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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einem Metallkern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Derartige Leiterplatten weisen einen Metallkern und eine wenigstens auf einer Oberseite des Metallkerns angeordnete als Schutzschicht dienende Eloxalschicht auf.
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Das Eloxieren von Metallen, insbesondere von Aluminium ist aus dem Stand der Technik bekannt. Im Gegensatz zu galvanischen Überzugsverfahren muss beim Eloxieren die entstehende Schutzschicht nicht auf dem Werkstück abgeschieden werden, sondern entsteht durch Umwandlung des Metalls in ein Oxyd bzw. Hydroxid. Eloxalschichten werden im Stand der Technik insbesondere als Korrosionsschutzschichten verwendet.
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Ein Eloxalverfahren (Elektrolytische Oxidation von Aluminum) ist ein in der Regel in einem Säurebad stattfindendes elektrolytisches Verfahren, bei dem eine Aluminiumschicht zu Aluminiumoxid oxidiert wird. Das Aluminium wird dabei als Anode geschaltet, weshalb das Verfahren auch als Anodisieren bekannt ist.
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Im Vergleich zu dem oben erwähnten galvanischen Verfahren weist das Eloxalverfahren den Vorteil auf, dass die entstehende Aluminiumoxidschicht durch Oxidation der Metallgrenzfläche entsteht und dabei über chemische Bindungen „in das Metall hineinwächst”, was eine hohe Haftfestigkeit zwischen Eloxalschicht und Metall zur Folge hat.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Eloxalschichten als Zwischenschicht zwischen einem Metallkern einer Leiterplatte und einer auf der Eloxalschicht angeordneten Isolierschicht, auf der dann eine Leiterbahn sitzt, zu verwenden. Solche Leiterplatten werden jedoch als nachteilig empfunden, da diese eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Leiterplatte mit einem Metallkern und einer wenigstens auf einer Oberseite des Metallkerns angeordneten Eloxalschicht derart weiterzubilden, dass eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Leiterplatte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Leiterplatte weist einen Metallkern und eine wenigstens auf einen Teil einer Oberseite des Metallkerns angeordnete Eloxalschicht auf, wobei eine oder mehrere Leiterbahnen unmittelbar auf der Eloxalschicht angeordnet ist.
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Durch eine Anordnung der Leiterbahn unmittelbar auf der Eloxalschicht wird ein unmittelbarer Wärmeabtransport aus dem Bereich der Leiterbahn in den Metallkern erreicht, wobei zusätzliche Wärmebarrieren, insbesondere durch zusätzliche Isolationsschichten vermieden werden. Ein Layout der Leiterbahnen auf der Eloxalschicht kann beispielsweise mittels photolitographischer Verfahren, Siebdruckverfahren, einem Tintenstrahldrucker oder ähnlichem aufgebracht werden. Es ist auch möglich, die gewünschten Leiterbahnen mittels einer leitfähigen Paste, einer sog. Leitpaste, z. B. einer Silberleitpaste, aufzutragen. Die so aufgebrachte Eloxalschicht wirkt als elektrischer Isolator zwischen dem Metallkern und der aufgebrachten Leiterbahn.
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Als weitere Möglichkeit kann eine Kupferschicht auf die Eloxalschicht aufgebracht werden, dies kann beispielsweise durch Aufdampfen, Abscheiden oder anderweitiges Aufbringen (z. B. mittels Folie) und anschließendes Strukturieren erfolgen.
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Durch eine Ausbildung der Eloxalschicht mit einer Schichtdicke zwischen etwa 8 μm und etwa 100 μm kann eine Spannungsfestigkeit zwischen der Leiterbahn und dem Metallkern von bis zu 3000 Volt erreicht werden. Auf diese Weise ist es möglich, auch Leiterplatten für Hochspannungsanwendungen in der erfindungsgemäßen Art bereitzustellen.
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Wenn eine erhöhte Durchschlagsfestigkeit der gesamten Leiterplatte erreicht werden soll, ist es sinnvoll, wenn auf einer Unterseite des Metallkerns, also der Metallplatte, eine zweite Eloxalschicht angeordnet ist. Wenn die zweite Eloxalschicht beispielsweise ebenfalls mit einer Schichtdicke zwischen etwa 8 μm und etwa von 100 μm ausgebildet ist, kann auf diese Weise eine Durchschlagsfestigkeit der gesamten Leiterplatte verdoppelt und von bis zu 6000 Volt erreicht werden.
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Zur Bereitstellung eines Ecken- bzw. Kantenschutzes für die Leiterplatte kann auf einer oder mehreren Seitenflächen, bevorzugt aber auf allen Seitenflächen des Metallkerns ebenfalls eine Eloxalschicht vorgesehen sein. Durch die hohe Korrosionsbeständigkeit der Eloxalschicht werden auf diese Weise die Seitenflächen des Metallkerns effektiv geschützt.
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Um eine Beschädigung der Eloxalschicht einfach erkennen zu können ist es sinnvoll, wenn diese wenigstens oberflächlich eingefärbt ist. Wenn es beispielsweise auf die Durchschlagfestigkeit der gesamten Leiterplatte ankommt, so kann es sinnvoll sein, die zweite Eloxalschicht einzufärben, so dass eine Beschädigung der Unterseite, d. h. der der Leiterbahn gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte einfach zu erkennen ist.
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Um eine bessere Haftfestigkeit für Schaltungselemente und Leiterbahnen auf der Eloxalschicht zu erreichen, kann diese aufgerauht, bevorzugt gebürstet, ausgeführt sein. Eine solche Oberflächenbehandlung ist insbesondere für die auf der Oberseite angeordnete Eloxalschicht, auf der die Leiterbahn sitzt, sinnvoll. Die Oberflächenaufrauung der Eloxalschicht sorgt nämlich für eine bessere Haftung der anschließend unmittelbar auf die Eloxalschicht aufzubringenden Leiterbahn bzw. Kontaktbahn, welche auch als Kontaktpunkte bzw. Kontaktinseln ausgeführt sein können.
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Eine Eloxalschicht kann besonders einfach erzeugt werden, wenn der Metallkern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Es ist aber auch ein Schichtaufbau möglich, bei dem ein Kern aus einem anderen Metall als Aluminium verwendet wird, auf den eine Aluminiumschicht aufgebracht und anschließend eloxiert wird. Aluminium zeichnet sich aber durch sein geringes spezifisches Gewicht, seine gute Wärmeleitfähigkeit und sein vergleichsweise günstigen Preis aus, so dass bevorzugt Aluminium oder Aluminiumlegierungen als Metallkern bzw. Metallplatte zum Einsatz kommen.
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Sollten zusätzliche Leiterbahnen verwendet werden, für die entweder eine geringere Wärmeleitfähigkeit oder eine höhere Spannungsfestigkeit zu der Leiterplatte notwendig ist, so können diese ohne Weiteres durch eine zusätzliche Isolierschicht von der Eloxalschicht beabstandet sein, während in anderen Bereichen der Metallkernplatte Leiterbahnen oder Kontaktinseln unmittelbar, wie zuvor beschrieben, auf der Eloxalschicht aufsitzen. Es können auf diese Weise die Vorteile einer direkt auf der Eloxalschicht angeordneten Leiterbahn, insbesondere die erhöhte Wärmeleitfähigkeit, genutzt werden und gleichzeitig zusätzliche Leiterbahnen mit erhöhter Durchschlagfestigkeit vorgesehen sein.
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Für ein besseres Anhaften der zusätzlichen Leiterbahnen kann die Isolierschicht als Haftvermittler, bevorzugt als Harz ausgebildet sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leiterplatte und
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2 ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäßen Leiterplatte.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Leiterplatte 1 mit einem Metallkern 10 und einer auf der Oberseite des Metallkerns 10 angeordneten Eloxalschicht 11. Unmittelbar auf der Eloxalschicht 11 ist eine Leiterbahn 20 oder Kontaktbahn bzw. Kontaktinsel angeordnet, die auf diese Weise von dem Metallkern 10 der Leiterplatte 1 isoliert ist. Die Eloxalschicht 11 kann grundsätzlich eine Schichtdicke d zwischen 8 μm und 100 μm aufweisen. Im vorliegenden Beispiel ist eine Eloxalschicht 11 mit einer Dicke von beispielsweise 50 μm gezeigt. Ein μm des als Eloxalschicht 11 auf dem Metallkern 10 aufgewachsenen Aluminiumoxids weist typischerweise eine Durchschlagsfestigkeit von 20 bis 30 Volt auf, so dass je nach Ausbildung der Eloxalschicht mit 50 μm eine Durchschlagsfestigkeit von maximal 1500 Volt zwischen der Leiterbahn 20 und dem Metallkern 10 erreicht werden kann.
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Die Leiterplatte 1, wie sie in 1 dargestellt ist, weist außerdem eine zweite Eloxalschicht 12 an der Unterseite des Metallkerns 10 auf. Diese an der der Leiterbahn gegenüberliegenden Seite des Metallkerns 10 ausgebildete zweite Eloxalschicht 12 dient zur Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit der Leiterplatte 1, so dass durch eine Kombination der auf der Ober- und der Unterseite angeordneten Eloxalschichten 11,12 eine Durchschlagsfestigkeit von insgesamt etwa 3000 Volt erreicht werden kann.
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Um Beschädigungen der zweiten Eloxalschicht 12, die beispielsweise als Auflagefläche für die Leiterplatte 1 ausgebildet ist, einfacher zu erkennen, ist die zweite Eloxalschicht 12 eingefärbt, z. B. blau oder rot. Durch eine Einfärbung der zweiten Eloxalschicht 12 werden beispielsweise Kratzer, die eine potenzielle Schwachstelle der durch die Eloxalschichten 11, 12 gebildeten Isolierung darstellen, auf einfache Weise optisch erkennbar, so dass eine einfache Identifizierung von Ausschussware bzw. beschädigten Leiterplatten 1 möglich ist.
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Zusätzlich zu einer Funktion als Fehlerindikator kann die Einfärbung der Eloxalsschichten 11, 12, 13 natürlich, zu gestalterischen Zwecken verwendet werden.
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Um zusätzlich einen Kanten- bzw. Eckenschutz der Leiterplatte 1 zu realisieren, sind weitere Eloxalschichten 13 an den Seitenflächen des Metallkerns 10 vorgesehen.
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Bei einer vollständigen Eloxierung des Metallkerns 10, d. h. wenn sämtliche Oberflächen des Metallkerns 10 eloxiert werden, ist dies besonders einfach durch einen Eloxiervorgang in einem Tauchbad realisierbar.
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Im vorliegenden Beispiel besteht der Metallkern 10 aus Aluminium, kann aber ebenso aus einer Aluminiumlegierung aufgebaut sein. Als weitere Möglichkeit kann der Metallkern 10 aus einem anderen Metall bestehen, auf das eine Aluminiumschicht beispielsweise durch Aufdampfen, Einlegieren oder andere Methoden aufgebracht und anschließend eloxiert ist. Es ist auch möglich, eine Mehrschichtplatte aus unterschiedlichen Metallen vorzusehen, bei der nur die oberste und/oder unterste Metallschicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leiterplatte 1.
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Die Leiterplatte 1 in 2 ist im Wesentlichen entsprechend der in 1 dargestellten Leiterplatte aufgebaut, wobei zusätzlich zu der Leiterbahn 20 oder Kontaktinsel weitere Leiterbahnen 21 vorgesehen sind, die durch eine Isolierschicht 23 von der Eloxalschicht 11 beabstandet und damit zusätzlich isoliert sind. Die Isolierschicht 23 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als haftvermittelndes Harz ausgebildet, so dass zusätzlich zu der isolierenden Eigenschaft eine bessere Anhaftung der weiteren Leiterbahnen 21 erreicht wird.
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Die unmittelbar auf der Eloxalschicht 11 angeordnete Leiterbahn 20 ist in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als sogenannte Kontaktinsel mit einer schematisch dargestellten Anschlussleitung 24 ausgebildet und weist im Vergleich zu den weiteren Leiterbahnen 21 eine verbesserte Wärmeableitung durch die unmittelbare Anordnung auf der Eloxalschicht 11 auf.
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Wenngleich vorliegend stets davon die Rede war, dass auf die Eloxalschicht 11 unmittelbar eine Leiterbahn 20 oder eine Kontaktinsel aufgebracht ist, liegt es auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass ein elektrisches Bauelement unmittelbar mit einer Fläche auf die erwähnte Leiterbahn oder direkt auf die Eloxalschicht 11 montiert wird. Die Fläche des Bauelements kann z. B. eine metallische Fläche oder eine nichtmetallische Fläche, wie z. B. eine Keramikfläche sein. Ein Beispiel für ein solches Bauelement ist die von der Firma Philips unter der Bezeichnung LUXEON (eingetragene Marke) Rebel ES vertriebene LED, die auf ihrem Boden auch einen dritten Anschluss für eine thermische Abfuhr aufweist. Dieses Bauelement wird mit seiner Bodenfläche und den dort befindlichen drei Anschlüssen (Katode, Anode, Heat Sink) auf entsprechende Leiterbahnen, die unmittelbar auf den Eloxalschicht aufgebracht sind, angeordnet, z. B. durch Löten oder mittels eines Leitklebers. Ein solches Bauelement kann wie erwähnt, z. B. eine LED sein mit Anoden- und Katodenanschluss sowie einem als Heat Sink bezeichneten dritten Anschluss, der zum Abtransport der im Betrieb der LED entstehenden Wärme beiträgt. Dieser dritten Anschluss kann dabei intern im Gehäuse der LED mit der Anode der LED elektrisch verbunden sein.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die in den 1 und 2 dargestellte Metallkernleiterplatte 10 mit ihrer darauf- und/oder darunterliegenden Eloxalschicht 11 bzw. 12 mit einer oder mehreren Leiterbahnen 20 versehen sein, die zumindest teilweise mit einem Edelmetall, insbesondere Gold, abgedeckt sind. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, solche Leiterbahnen mit einer Edelmetallschicht an denjenigen Stellen zu versehen, die später zur Lötung vorgesehen sind.
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Hierfür werden alle nicht für spätere Lötungen versehene Bereiche der Leiterbahnen abgedeckt, z. B. mit Lack oder Klebefolien, so dass nur diejenigen Bereiche frei liegen, die zur Lötung vorgesehen sind. Der übrige Bereich der Metallkernleiterplatte 10 ist ohnehin mit der Eloxalschicht 11, 12 bzw. 13 abgedeckt. Die so vorbereitete Leiterplatte 10 wird dann in das Edelmetallbad, z. B. das Goldbad, getaucht und dort auf den freien Leiterbahnbereich das Edelmetall abgeschieden. Als Edelmetall kann z. B. Gold oder eine Edelmetalllegierung eingesetzt werden. Die Abdeckung der Metallkernleiterplatte 10, insbesondere der Aluminiumplatte, stellt sicher, dass das Metall, z. B. das Aluminium nicht mit dem Goldbad in unmittelbare Berührung kommt und das Goldbad zerstört oder beeinträchtigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 10
- Metallkern
- 11
- erste Eloxalschicht
- 12
- zweite Eloxalschicht
- 13
- weitere Eloxalschichten
- 20
- Leiterbahn
- 23
- Isolierschicht
- 24
- Anschlussleitung
- d
- Schichtdichte
