Draufsicht auf das Ein- oder Ausgabeelement
bzw. die Durchtrittsöffnung
ergibt sich damit ein "beleuchtetes" Zeichen.
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Sofern
direkt neben der Durchtrittsöffnung DO
eine berührungsempfindliche
Fläche
angeordnet ist, kann auf diese Art eine Tastatur realisiert werden. Eine
Alternative zur berührungsempfindlichen
Fläche oder
Schicht als Interaktionselement wäre ein Näherungssensor, welcher die
Annäherung
z.B. eines Fingers oder eines Bedienelements wie einem Stift über kapazitive
Mittel oder Infrarotsensoren erfasst. Sofern dieses Interaktionselement
transparent ausgeführt
wird, ist auch eine Anordnung direkt auf der Durchtrittsöffnung möglich.
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Ein
weiterer Vorteil der Verwendung eines Lasers zur Erzeugung der Störstellen
liegt darin, dass die damit erzeugten Störstellen SS sehr klein sind,
wodurch hochaufgelöste
geometrische Formen darstellbar sind. Dies erlaubt die Herstellung
einer "Beschriftung" welche gegenüber einer
Abnutzung durch etwa Berühren
des Ein- oder Ausgabeelements T resistent ist.
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Eine
Steuerung der Bestrahlung zum Erstellen der geometrisch angeordneten
Störstellen
SS, über
welche sich ein Zeichen realisieren lässt, wird über eine Positionsänderung
des Laserstrahls erzielt.
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Die
Ein- oder Ausgabeelemente T werden vorzugsweise auf das Material
aufgeklebt, mit welchem die Durchtrittsöffnung DO ausgekleidet ist.
Das für
das Ein- oder Ausgabeelement T verwendete Material weist vorzugsweise
ebenfalls einen ähnlichen Brechungsindex
auf, um eine gute Transmission des Lichts zu gewährleisten.
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Das
Ein- oder Ausgabeelement T besteht aus einem Material mit ähnlichem
Brechungsindex wie das Material, mit dem die Durchtrittsöffnung DO ausgekleidet
ist und ist beispielsweise auf dieses Material aufgeklebt. Die Eingabe
von Daten selbst kann beispielsweise durch eine darüber liegende,
berührungssensitive
Fläche
oder auch durch weitere Infrarotsensoren realisiert werden.
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- LP
- Leiterplatte
- T
- Ein-
oder Ausgabeelement
- EL
- Einfallslot
- G
- Grenzfläche zwischen
dem Material der Durchtrittsöffnung
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- und
dem Lichtleiter
- LS2
- zweite
Leiterplattenschicht
- LS1
- erste
Leiterplattenschicht
- LL
- Lichtleiter
- DO
- Durchtrittsöffnung
- SS
- Störstelle
- LS
- Lichtstrahl
- R
- Rand
- CE
- Koppelelement