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Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit mehreren übereinander angeordneten Leiterplattenlagen (im Folgenden als Mehrlagenleiterplatte bezeichnet), wobei ein oder mehrere Bauelemente zwischen den Leiterplattenlagen angeordnet sind.
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WO 2011/072629 A1 offenbart eine Leiterplatte mit mehreren übereinander angeordneten Leiterplattenlagen. Die Leiterplattenlagen sind jeweils aus einem Basismaterial gebildet, dessen Glasübergangstemperatur größer oder gleich 170°C ist, und die Leiterplattenlagen weisen jeweils wenigstens eine auf das elektrisch isolierende Basismaterial aufgebrachte Wärmeleitschicht auf, wobei mehrere in einer z-Richtung senkrecht zu den Leiterplattenlagen verlaufende Vias vorgesehen sind, die Wärmeleitschichten verschiedener Leiterplattenlagen derart verbinden, dass die Vias und die Wärmeleitschichten der Leiterplattenlagen eine Wärmeleitbrücke vom Bauteil zur obersten Leiterplattenlage und/oder zur untersten Leiterplattenlage bilden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Mehrlagenleiterplatte anzugeben, bei welcher ein Bauelement zwischen Leiterplattenlagen angeordnet ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer Mehrlagenleiterplatte mit mehreren Leiterplattenlagen, bei welcher ein Bauelement auf einer tragenden Leiterplattenlage zwischen mindestens zwei äußeren Leiterplattenlagen angeordnet ist, ist erfindungsgemäß zwischen zumindest einer der äußeren Leiterplattenlagen und der tragenden Leiterplattenlage mindestens eine innere Leiterplattenlage angeordnet,
- – wobei zumindest eine der äußeren Leiterplattenlagen und die mindestens eine innere Leiterplattenlage jeweils wenigstens eine Wärmeleitschicht aufweisen und
- – wobei diejenigen Wärmeleitschichten mittels Wärme leitender Vias miteinander verbunden sind, deren jeweilige Gesamtfläche der Wärmeleitschichten mit entlang einer z-Richtung zunehmender Entfernung vom Bauelement hin zunehmen kann.
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Eine Mehrlagenleiterplatte umfasst mehrere, in einer z-Richtung übereinander angeordnete Leiterplattenlagen. Sie ist nach oben durch eine oberste äußere Leiterplattenlage und nach unten durch eine unterste äußere Leiterplattenlage begrenzt. Eine dazwischen angeordnete Leiterplattenlage wird als innere Leiterplattenlage bezeichnet.
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Eine vertikale, also in z-Richtung geführte Durchkontaktierung einer Leiterplattenlage wird als Vertical Interconnect Access, im Weiteren kurz als Via, bezeichnet. Vias, die als durchkontaktierte Löcher mit einem Durchmesser kleiner als etwa 150 μm ausgebildet sind, werden auch als Mikrovias bezeichnet. Vias, die primär einer Verbesserung des Wärmetransports durch eine Leiterplatte dienen, werden auch als thermische Vias bezeichnet.
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Ein Via ist vorzugsweise als hülsenartiger Hohlkörper ausgebildet und aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit von mindestens etwa 107 S/m und/oder mit hoher Wärmeleitfähigkeit von mindestens etwa 10 W/(m K) gefertigt.
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Als Blind Via wird ein Via bezeichnet, das als Sackloch mit einer Durchkontaktierung ausgebildet ist, die die oberste oder unterste Leiterplattenlage mit einer inneren Leiterplattenlage verbindet.
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Als Buried Via wird ein Via bezeichnet, das im Inneren einer Mehrlagenleiterplatte angeordnet ist und mindestens zwei innere Leiterplattenlagen verbindet.
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Ein Bauelement ist auf einer Leiterplattenlage angeordnet, die im Folgenden als tragende Leiterplattenlage bezeichnet wird. In vorteilhafter Weise ist diese tragende Leiterplattelage als innere Leiterplattenlage ausgebildet. Damit wird sowohl eine platzsparende Bauform als auch ein Schutz des Bauelements vor mechanischen und/oder chemischen Beeinflussungen bewirkt. Eine Leiterplattenlage unterhalb der tragenden Leiterplattenlage wird als untere Leiterplattenlage bezeichnet.
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Zur Ableitung der an einem Bauelement entstehenden Wärme ist eine Wärmebrücke vorgesehen, die eine Wärmeleitung von der tragenden Leiterplattenlage bis zur äußersten Leiterplattenlage bewirkt. Von der Außenfläche einer äußeren Leiterplattenlage kann die am Bauelement entstehende Wärme über eine aktive oder passive Kühlvorrichtung, beispielsweise über einen mittels Wärmeleitkleber mit dieser Außenfläche verbundenen Kühlkörper, abgeführt werden.
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Erfindungsgemäß wird eine solche Wärmebrücke hergestellt, indem auf der tragenden Leiterplattenlage im Bereich der Auflagefläche des Bauelements beispielsweise direkt kontaktierende erste Vias angeordnet sind, welche die am Bauelement entstehende Wärme in eine erste innere Leiterplattenlage transportieren. Diese erste innere Leiterplattenlage weist eine erste Wärmeleitschicht auf, die den Bereich der ersten Vias überdeckt und darüber hinausreicht.
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Von der ersten Wärmeleitschicht aus erfolgt der Transport der Wärme über weitere zweite Vias, welche in der ersten inneren Leiterplattenlage im Bereich der ersten Wärmeleitschicht und über den Bereich der ersten Vias hinaus angeordnet sind. Die zweiten Vias sind somit in einem Bereich angeordnet, der die Auflagefläche des Bauelements überdeckt und darüber hinausreicht.
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Mittels dieser zweiten Vias kann die Wärme beispielsweise zu einer zweiten Wärmeleitschicht auf einer zweiten inneren Leiterplattenlage transportiert werden, welche wiederum den Bereich der zweiten Vias überdeckt und darüber hinausreicht.
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Durch wiederholte Anordnung von Wärmeleitschichten mit zunehmender Oberfläche in weiteren inneren Leiterplattenlagen wird eine Aufspreizung des Wärmeleitpfads mit zunehmender vertikaler Entfernung entlang der z-Richtung von der tragenden Leiterplattenlage bewirkt.
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Von der Wärmeleitschicht einer äußeren Leiterplattenlage wird die Wärme über Vias auf eine Außenfläche der Mehrlagenleiterplatte transportiert. Von dort kann sie, beispielsweise über einen mittels eines Wärmeleitklebers mit einer Außenfläche verbundenen Kühlkörper, in bekannter Weise abgeführt werden.
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Somit wird erreicht, dass die am Bauelement entstehende Wärme auf die Außenfläche einer äußeren Leiterplattenlage transportiert wird und in einem Bereich abgeführt werden kann, der mindestens die Wärmeleitschicht der jeweiligen äußeren Leiterplattenlage umfasst. Ferner wird mit dieser Anordnung erreicht, dass die Fläche der Wärmeleitschicht der jeweiligen äußeren Leiterplattenlage größer als die Auflagefläche des Bauelements auf der tragenden Leiterplattenlage ist.
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Durch die Vergrößerung der Fläche, von der die Wärme an der Außenfläche der untersten Leiterplattenlage abgeführt werden kann, wird der Wärmeübergangswiderstand zwischen der äußeren Leiterplattenlage und dem Kühlkörper näherungsweise umgekehrt proportional zur Flächenvergrößerung verringert.
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Mittels der beschriebenen, kaskadenartigen Aufweitung des Wärmeleitpfades vom Bauelement zu einer Außenfläche kann die am Bauelement entstehende Wärme beispielsweise auf einen Bereich in einer Außenfläche der Mehrlagenleiterplatte geleitet werden, der beispielsweise das Vierfache der Auflagefläche des Bauelements umfasst. Somit kann der Wärmeübergangswiderstand zwischen der Mehrlagenleiterplatte und dem Kühlkörper oder einer alternativen Entwärmungsvorrichtung in diesem Beispiel auf etwa ein Viertel des Wertes reduziert werden, der ohne diese beschriebene, kaskadenartige Aufweitung des Wärmeleitpfades möglich wäre.
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Die Reduktion des Wärmeübergangswiderstands zwischen der Mehrlagenleiterplatte und dem Kühlkörper oder einer alternativen Entwärmungsvorrichtung ist insbesondere deswegen bedeutsam, weil dieser Wärmeübergangswiderstand etwa zwei Drittel des Gesamt-Wärmeübergangswiderstands zwischen dem Bauelement und dem Kühlkörper (im Folgenden: Gesamt-Wärmeübergangswiderstand) bedingt.
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In vorteilhafter Weise wird somit eine verbesserte Entwärmung des Bauelements erreicht. Beispielsweise kann die Betriebstemperatur des Bauelements gesenkt und damit dessen Lebensdauer verlängert sowie dessen Ausfallwahrscheinlichkeit verringert werden. Ferner ist es möglich, Kosten für die Herstellung und den Betrieb von aufwändigeren Kühlverfahren einzusparen, indem beispielsweise auf eine aktive Kühlung der Mehrlagenleiterplatte verzichtet werden kann.
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Außerdem ist es mittels der vorgeschlagenen Erfindung möglich, den Bereich einsetzbarer Bauelemente zu erweitern und beispielsweise Bauelemente mit einer hohen Wärmeemission einzusetzen, deren Verwendung aufgrund einer unzureichenden Entwärmung mit bisherigen Anordnungen nicht möglich war.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Wärmeleitung zwischen Wärmeleitschichten auf benachbarten Leiterplattenlagen durch Buried Vias bewirkt, welche jeweils mindestens die benachbarten Leiterplattenlagen und/oder eine äußere Leiterplattenlage verbinden. Es ist aber auch möglich, mindestens teilweise Blind Vias anzuordnen, die Wärme aus mindestens einer inneren Leiterplattenlage abführen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Vias als Mikrovias ausgebildet. Damit wird eine höhere Anzahl von Vias pro Fläche ermöglicht. Trotz des geringeren Durchmessers eines einzelnen Vias wird damit insgesamt ein höherer Eintrag an wärmeleitfähigem Material in eine Leiterplattenlage bewirkt und somit eine bessere Wärmeleitung zwischen benachbarten Leiterplattenlagen erreicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Bauelement auf der einer tragenden Leiterplattenlage zugewandten und/oder abgewandten Seite eine metallisierte Fläche auf und weist die tragende Leiterplattenlage und/oder die benachbarte obere innere Leiterplattenlage im Bereich dieser metallisierten Fläche Wärme leitende Vias in einem minimalen Abstand zueinander zur Verbindung mit einer darunter beziehungsweise darüber liegenden Wärmeleitschicht auf. Ein minimaler Abstand ist hierbei durch die bei einer geforderten mechanischen Festigkeit der Mehrlagenleiterplatte dichtest mögliche Anordnung der Vias gegeben.
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Eine möglichst dichte Anordnung von Vias, welche die Wärme von dem auf der tragenden Leiterplattenlage aufliegenden Bauelement abführen, bewirkt zusammen mit der metallischen, somit Wärme gut leitenden, Auflagefläche einen geringen Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Bauelement und einer nachfolgenden Wärmeleitschicht. Damit sinkt der Gesamt-Wärmeübergangswiderstand weiter. Dies bewirkt eine Verstärkung der oben genannten Vorteile der Erfindung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auf mindestens einer der der tragenden Leiterplattenlage benachbarten inneren Leiterplattenlage mindestens eine Wärmeleitfläche in minimalem Abstand zu dem Bauelement aufgebracht. Ein minimaler Abstand ist hierbei gegeben, wenn die Wärmeleitfläche unter Beachtung der durch die Topologie der Leitungsführung und Bauelementeanordnung gegebenen Randbedingungen eine möglichst große Überlappung mit der Auflagefläche des Bauelements aufweist.
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Bauelemente, die an der Auflagefläche nicht metallisiert sind, können mittels dieser Form der Anordnung über einen besonders geringen Wärmeübergangswiderstand mit einer Wärmeleitfläche der benachbarten unteren Leiterplattenlage verbunden werden. Ausgehend von dieser Wärmeleitfläche erfolgt die Wärmeleitung über einen kaskadenartig aufgefächerten Wärmeleitpfad, bei welchem Wärmeleitflächen zunehmender Größe in nachfolgenden Leiterplattenlagen auf die bereits beschriebene Weise angeordnet und über Vias verbunden sind.
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Darüber hinaus kann dieses Entwärmungskonzept wie folgt genutzt werden: Auf einer dünnen Folie werden Bauteile kontaktiert. Diese Folie wird in die Leiterplatte beim Herstellungsprozess des Multilayers integriert. Die Kontaktierung der Folie erfolgt über Durchgangsbohrungen. Die so kontaktierte Folie leitet das Signal zu den Bauteilen. Die erzeugte Wärme der Bauteile wird dabei analog wie oben beschrieben über eine μ Vias-Kaskade nach außen gespreizt (x-y-Richtung) und geleitet (z-Richtung). Die Vias-Kaskade, insbesondere eine thermische Vias, haben keinen Kontakt zum Bautteil. Sie sind jedoch direkt unter und/oder über diesen angeordnet.
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In vorteilhafter Weise erlaubt diese Ausführungsform der Erfindung eine optimale Entwärmung von Bauelementen, welche aus technologischen Gründen oder Kostengründen nicht mit einer metallisierten Auflagefläche versehen werden können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Wärme leitenden Vias in einer inneren Leiterplattenlage über der gesamten Fläche der darauf aufgebrachten mindestens einen Wärmeleitfläche in einem minimalem Abstand zueinander angeordnet.
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Durch eine möglichst dichte Anordnung der Vias über einer Wärmeleitfläche wird in vorteilhafter Weise ein besonders geringer Wärmeübergangswiderstand von oberhalb dieser Wärmeleitfläche angeordneten Leiterplattenlagen auf diese Wärmeleitfläche bewirkt. Durch Anwendung dieses Prinzips über mehrere Leiterplattenlagen hinweg wird ein besonders geringer Temperaturunterschied zwischen dem Bauelement und der Außenfläche der Mehrlagenleiterplatte erzielt, von welcher die Wärme beispielsweise mittels Kühlkörper abgeführt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Kühlkörper mittels eines Wärmeleitklebers mit der äußeren Fläche einer äußeren Leiterplattenlage mindestens im Bereich der jeweils aufgebrachten mindestens einen Wärmeleitschicht verbunden.
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Durch die mit der vorgeschlagenen Anordnung bewirkte Aufweitung des Wärmeleitpfades wird eine Vergrößerung der Fläche erreicht, über die Wärme von einer äußeren Leiterplattenlage abgeführt werden kann. Der Wärmeleitkleber wird hierbei mindestens in dem Bereich unter der Wärmleitschicht der jeweiligen äußeren Leiterplattenlage aufgetragen. Diese vergrößerte Fläche erlaubt in besonders vorteilhafter Weise die Übertragung der Wärme an einen Kühlkörper, der mittels eines Wärmeleitklebers mit der Außenseite der unteren Leiterplattenlage verbunden wird. Diese vergrößerte Fläche erlaubt ferner eine Klebeverbindung mit großer mechanischer Festigkeit und Dauerhaftigkeit.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Bauteil ein passives Bauteil, wobei die elektrischen Anschlüsse dieses passiven Bauteils mittels Wärme leitender Kontaktvias mit getrennten Wärmeleitflächen mindestens einer der tragenden Leiterplattenlage benachbarten inneren Leiterplattenlage verbunden sind.
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Bei passiven Bauteilen haben die Anschlussflächen der Bauteile unterschiedliches elektrisches Potenzial. Hierbei werden diese Anschlussflächen mittels Kontaktvias thermisch mit einer Wärmeleitfläche einer darüber oder darunter liegenden Leiterplattenlage verbunden. Die Ableitung der Wärme von einem passiven Bauelement erfolgt also mindestens zusätzlich über diese Anschlussflächen in analoger Weise wie die Ableitung der Wärme von einem aktiven Bauelement über die Auflagefläche dieses aktiven Bauelements.
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In vorteilhafter Weise lassen sich dadurch auch passive Bauelemente entwärmen, die nur eine geringe Auflagefläche auf der tragenden Leiterplattenlage aufweisen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Wärme leitenden Vias und/oder Kontaktvias als Mikrovias ausgebildet.
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Mikrovias sind durch eine besonders kleine Öffnung von höchstens etwa 150 μm Durchmesser gekennzeichnet, welche entweder komplett mit einem Material mit guter elektrischer und/oder Wärmeleitfähigkeit (im Folgenden: Leitmaterial) gefüllt ist oder in welcher ein hülsenartiger Belag aus einem solchen Leitmaterial aufgebracht ist. Im Verhältnis zum Durchmesser der Öffnung ist in einem Mikrovia eine größere Menge solchen Leitmaterials einbringbar als in einem Via größeren Öffnungsdurchmessers.
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Bei dichter Anordnung von Mikrovias sind selbstverständlich aufgrund des geringeren Öffnungsdurchmessers kleinere Abstände zwischen den Mikrovias erzielbar. Damit wird insgesamt auf eine gegebene Fläche einer Leiterplattenlage eine größere Menge Leitmaterials eingebracht als mit Vias größerer Öffnungsdurchmesser. Somit wird die vertikale Wärmeleitung zwischen der oberen und der unteren Seite der Leiterplattenlage im Bereich dieser Fläche verbessert. Somit verringert sich der Gesamt-Wärmeleitwiderstand in vorteilhafter Weise durch den Einsatz von Mikrovias.
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In einer weiteren Ausprägung der Erfindung sind auf mindestens eine innere Leiterplattenlage mehrere voneinander getrennte Wärmeleitflächen aufgebracht.
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In vorteilhafter Weise erlaubt eine solche Anordnung die Ausnutzung freier, nicht mit Bauelementen oder Leitungen belegter Bereiche für die Wärmeleitung von dem Bauelement zu der Außenfläche einer äußeren Leiterplattenlage, und damit eine zusätzliche Aufspreizung des Wärmeleitpfades, welche eine weitere Verringerung des Wärmeübergangswiderstands an einer Außenfläche der Mehrlagenleiterplatte bewirkt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 schematisch eine Mehrlagenleiterplatte mit einem aktiven Bauelement und einseitiger Entwärmung
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2 schematisch eine Mehrlagenleiterplatte mit einem aktiven Bauelement und beidseitiger Entwärmung und
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3 schematisch eine Mehrlagenleiterplatte mit einem passiven Bauelement und einseitiger Entwärmung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine Mehrlagenleiterplatte LP, wobei ein Bauelement 1 im Inneren zwischen einer oberen inneren Leiterplattenlage 2.1 und einer tragenden Leiterplattenlage 3 angeordnet ist, welche in einer z-Richtung z übereinander liegen. Das Bauelement 1 liegt hierbei auf einer tragenden Leiterplattenlage 3 auf. Unterhalb der tragenden Leiterplattenlage 3 sind untere innere Leiterplattenlagen 4, 4.1, 4.2 sowie die unterste äußere Leiterplattenlage 4.u angeordnet. Oberhalb der inneren Leiterplattenlage 2.1 ist die oberste äußere Leiterplattenlage 2.o angeordnet.
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Auf den unteren inneren Leiterplattenlagen 4, 4.1, 4.2 sind Wärmeleitschichten 6, 6.1, 6.2 aufgebracht, welche über Wärme leitende Vias 5 miteinander verbunden sind.
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Eine Wärmeleitschicht 6, 6.1, 6.2 ist aus Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit von mindestens etwa 10 W/(m K) gefertigt. Beispielsweise ist eine Wärmeleitschicht 6, 6.1, 6.2 als Kupferbeläge auf den Leiterplattenlagen 4, 4.1, 4.2, 4.u ausgebildet. Eine Wärmeleitschicht 6 dient der horizontalen, also quer zur z-Richtung z gerichteten Wärmeleitung.
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Ein Via 5 ist als Durchkontaktierung mindestens einer Leiterplattenlage ausgebildet, welche im Inneren Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit von mindestens etwa 10 W/(m K) enthält. Dieses Material kann als hülsenartiger Hohlköper entlang der zylindrischen Wandfläche der Durchkontaktierung aufgebracht sein. Es ist aber auch möglich, dass die Durchkontaktierung vollständig mit solchem Material gefüllt ist.
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Mittels des Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit bewirkt ein Via 5 somit eine vertikale, also in z-Richtung z geführte Wärmeleitung.
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Zur Abführung der am Bauelement 1 entstehenden Wärme ist der Bereich der Auflagefläche des Bauelements 1 auf der tragenden Leiterplattenlage 3 mit Vias 5.0 versehen, die in einem minimalen horizontalen Abstand angeordnet sind. Somit wird eine möglichst gute Wärmeleitung von der Auflagefläche des Bauelements 1 zu einer Wärmeleitschicht 6, 6.1, 6.2 einer darunter gelegenen unteren inneren Leiterplattenlage 4.1 erreicht.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Fläche des Bauelements 1, die der tragenden Leiterplattenlage 3 und den darin angebrachten Vias 5.0 zugewandt ist, metallisiert. In vorteilhafter Weise wird damit eine hohe Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Bauelement 1 und einer auf der darunter liegenden unteren Leiterplattenlage 4.1 aufgebrachten Wärmeleitschicht 6.1 bewirkt.
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Wärmeleitschichten 6 und Vias 5 sind auf der tragenden Leiterplattenlage 3 und auf den unteren inneren Leiterplattenlagen 4, 4.1, 4.2 so angeordnet, dass eine thermische Verbindung oder ein Wärmleitpfad von der Auflagefläche des Bauelements 1 auf der tragenden Leiterplattenlage 3 bis zur Außenfläche der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u ausgebildet wird. Dabei erstrecken sich Vias 5 von der tragenden Leiterplattenlage 3 und/oder einer unteren inneren Leiterplattenlage 4, 4.1, 4.2 auf eine Wärmeleitschicht 6 einer darunter gelegenen unteren inneren Leiterplattenlage 4, 4.1, 4.2 oder der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u.
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Erfindungsgemäß sind die Vias 5 und die Wärmeleitschichten 6 so angeordnet, dass der Wärmeleitpfad in z-Richtung z zunehmend aufgeweitet wird. Mit anderen Worten: in jeder unteren inneren Leiterplattenlage 4, 4.1, 4.2 sowie in der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u ist der Flächeninhalt der aufgebrachten Wärmeleitschicht 6 größer als der Flächeninhalt der aufgebrachten Wärmeleitschicht 6 einer darüber gelegenen unteren inneren Leiterplattenlage 4 und größer als die Auflagefläche des Bauelements 1 auf der tragenden Leiterplattenlage 3.
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Beispielsweise ist die Fläche der Wärmeleitschicht 6.1 in der unteren inneren Leiterplattenlage 4.1 größer als die Auflagefläche des Bauelements 1 auf der tragenden Leiterplattenlage 3. Die Fläche der Wärmeleitschicht 6.2 in der benachbarten unteren inneren Leiterplattenlage 4.2 ist wiederum größer als die Fläche der Wärmeleitschicht 6.1.
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In analoger Weise setzt sich die Vergrößerung der Fläche der Wärmeleitschicht 6 bis 6.2 mit jeder in z-Richtung z nachfolgenden unteren inneren Leiterplattenlage 4, 4.1, 4.2, 4.u pyramidenförmig fort.
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Entsprechend der Fläche der Wärmeleitschicht 6 bis 6.2 zur horizontalen Wärmeleitung nimmt auch die Zahl der Vias 5 zur vertikalen Wärmeleitung für untere innere Leiterplattenlagen 4, 4.1, 4.2 sowie für die unterste äußere Leiterplattenlage 4.u mit zunehmendem vertikalem Abstand vom Bauelement 1 zu. Mit anderen Worten: die Anzahl der eine untere innere Leiterplattenlage 4, 4.1, 4.2 und die unterste äußere Leiterplattenlage 4.u durchstoßenden Vias 5 nimmt in z-Richtung z zu.
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Beispielsweise ist die Anzahl der Vias 5.0 in der tragenden Leiterplattenlage 3 geringer als die Anzahl der Vias 5.1 in der in z-Richtung z darunter liegenden unteren inneren Leiterplattenlage 4.1. In der darauf folgenden unteren inneren Leiterplattenlage 4.2 befindet sich wiederum eine höhere Anzahl von Vias 5.2. Somit nimmt die vertikale Wärmeleitfähigkeit der unteren inneren Leiterplattenlagen 4, 4.1, 4.2 und der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u in z-Richtung z zu.
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Die unterste äußere Leiterplattenlage 4.u ist stoffschlüssig mittels eines Wärmeleitklebers 7 mit einem Kühlkörper 8 verbunden. Mit der vorgeschlagenen Anordnung wird die vom Bauelement 1 abgeführte Wärme auf eine Fläche auf der Außenseite der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u verteilt, die größer als die Auflagefläche des Bauelements 1 auf der tragenden Leiterplattenlage 3 ist. In vorteilhafter Weise sinkt damit der Wärmeübergangswiderstand zwischen der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u und dem Kühlkörper 8, da dieser Wärmeübergangswiderstand näherungsweise umgekehrt proportional zur Fläche ist, durch welche die Wärmeleitung erfolgt. Entsprechend dem verringerten Wärmeübergangswiderstand verringert sich die Temperatur des Bauelements 1 sowie aller an der Wärmeleitung beteiligten Komponenten.
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Anstelle eines Kühlkörpers 8 können in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch andere Entwärmungsvorrichtungen verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, die an der Außenfläche der untersten Leiterplattenlage 4.u anfallende Wärme mittels eines Wärmerohrs, auch als Heatpipe bezeichnet, abzuführen. Ferner ist der Einsatz von aktiven Entwärmungsvorrichtungen, beispielsweise von Peltier-Elementen, möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Außenfläche der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u passiv gekühlt. Auch in diesem Fall ist die mit der erfindungsgemäßen Aufweitung des Wärmeleitpfades erzielte Flächenvergrößerung vorteilhaft, da die bei einer gegebenen Oberflächentemperatur der Außenfläche an das Umgebungsmedium, beispielsweise Luft, abgebbare Wärme direkt proportional zur Fläche ist, durch welche die Wärmeleitung erfolgt.
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2 zeigt schematisch eine Mehrlagenleiterplatte LP, bei der ein aktives Bauelement 1 im Inneren zwischen Leiterplattenlagen 2.1, 3 angeordnet ist. Hierbei erfolgt die Entwärmung sowohl in Richtung der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u als auch in Richtung der obersten äußeren Leiterplattenlage 2.o.
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Die Wärmeleitung in Richtung der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u erfolgt hierbei gemäß der bereits in 1 dargestellten Aufspreizung entlang der mit zunehmendem Abstand vom Bauelement 1 entlang der z-Richtung z vergrößerten Fläche der Wärmeleitschichten 6, 6.1, 6.2 sowie der korrespondierenden zunehmenden Anzahl von Vias 5, 5.0, 5.1, 5.2.
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Analog erfolgt eine Aufspreizung weiterer Wärmeleitpfade in Richtung der obersten äußeren Leiterplattenlage 2.o durch Flächenzunahme der Wärmeleitschichten von in z-Richtung z übereinander liegenden oberen inneren Leiterplattenlagen 2, 2.1, 2.2.
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In vorteilhafter Weise wird damit bewirkt, dass die Wärme von der Mehrlagenleiterplatte LP über einen weiteren zusätzlichen Kühlkörper 8 abgeführt wird, welcher mittels eines Wärmeleitklebers 7 auf der Außenfläche der obersten äußeren Leiterplattenlage 2.o befestigt ist. Durch die Aufspreizung des zur obersten äußeren Leiterplattenlage 2.o gerichteten Wärmeleitpfads wird der Wärmeübergangswiderstand zwischen der Außenfläche dieser Leiterplattenlage und dem Kühlkörper analog zur bereits beschriebenen Weise reduziert.
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Damit wird insgesamt eine verbesserte Entwärmung der Mehrlagenleiterplatte LP bewirkt.
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3 zeigt schematisch eine Mehrlagenleiterplatte LP, wobei ein passives Bauelement 1P im Inneren zwischen Leiterplattenlagen 2.1, 3 angeordnet ist. Bei einem passiven Bauelement 1P haben die Kontaktflächen 10.1, 10.2 unterschiedliches elektrisches Potenzial und werden voneinander getrennt entwärmt.
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Hierzu werden die Kontaktflächen 10.1, 10.2 zur Auflagefläche eines Bauelements 1 mittels Kontaktvias 9 mit Wärmeleitflächen zu einem Wärmeleitpfad verbunden, der jeweils von einer Kontaktfläche 10.1, 10.2 zu einem Bereich auf der Außenfläche der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u reicht. Dabei sind die Wärmeleitpfade für verschiedene Kontaktflächen 10.1, 10.2 elektrisch voneinander isoliert.
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Jeder Wärmeleitpfad wird, ausgehend von einer Kontaktfläche 10.1, 10.2, in analoger Weise aufgeweitet wie ein Wärmeleitpfad von der Auflagefläche eines Bauelements 1. Hierbei werden zunächst im Bereich der Kontaktflächen 10.1, 10.2 Vias 5 in kleinstmöglichem Abstand zueinander angeordnet, welche eine thermische Verbindung der Kontaktflächen 10.1, 10.2 zu jeweils darunter liegenden Wärmeleitschichten 6 bewirken. Wärmeleitschichten 6 einer unteren inneren Leiterplattenlage 4, 4.1, 4.2 sowie der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u, die mit jeweils unterschiedlichen Kontaktflächen 10.1, 10.2 verbunden sind, sind elektrisch voneinander isoliert.
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Beispielsweise sind die getrennten Wärmeleitschichten 6.1.1 und 6.1.2 in der unteren inneren Leiterplattenlage 4.1, welche jeweils mit der Kontaktfläche 10.1 beziehungsweise 10.2 thermisch verbunden sind, voneinander elektrisch isoliert.
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Mittels der in 2 dargestellten Anordnung wird eine Aufweitung von elektrisch voneinander getrennten Wärmepfaden erreicht, welche auf die unterste äußere Leiterplattenlage 4.u gerichtet sind. Somit wird eine Wärmeabgabe auf einer Fläche der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u erreicht, die größer als die Gesamtheit der Kontaktflächen 10.1, 10.2 ist.
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Mit der Außenseite der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u ist ein Kühlkörper 8 mittels Wärmeleitkleber 7 mindestens im Bereich der Wärmeleitschichten 6 auf der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u verbunden. Da der Wärmeübergangswiderstand zwischen der untersten äußeren Leiterplattenlage 4.u und dem Kühlkörper 8 näherungsweise umgekehrt proportional zur Fläche ist, durch welche die Wärmeleitung erfolgt, wird somit der Gesamt-Wärmeübergangswiderstand zwischen dem passiven Bauelement 1P und dem Kühlkörper 8 verringert.
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Somit können mittels dieser Ausführungsform auch passive Bauelemente 1P in verbesserter Weise entwärmt werden. Somit sinkt die Betriebstemperatur eines passiven Bauelements 1P, wobei die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des passiven Bauelements 1P und der Mehrlagenleiterplatte LP insgesamt verbessert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Aufweitung von Wärmeleitpfaden ausgehend von Kontaktflächen 10.1, 10.2 auch ohne Verwendung eines Kühlkörpers 8 zur verbesserten direkten Wärmeabgabe an die Umgebung der Mehrlagenleiterplatte LP genutzt werden, wobei dennoch eine ausreichende Entwärmung von passiven Bauelementen 1P erreicht wird. Somit wird eine vereinfachte Konstruktion, eine Platz sparende Bauweise und eine Kostenreduktion ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauelement
- 1P
- passives Bauelement
- 2, 2.1, 21
- obere innere Leiterplattenlage
- 2.o
- oberste äußere Leiterplattenlage
- 3
- tragende Leiterplattenlage
- 4, 4.1, 4.2
- untere innere Leiterplattenlage
- 4.u
- unterste äußere Leiterplattenlage
- 5, 5.0, 5.1, 5.2
- Via
- 6, 6.1, 6.2
- Wärmeleitschicht
- 6.1.1, 6.1.2
- getrennte Wärmeleitschicht
- 7
- Wärmeleitkleber
- 8
- Kühlkörper
- 9
- Kontaktvia
- 10.1, 10.2
- Kontaktfläche
- z
- z-Richtung
- LP
- Mehrlagenleiterplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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