DE102012215788B4 - Mehrlagige LED-Leiterplatte - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mehrlagige LED-Leiterplatte (10), die eine bessere Wärmeabfuhr der Verlustwärme von LEDs ermöglicht. Die mehrlagige LED-Leiterplatte (10) umfasst dabei elektrisch isolierende Schichten (18) und elektrisch leitfähige Schichten (16), von denen mindestens eine mit einer Leiterbahnstruktur strukturiert ist. Weiterhin ist die mindestens eine strukturierte Schicht (16) an einer Oberseite der LED-Leiterplatte (10) angeordnet, auf welcher eine Mehrzahl an LEDs angeordnet ist. Des Weiteren weist die LED-Leiterplatte (10) ein Wärmeleitelement (14) und thermische Pfade (20) aus einem elektrisch leitfähigen Material auf, die zwischen den LEDs und dem Wärmeleitelement (14) jeweils kontaktierend angeordnet sind. Die thermischen Pfade (20) sind voneinander elektrisch isoliert und dazu ausgelegt, Wärme von den LEDs wegzuleiten. Darüber hinaus ist das Wärmeleitelement (14) aus einem Material gebildet, das dazu ausgebildet ist, die thermischen Pfade (20) der jeweiligen LEDs thermisch zu koppeln und elektrisch zu trennen. Des Weiteren ist das Wärmeleitelement (14) derart angeordnet ist, dass ein Bereich, in dem die thermischen Pfade (20) das Wärmeleitelement (14) kontaktieren, zumindest teilweise in einer elektrisch isolierenden Schicht (18) der LED-Leiterplatte (10) angeordnet ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung geht aus von einer mehrlagigen LED-Leiterplatte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Um Leiterplatten bereitzustellen, die einen möglichst hohen Integrationsgrad aufweisen, sind aus dem Stand der Technik mehrlagige Leiterplatten bekannt, die eine Mehrzahl an elektrisch leitfähigen Schichten aufweisen, die Leiterbahnstrukturen umfassen und die durch elektrisch isolierende Schichten voneinander getrennt sind. Die Verwendung solcher mehrlagigen Leiterplatten für LED-Module ist jedoch problematisch, da sich durch eine größere Anzahl an Schichten auch die thermischen Pfade signifikant vergrößern, über die die Verlustleistungswärme der LEDs abgeführt wird. Gerade bei sehr eng platzierten LEDs auf einer derartigen mehrlagigen Leiterplatte ist eine ausreichende Wärmeabfuhr nicht möglich. Einige Konzepte zur Wärmeabfuhr bei mehrlagigen Leiterplatten sind in der EP 1 916 884 A1 , der EP 2 104 408 A1 und der US 2010 0 200 277 A1 gezeigt.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine mehrlagige LED-Leiterplatte bereitzustellen, die eine bessere Wärmeabfuhr ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine mehrlagige LED-Leiterplatte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Die erfindungsgemäße mehrlagige LED-Leiterplatte umfasst elektrisch isolierende Schichten aus einem elektrisch isolierenden Material und elektrisch leitfähige Schichten aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei mindestens eine der elektrisch leitfähigen Schichten mit einer Leiterbahnstruktur strukturiert ist. Weiterhin ist die mindestens eine strukturierte elektrisch leitfähige Schicht an einer Oberseite der Leiterplatte angeordnet, wobei eine Mehrzahl an LEDs auf der mindestens einen strukturierten elektrisch leitfähigen Schicht an der Oberseite angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die LED-Leiterplatte ein Wärmeleitelement und thermische Pfade aus einem elektrisch leitfähigen Material, die zwischen den LEDs und dem Wärmeleitelement jeweils kontaktieren angeordnet sind. Die thermischen Pfade sind voneinander elektrisch isoliert und dazu ausgelegt Wärme von den LEDs wegzuleiten. Weiterhin ist das Wärmeleitelement aus einem Material gebildet, das dazu ausgebildet ist, die thermischen Pfade der jeweiligen LEDs thermisch zu koppeln und elektrisch zu trennen.
  • Die Strukturierungen der elektrisch leitfähigen Schichten definieren dabei Leiterbahnstrukturen der elektrisch leitfähigen Schichten. Dabei können auch mehrere elektrisch leitfähige Schichten, insbesondere auch Innenlagen der mehrlagigen LED-Leiterplatte Leiterbahnstrukturen tragen.
  • Durch das Wärmeleitelement, das dazu ausgebildet ist die thermischen Pfade der LEDs thermisch zu koppeln und elektrisch zu trennen, kann eine gemeinsame Wärmespreizung der Verlustleistungswärme der LEDs bewerkstelligt werden. Gleichzeitig ist gewährleistet, dass die elektrischen Potentiale der LEDs getrennt sind, was eine gemeinsame Wärmespreizung erst ermöglicht. Durch diese Kopplung der thermischen Pfade kann eine wesentlich bessere Wärmeabfuhr erreicht werden. Erst dadurch wird es möglich, dass sehr viele LEDs oder LED-Cluster, an der Oberseite der Leiterplatte sehr eng platziert werden können, da nun durch die gemeinsame Wärmespreizung eine ausreichende Wärmeabfuhr ermöglicht wird. Dabei ist das Wärmeleitelement derart angeordnet, dass ein Bereich, in dem die thermischen Pfade das Wärmeleitelement kontaktieren, zumindest teilweise in einer elektrisch isolierenden Schicht der LED-Leiterplatte angeordnet ist. Dies gewährleistet die Trennung der Potentiale, denn wäre dieser Bereich in oder an einer elektrisch leitfähigen Schicht angeordnet, so würde diese Schicht eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den thermischen Pfaden herstellen.
  • Das Wärmeleitelement ist dabei bevorzugt aus einem zweiten elektrisch isolierenden Material, welches eine größere thermische Leitfähigkeit aufweist als das elektrisch isolierende Material der elektrisch isolierenden Schichten der LED-Leiterplatte. Durch die elektrisch isolierende Eigenschaft des Wärmeleitelementmaterials ist gewährleistet, dass die jeweiligen elektrischen Potentiale der LEDs voneinander getrennt sind, während durch die hohe Wärmeleitfähigkeit, die wesentlich größer ist als die der isolierenden Schichten der LED-Leiterplatte, die thermische Kopplung der thermischen Pfade ermöglicht wird.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite elektrisch isolierende Material des Wärmeleitelements ein anorganisches Material. Bevorzugt wird dabei ein keramisches Material, wie beispielsweise eine Aluminiumoxidkeramik oder eine Aluminiumnitridkeramik verwendet, denn diese Materialien weisen eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf, und insbesondere eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als die für die elektrisch isolierenden Schichten der Leiterplatte bevorzugt verwendeten organischen Materialien wie FR4.
  • Weiterhin bevorzugt ist eine Anordnung des Wärmeleitelements zumindest teilweise, und insbesondere vollständig, in einer elektrisch isolierenden Schicht der LED-Leiterplatte, wobei vollständig so zu verstehen ist, dass das Wärmeleitelement von allen Seiten von einer isolierenden Schicht umgeben ist bis auf die Stellen, an denen die thermischen Pfade der LEDs das Wärmeleitelement kontaktieren und weitere Stellen, an denen ebenfalls thermische Pfade kontaktierend angeordnet sein können für eine Wärmeabfuhr weg vom Wärmeleitelement. So kann auf besonders vorteilhafte Weise das Wärmeleitelement besonders platzsparend in einer kompakten Anordnung in die mehrlagige LED-Leiterplatte integriert werden.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Wärmeleitelement zumindest teilweise in einer elektrisch isolierenden Schicht der LED-Leiterplatte angeordnet, wobei in der selben elektrisch isolierenden Schicht elektrische Bauelemente kontaktierend an einer elektrisch leitfähigen Schicht angeordnet sind. So kann der Bauraum, der durch die Dicke einer elektrisch isolierenden Schicht vorgegeben ist effektiv genutzt werden bzw. ist durch den Platzbedarf, den integrierte Bauelemente, also Bauelemente auf den Innenlagen der mehrlagigen LED-Leiterplatten, erfordern, eine gewisse Dicke der isolierenden Schicht vorgegeben, die gleichzeitig zur Integration bzw. Einbettung des Wärmeleitelements in diese Schicht auf kompakte und platzsparende Weise genutzt werden kann.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die thermischen Pfade senkrecht zu den Schichten der LED-Leiterplatte angeordnet. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung der LED-Leiterplatte. Insbesondere ist es bevorzugt das Wärmeleitelement unterhalb der LEDs anzuordnen, um auf dem kürzesten Weg, also senkrecht nach unten zur Unterseite der LED-Leiterplatte, die Wärme ableiten zu können. Dabei ist es darüber hinaus ausreichend, das Wärmeleitelement derart auszugestalten, dass es in einem Bereich angeordnet ist, der nicht wesentlich größer ist als der Bereich in dem die LEDs auf der Oberseite der LED-Leiterplatte angeordnet sind, was eine besonders kompakte Ausgestaltung der mehrlagigen LED-Leiterplatte und beispielsweise die Integration von elektrischen Bauelementen in der selben Schicht ermöglicht.
  • Weiterhin können die thermischen Pfade besonders einfach als Vias (vertical interconnect access) aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sein. So können diese Pfade beispielsweise als mit einem metallischen Material gefüllte Vias oder als Mikrovias bzw. Laservias mit einer Galvanik ausgestaltet sein.
  • Bevorzugt können die thermischen Pfade Kupfer umfassen. Kupfer besitzt ebenfalls eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und durch die Kopplung dieser Pfade mit dem Wärmeleitelement, der ebenfalls eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, kann so eine optimale Wärmeabfuhr ermöglicht werden.
  • Vorteilhafterweise können die thermischen Pfade durch mindestens eine innenliegende elektrisch leitfähige Schicht der LED-Leiterplatte verlaufen, wobei die thermischen Pfade von der mindestens einen Schicht elektrisch isoliert sind. Insbesondere können die Pfade auch durch alle innenliegenden elektrisch leitfähigen Schichten laufen, was auf besonders vorteilhafte Weise eine Wärmeabfuhr nach außen, insbesondere zur Unterseite der mehrlagigen Leiterplatte ermöglicht.
  • Das Wärmeleitelement kann weiterhin mit einer Unterseite der Leiterplatte, die der Oberseite gegenüberliegend angeordnet ist, gekoppelt sein. Somit wird eine direkte Wärmeabfuhr nach außen hin, also zur Unterseite der leiterplatte hin ermöglicht.
  • Bei einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Unterseite aus einer elektrisch leitfähigen Schicht gebildet, die mit einer Wärmesenke koppelbar ist. Diese elektrisch leitfähige Schicht kann dabei bevorzugt aus einer oder mehreren Kupferlagen gebildet sein. Die Kopplung des Wärmeleitelements mit diesen Kupferaußenlagen kann dabei wiederum beispielsweise durch Mikrovias und Kupfer Galvanik umgesetzt sein. Durch die Kopplung des Wärmeleitelements mit den Kupferaußenlagen und der Möglichkeit der Kopplung dieser Lagen mit einer Wärmesenke, wie beispielsweise einem Kühlkörper, kann eine besonders gute Wärmeabfuhr bereitgestellt werden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung einer mehrlagigen LED-Leiterplatte mit einem darauf angeordneten LED-Cluster und einem integrierten Wärmeleitelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer mehrlagigen LED-Leiterplatte 10 mit einem darauf angeordneten LED-Cluster 12, welches eine Mehrzahl an LEDs aufweist, und einem integrierten Wärmeleitelement 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die LED-Leiterplatte 10 weist dabei eine Schichtenfolge von elektrisch leitfähigen Schichten 16 und elektrisch isolierenden Schichten 18 auf. Die elektrisch leitfähigen Schichten 16 können dabei durch Leiterbahnstrukturen strukturiert sein bzw. als Leiterbahnstruktur definiert sein und sind bevorzugt aus Kupfer. Die elektrisch isolierenden Schichten 18 sind dabei vorzugsweise aus einem organischen Material, insbesondere aus einem typischen Leiterplattenbasismaterial wie beispielsweise FR4. In eine dieser elektrisch isolierenden Schichten 18 ist ein Wärmeleitelement 14 aus einem elektrisch isolierenden Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet. Durch die Einbettung des anorganischen, elektrisch isolierenden Wärmeleitelements 14 mit hoher Wärmeleitfähigkeit in die mehrlagige LED-Leiterplatte 10 wird auf besonders vorteilhafte Weise eine gemeinsame Wärmespreizung der LEDs bei gleichzeitiger Potentialtrennung ermöglicht. Darüber hinaus wird durch diese gemeinsame Wärmespreizung eine wesentlich bessere Wärmeabfuhr der Verlustleistungswärme der LEDs ermöglicht. Zusätzlich hat dies den Vorteil, dass so eine Vielzahl an LEDs sehr eng platziert werden kann. Die Kombination aus einer mehrlagigen Leiterplatte mit einem Wärmeleitelement 14 zur gemeinsamen Wärmespreizung der LEDs ermöglicht so einen äußerst hohen Integrationsgrad dieser LED-Leiterplatte 10.
  • Das Wärmeleitelement 14 ist dabei bevorzugt aus einem keramischen Material gebildet, wie beispielsweise einer Aluminiumoxidkeramik oder einer Aluminiumnitridkeramik. Diese Keramiken weisen eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf, insbesondere eine, die wesentlich größer ist als die des organischen Basismaterials FR4. Weiterhin können die LEDs des LED-Clusters 12 auf Kupferpads auf der Oberseite der LED-Leiterplatte 10 angeordnet sein. Die Kupferpads aller LEDs auf der ersten Lage, also auf der Oberseite, sind elektrisch voneinander getrennt und somit auch thermisch. Durch die Ankontaktierung dieser Kupferpads über thermische Pfade 20 mit dem Wärmeleitelement 14 wird eine thermische Kopplung und so eine gemeinsame Wärmespreizung der Verlustleistungswärme der LEDs ermöglicht. Das Wärmeleitelement 14 ist dabei strukturiert, wobei sich diese Strukturierung auf die Kontaktstellen der Ankontaktierung der thermischen Pfade 20 bezieht. Diese thermischen Pfade 20 können dabei als Kupfer gefüllte Vias 22, mit Kupfer galvanisierte Vias 24 ausgebildet sein oder mit Kupfer galvanisierte Laservias bzw. Mikrovias 26. Weiterhin sind diese elektrisch leitfähigen Pfade 20 elektrisch voneinander isoliert, um zu gewährleisten, dass die Potentiale der LEDs voneinander getrennt sind. Insbesondere ermöglicht die Verwendung von Mikrovias 26, die einen sehr kleinen Durchmesser im Mikrometerbereich aufweisen, ebenfalls eine äußerst kompakte Anordnung der LEDs.
  • Weiterhin kann das Wärmeleitelement 14 mit Kupferaußenlagen an der Unterseite der LED-Leiterplatte 10 gekoppelt werden. Diese Kopplung kann beispielsweise ebenfalls über Mikrovias 26 und Kupfer Galvanik erfolgen. So wird auf sehr vorteilhafte Weise die Möglichkeit bereitgestellt, die Verlustwärme der LEDs direkt auf die Außenlagen der LED-Leiterplatte 10 abzuleiten. Diese Außenlagen können zur besseren Wärmeableitung mit einem Kühlkörper gekoppelt sein. So wird es durch die LED-Leiterplatte 10 ermöglicht, die Rückseite thermisch anzubinden und gleichzeitig durch die Kopplung über das elektrisch isolierende Wärmeleitelement potentialfrei zu halten.
  • Darüber hinaus können noch weitere Bauelemente auf den Innenlagen oder auf der Oberseite der Leiterplatte angeordnet sein, wie beispielsweise oberflächenmontierte Bauelemente 32 oder eingebettete Bauelemente 34 wie z. B. Kondensatoren. Zur elektrischen Verbindung der einzelnen elektrisch leitfähigen Schichten 16, kann die LED-Leiterplatte 10 beispielsweise Durchkontaktierungen 30 aufweisen. So kann die LED-Leiterplatte 10 dem hohen Verdrahtungsaufwand, der für die Vielzahl an LEDs erforderlich ist, durch ihre mehrlagige Ausbildung gerecht werden und gleichzeitig kann durch das integrierte Wärmeleitelement 14 eine gemeinsame Wärmespreizung und dadurch eine deutlich bessere Wärmeabfuhr bewerkstelligt werden.
  • Insgesamt wird so ein kostengünstiges und hochintegriertes Modul bereitgestellt, das durch Integration eines elektrisch isolierenden, jedoch thermisch gut leitenden Kerns in eine mehrlagige LED-Leiterplatte und durch die Anbindung des Kerns an die LEDs und die Kupferaußenlagen über Mikro- bzw. Laservias und Kupfergalvanik eine gemeinsame Wärmespreizung der Verlustleistungswärme der LEDs bei gleichzeitiger Potentialtrennung ermöglicht. Dadurch kann die Wärmeabfuhr deutlich verbessert werden, so dass eine äußerst eng platzierte Anordnung einer Vielzahl an LEDs in einem Cluster, wie beispielsweise einem Oslon Chip, auf einer mehrlagigen Leiterplatte ermöglicht wird.

Claims (9)

  1. Mehrlagige LED-Leiterplatte (10) mit elektrisch isolierenden Schichten (18) aus mindestens einem elektrisch isolierenden Material und elektrisch leitfähigen Schichten (16) aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei mindestens eine der elektrisch leitfähigen Schichten (16) mit einer Leiterbahnstruktur strukturiert ist, wobei die mindestens eine strukturierte elektrisch leitfähige Schicht (16) an einer Oberseite der LED-Leiterplatte (10) angeordnet ist und wobei eine Mehrzahl an LEDs auf der mindestens einen strukturierten elektrisch leitfähigen Schicht (16) an der Oberseite angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Leiterplatte (10) ein Wärmeleitelement (14) aufweist, und thermische Pfade (20) aus einem elektrisch leitfähigen Material, die zwischen den LEDs und dem Wärmeleitelement (14) jeweils kontaktierend angeordnet sind, wobei die thermischen Pfade (20) voneinander elektrisch isoliert sind und dazu ausgelegt sind, Wärme von den LEDs wegzuleiten und wobei das Wärmeleitelement (14) aus einem Material gebildet ist, das dazu ausgebildet ist, die thermischen Pfade (20) der jeweiligen LEDs thermisch zu koppeln und elektrisch zu trennen und das Wärmeleitelement (14) derart angeordnet ist, dass ein Bereich, in dem die thermischen Pfade (20) das Wärmeleitelement (14) kontaktieren, zumindest teilweise in einer elektrisch isolierenden Schicht (18) der LED-Leiterplatte (10) angeordnet ist.
  2. Mehrlagige LED-Leiterplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (14) aus einem zweiten elektrisch isolierenden Material ist, das eine größere thermische Leitfähigkeit aufweist als das elektrisch isolierende Material der elektrisch isolierenden Schichten (18) der LED-Leiterplatte (10).
  3. Mehrlagige LED-Leiterplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elektrisch isolierende Material ein anorganisches Material ist.
  4. Mehrlagige LED-Leiterplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (14) zumindest teilweise in einer elektrisch isolierenden Schicht (18) der LED-Leiterplatte (10) angeordnet ist, wobei in der selben elektrisch isolierenden Schicht (18) elektrische Bauelemente (34) kontaktierend an einer elektrisch leitfähigen Schicht (16) angeordnet sind.
  5. Mehrlagige LED-Leiterplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Pfade (20) senkrecht zu den Schichten (16; 18) der LED-Leiterplatte (10) angeordnet sind.
  6. Mehrlagige LED-Leiterplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Pfade (20) Kupfer enthalten.
  7. Mehrlagige LED-Leiterplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Pfade (20) durch mindestens eine innenliegende elektrisch leitfähige Schicht (16) der LED-Leiterplatte (10) verlaufen, wobei die thermischen Pfade (20) von der mindestens einen elektrisch leitfähigen Schicht (16) elektrisch isoliert sind.
  8. Mehrlagige LED-Leiterplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (14) mit einer Unterseite der LED-Leiterplatte (10), die der Oberseite gegenüberliegend angeordnet ist, gekoppelt ist.
  9. Mehrlagige LED-Leiterplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite aus einer elektrisch leitfähigen Schicht (16) gebildet ist, die mit einer Wärmesenke koppelbar ist.
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