DE102012202562A1

DE102012202562A1 - Mehrschichtige leiterplatte

Info

Publication number: DE102012202562A1
Application number: DE201210202562
Authority: DE
Inventors: Elmar Baur; Michael Höge; Axel Kaltenbacher; Thomas Preuschl
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2013-08-22
Also published as: WO2013124241A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Leiterplatte (12), eine LED-Anordnung (10) und ein Verfahren, die einen hohen Integrationsgrad mit einer verbesserten Wärmeabfuhr verbinden. Die erfindungsgemäße mehrschichtige Leiterplatte (12) umfasst mindestens eine erste und eine zweite Schicht (18), die jeweils elektrisch leitfähige Leiterbahnen und/oder Flächen umfassen und die durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (20) voneinander getrennt sind. Dabei sind die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Schicht (18) mittels mindestens eines Verbindungselements (24) elektrisch leitend verbunden. Die mehrschichtige Leiterplatte (12) umfasst mindestens eine dritte Schicht (22), die aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist und die zwischen der mindestens einen ersten und mindesten einen zweiten Schicht (18) angeordnet ist, wobei die dritte Schicht (22) durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (20) jeweils von der ersten und zweiten Schicht (18) getrennt ist. Das Verbindungselement (24) zwischen der ersten und der zweiten Schicht (18) durchdringt die dritte Schicht (22) und ist von dieser elektrisch isoliert.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer mehrschichtigen Leiterplatte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einer LED-Anordnung mit einer solchen mehrschichtigen Leiterplatte sowie einem Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden von mindestens einer ersten mit mindestens einer zweiten jeweils elektrisch leitende Leiterbahnen und/oder Flächen umfassenden Schicht einer mehrschichtigen Leiterplatte, wobei zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Schicht mindestens eine dritte Schicht angeordnet ist, die aus einem elektrisch leitfähigem Material gebildet ist und die von der mindestens eine ersten und der mindestens einen zweiten Schicht jeweils durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht getrennt ist.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zum einen Leiterplatten bekannt, die durch einen mehrschichtigen Aufbau einen hohen Integrationsgrad aufweisen. Zur Wärmeabführung können diese Leiteplatten thermische Vias (vertical interconnect access) umfassen, die senkrecht zu den Schichten der Leiterplatte verlaufen. Zum anderen sind aus dem Stand der Technik Leiterplatten bekannt, wie z.B. IMS (Insulated Metal Substrate) und DBC (Direct Copper Bonded), die einen Wärmeleitkern in Form einer dicken, hoch wärmeleitenden Schicht umfassen und so eine bessere Wärmeabführung aufweisen.
Nachteilig bei solchen Leiterplatten mit Wärmeleitkern ist, dass sie keinen hohen Integrationsgrad aufweisen, da sie nur einseitig mit elektrischen Komponenten bestückt werden können. Dies ist dadurch bedingt, dass der Wärmeleitkern in der Regel auch elektrisch leitfähig ist und somit Durchkontaktierungen um zwei oder mehrere Leiterschichten zu verbinden, wie sie aus dem Stand der Technik bei mehrschichtigen Leiterplatten bekannt sind, nicht möglich sind.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine mehrschichtige Leiterplatte, eine LED-Anordnung mit einer solchen und ein Verfahren bereitzustellen, die einen hohen Integrationsgrad mit einer verbesserten Wärmeabführung verbinden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine mehrschichtige Leiterplatte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einer LED-Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Durchkontaktierungen um zwei oder mehrere Leiterschichten zu verbinden, wie sie aus dem Stand der Technik bei mehrschichtigen Leiterplatten bekannt sind, nicht möglich sind, da der Wärmeleitkern in der Regel auch elektrisch leitfähig ist und so Kurzschlüsse entstehen würden.
Die erfindungsgemäße mehrschichtige Leiterplatte umfasst mindestens eine erste und eine zweite Schicht, die jeweils elektrisch leitfähige Leiterbahnen und/oder Flächen aufweisen und die durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht voneinander getrennt sind. Dabei sind die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Schicht mittels mindestens eines Verbindungselements elektrisch leitend verbunden. Weiterhin umfasst die mehrschichtige Leiterplatte mindestens eine dritte Schicht, die aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist und die zwischen der mindestens einen ersten und mindesten einen zweiten Schicht angeordnet ist. Die dritte Schicht ist durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht jeweils von der ersten und zweiten Schicht getrennt und das Verbindungselement zwischen der ersten und der zweiten Schicht durchringt die dritte Schicht und ist von dieser elektrisch isoliert.
Durch die Isolierung des mindestens einen Verbindungselements, insbesondere der Durchkontaktierung, ist es somit möglich in eine mehrschichtige Leiterplatte, die einen hohen Integrationsgrad aufweist, einen Wärmeleitkern zu integrieren und damit die Wärmeabführung erheblich zu verbessern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine dritte elektrisch leitfähige Schicht aus einem kohlefaserhaltigen Material, insbesondere Carbon, und/oder aus Metall gebildet. Insbesondere zeichnen sich diese Materialien durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus, wodurch ein optimaler Wärmeabtransport gewährleistet werden kann. Darüber hinaus können auch andere hoch wärmeleitende Materialien verwendet werden, wie z.B. verschiedene Keramiken.
Bevorzugt ist das mindestens eine Verbindungselement eine innenseitig mit einem elektrisch leitfähigen Material galvanisierte Bohrung in ein in eine Bohrung von der mindestens einen ersten zur mindestens einen zweiten Schicht eingebrachtes Isoliermaterial. Die Bohrung in das Isoliermaterial ist dabei bevorzugt mit Kupfer galvanisiert. Eine derartige Ausbildung des Verbindungselements stellt eine besonders einfache und kostengünstige Verbindungsmöglichkeit von Leiterschichten durch einen Wärmeleitkern hindurch dar.
Vorteilhafterweise kann mindestens eine elektrische Komponente, insbesondere ein gedruckter Widerstand und/oder ein Steuerungschip und/oder ein oberflächenmontiertes Bauelement, innerhalb der mehrschichtigen Leiterplatte angeordnet sein.
Weiterhin kann mindestens eine elektrische Komponente an einer Außenseite der mehrschichtigen Leiterplatte angeordnet sein.
Durch die Unterbringung elektrischer Komponenten auf den Innenlagen der Leiterplatte, sowie an deren Ober und/oder Unterseite wird eine überaus kompakte Anordnung der Leiterplatte ermöglicht. Des Weiteren können durch die daraus resultierenden, wesentlich geringeren Formfaktoren der Leiterplatte Kosten gespart werden.
Die erfindungsgemäße LED-Anordnung umfasst eine erfindungsgemäße mehrschichtige Leiterplatte und mindestens eine auf der Leiterplatte angeordnete LED. Gerade bei LED-Anordnungen sind Leiterplatten, insbesondere Substrate, mit hoher thermischer Leitfähigkeit notwendig um die Temperatur der LED gering zu halten und die Strahlungseffizienz zu optimieren. Durch die Verwendung einer mehrschichtigen Leiterplatte mit einem Wärmeleitkern werden so optimale Betriebsbedingungen für die LED-Anordnung geschaffen, die zudem kompakt und in kleinster Bauweise ausgestaltet sein kann. Zudem ist es möglich, alle elektrischen Komonenten inklusive Ansteuerungskompnenten, die für den Betrieb und für die Steuerung der LED-Anordnung erforderlich sind in die Leiterplatte zu integrieren, beispielsweise auf den Innenlagen der Leiterplatte und/oder auf der Ober- und/oder Unterseite der Leiterplatte.
Die mit Bezug auf eine erfindungsgemäße mehrschichtige Leiterplatte vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für eine erfindungsgemäße LED-Anordnung, die eine erfindungsgemäße mehrschichtige Leiterplatte umfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden von mindestens einer ersten mit mindestens einer zweiten jeweils elektrisch leitende Leiterbahnen und/oder Flächen umfassenden Schicht einer mehrschichtigen Leiterplatte, wobei zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Schicht mindestens eine dritte Schicht angeordnet ist, die aus einem elektrisch leitfähigem Material gebildet ist und die von der mindestens eine ersten und der mindestens einen zweiten Schicht jeweils durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht getrennt ist, umfasst folgende Schritte:

a) Erzeugen eines Hohlraums, der sich von der mindestens einen ersten bis zur mindestens einen zweiten Schicht erstreckt;
b) Ausfüllen des Hohlraums mit einem elektrisch isolierenden Material;
c) Erzeugen eines Hohlraums im elektrisch isolieren Material, der sich von der mindestens einen ersten bis zur mindestens einen zweiten Schicht erstreckt; und
d) Verbinden der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Schicht mit einem elektrisch leitfähigen Material, das in den Hohlraum eingebracht wird.

Durch dieses Verfahren ist es möglich in mehrschichtige Leiterplatten, insbesondere mit mehreren Leiterbahnen tragenden Schichten, einen Wärmeleitkern, insbesondere einen Carbonkern, zu integrieren. Somit wird eine bessere Wärmeabführung bei gleichzeitiger hoch integrierter Bauweise einer Leiterplatte ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Einbringen des elektrisch leitfähigen Materials in den Hohlraum mittels Galvanisierung der Hohlraumbegrenzungsfläche. Insbesondere werden die Hohlraumbegrenzungsflächen mit Kupfer galvanisiert.
Des Weiteren kann das Erzeugen eines Hohlraums mittels Bohrung erfolgen.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 zeigt eine LED-Anordnung mit einer mehrschichtigen Leiterplatte mit innenseitig angeordneten elektrischen Komponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
2 zeigt eine LED-Anordnung mit einer mehrschichtigen Leiterplatte mit unterseitig angeordneten elektrischen Komponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine LED-Anordnung 10 mit einer mehrschichtigen Leiterplatte 12 mit innenseitig angeordneten elektrischen Komponenten 30, 32 und oberseitig angeordneten LEDs 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Leiterplatte 12 umfasst dabei mehrere elektrisch leitende Schichten 18, insbesondere können die Schichten elektrisch leitende Leiterbahnen und/oder Flächen umfassen. Die elektrisch leitfähigen Schichten 18 besitzen zusätzlich eine wärmeleitende Funktion und sind vorzugsweise auf Kupferbasis gebildet. Insbesondere kann die oberste und unterste elektrisch leitfähige Schicht der Leiterplatte 12 auch eine Plating-Schicht sein. Des Weiteren umfasst die Leiterplatte 12 auch elektrisch isolierende Schichten 20, die zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten 18 angeordnet sind. Diese sind vorzugsweise aus Epoxiden gebildet und weisen ebenfalls eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Dabei können elektrische Komponenten 30, 32, wie beispielsweise gedruckte Widerstände 30 und/oder oberflächenmontierte Bauelemente 32, insbesondere Steuerungschips, sowie weitere gedruckte oder geätzte Komponenten, in Innenlagen der Leiterplatte 12 und/oder auf der Oberseite der Leiterplatte 12 angeordnet sein. Darüber hinaus kann die Leiterplatte 12 auf der Oberseite eine reflektierende Schicht 16 aufweisen, um auf die Leiterplatte 12 treffendes LED-Licht zu reflektieren, und eine Isolationsschicht 28 auf der Unterseite um Berührsicherheit zu gewährleisten. Im Inneren der Leiterplatte 12 ist ein Wärmeleitkern 22 angeordnet, der vorzugsweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material, wie beispielsweise Carbon, oder aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet ist. Der Wärmeleitkern 22 ist vorzugsweise im Bereich einer Wärmequelle angeordnet, in diesem Fall unterhalb der LEDs 14, und kann zur besseren Wärmeabführung auch thermisch an die LEDs 14 angebunden werden, beispielsweise durch Laserschweiß oder einen Lötprozess. Um die elektrisch leitfähigen, insbesondere die Leiterbahnen oder elektrisch leitfähigen Flächen umfassenden, Schichten 18 elektrisch leitend miteinander zu verbinden, umfasst die Leiterplatte 12 weiterhin ein Verbindungselement 24. Da der Wärmeleitkern 22 jedoch ebenfalls elektrisch leitfähig ist, muss das Verbindungselement 24 vom Wärmeleitkern 22 isoliert sein. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass in eine Bohrung von einer leitfähigen Schicht 18 zu einer weiteren leitfähigen Schicht 18, die mit ersteren verbunden werden soll, ein Isoliermaterial 26 eingefüllt wird. Nach Aushärten dieses Isoliermaterials 26 kann eine erneute Bohrung in dieses Isoliermaterial 26 durchgeführt werden und das Bohrloch durch Galvanisierung der Innenflächen mit einem Metall, vorzugsweise Kupfer, elektrisch leitend mit den zu verbindenden Schichten verbunden werden. Damit lässt sich auf einfache Weise eine leitende Verbindung zwischen elektrisch leitfähigen Schichten 18 einer mehrschichtigen Leiterplatte 12 herstellen, die einen Wärmeleitkern zwischen diesen Schichten umfasst. So kann eine besonders kompakte, hoch integrierte Leiterplatte 12 und insbesondere LED-Anordnung mit gleichzeitig optimierter Wärmeabführung bereitgestellt werden.
2 zeigt eine LED-Anordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wie in 1, jedoch mit unterseitig angeordneten elektrischen Komponenten 30, 32. In diesem Fall können die isolierenden Schichten 20 der mehrschichtigen Leiterplatte 12 platzsparenderweise dünner ausgebildet sein. Des Weiteren ist es auch möglich die in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele miteinander zu kombinieren und elektrische Komponenten 30, 32 sowohl in den Innenlagen der Leiterplatte 12 als auch an deren Unterseite anzuordnen.
Insgesamt wird so eine mehrschichtige Leiterplatte, eine LED-Anordnung und ein Verfahren bereitgestellt, die hoch thermisch leitende Eigenschaften und einen hohen Integrationsgrad in einer Leiterplatte vereinen.

Claims

Mehrschichtige Leiterplatte (12), aufweisend mindestens eine erste und eine zweite Schicht (18), die jeweils elektrisch leitfähige Leiterbahnen und/oder Flächen umfassen und die durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (20) voneinander getrennt sind, wobei die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Schicht (18) mittels mindestens eines Verbindungselements (24) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschichtige Leiterplatte (12) mindestens eine dritte Schicht (22) umfasst, die aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist und die zwischen der mindestens einen ersten und mindesten einen zweiten Schicht (18) angeordnet ist, wobei die dritte Schicht (22) durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (20) jeweils von der ersten und zweiten Schicht (18) getrennt ist, und wobei das Verbindungselement (24) zwischen der ersten und der zweiten Schicht (18) die dritte Schicht (22) durchringt und von dieser elektrisch isoliert ist.
Mehrschichtige Leiterplatte (12) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine dritte elektrisch leitfähige Schicht (22) aus einem kohlefaserhaltigen Material, insbesondere Carbon, und/oder aus Metall gebildet ist.
Mehrschichtige Leiterplatte (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement (24) eine innenseitig mit einem elektrisch leitfähigen Material galvanisierte Bohrung in ein in eine Bohrung von der mindestens einen ersten zur mindestens einen zweiten Schicht (18) eingebrachtes Isoliermaterial (26) ist.
Mehrschichtige Leiterplatte (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine elektrische Komponente (30, 32), insbesondere ein gedruckter Widerstand (30) und/oder ein Steuerungschip und/oder ein oberflächenmontiertes Bauelement (32), innerhalb der mehrschichtigen Leiterplatte (12) angeordnet ist.
Mehrschichtigen Leiterplatte (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine elektrische Komponente (30, 32) an einer Außenseite der mehrschichtigen Leiterplatte (12) angeordnet ist.
LED-Anordnung (10) mit einer mehrschichtigen Leiterplatte (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mindestens einer auf der Leiterplatte (12) angeordneten LED (14).
Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden von mindestens einer ersten mit mindestens einer zweiten jeweils elektrisch leitende Leiterbahnen und/oder Flächen umfassenden Schicht (18) einer mehrschichtigen Leiterplatte (12), wobei zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Schicht (18) mindestens eine dritte Schicht (22) angeordnet ist, die aus einem elektrisch leitfähigem Material gebildet ist und die von der mindestens eine ersten und der mindestens einen zweiten Schicht (18) jeweils durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (20) getrennt ist, folgende Schritte umfassend: a) Erzeugen eines Hohlraums, der sich von der mindestens einen ersten bis zur mindestens einen zweiten Schicht (18) erstreckt; b) Ausfüllen des Hohlraums mit einem elektrisch isolierenden Material (26); c) Erzeugen eines Hohlraums im elektrisch isolieren Material (26), der sich von der mindestens einen ersten bis zur mindestens einen zweiten Schicht (18) erstreckt; und d) Verbinden der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Schicht (18) mit einem elektrisch leitfähigen Material (24), das in den Hohlraum eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Einbringen des elektrisch leitfähigen Materials (24) in den Hohlraum mittels Galvanisierung der Hohlraumbegrenzungsfläche erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Erzeugen eines Hohlraums mittels Bohrung erfolgt.