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Die Erfindung betrifft eine Mehrlagen-Leiterplatte mit integriertem, plastisch biegbarem Dickkupfer-Profil nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Im Mittelpunkt der Erfindung steht das Bestreben abwinkelbare, untereinander segmentierte Mehrlagen-Leiterplatten zu schaffen, bei denen es möglich ist, bestimmte Segmente bezüglich den anderen, vorhandenen Segmenten voneinander dauerhaft abzuwinkeln und diese Winkelstellung beizubehalten.
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Eine solche Ausführung, bei der die Mehrlagen-Leiterplatte mehrfach segmentiert ist und aus verschiedenen Segmentteilen besteht, die zueinander abwinkelbar sind und ihre Abwinklung dauerhaft beibehalten, ist beispielsweise auch Gegenstand der
WO 2014/0076233 A1 . Ein wesentlicher Nachteil bei dieser Ausführungsform ist, dass der biegbare Abschnitt aus einem rechteckförmigen Kupferprofil besteht, welches außenseitig die Biegekante der Mehrlagen-Leiterplatte bildet. Dadurch sind nur relativ große Biegeradien möglich, weil der zu biegende Abschnitt lediglich an der Außenseite der Leiterplatte angeordnet ist. Um eine Biegung zu ermöglichen muss er freigestellt werden.
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Die Biegung am Außenumfang eines Biegeradius hat ferner den Nachteil, dass ein relativ großer Materialverbrauch entsteht, da hohe Zugkräfte auf das zu biegende Profil entstehen. Hierfür muss an der Oberseite der Leiterplatte eine entsprechende Verankerung geschaffen werden.
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Es besteht demnach bei der Biegung die Gefahr des Ausreißens, der Beschädigung und der Faltenbildung der Verbindung zwischen dem zu biegenden Leiterplattenprofil und dem Basismaterial der Leiterplatte.
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Kennzeichnend für dieses Erfordernis ist, dass das über einen großen Biegeradius gebogene und am Außenumfang der Leiterplatte angeordnete Biegeprofil einem hohen Stress ausgesetzt ist. Aus diesem Grund sieht die Ausführungsform der
WO 2014/0076233 A1 weiteren Verankerungen dieses Biegeprofils in Form von zusätzlichen Anschlussstellen vor.
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Sollte das abgebogene Segmentteil zu dem Basisteil dauerhaft in der abgebogenen Stellung verbleiben, wodurch insbesondere eine plastische Verformung im Bereich des abgebogenen Profils stattfindet, ist es bei derartigen, am Außenumfang der Leiterplatte angeordneten Biegeprofilen notwendig, ein dickes Biegeprofil zu verwenden, um die dauerhafte Biegbarkeit zu erreichen. Dünne Biegeprofile würden entweder reißen oder flexibel zurück federn. Dies ist im Sinne der vorliegenden Erfindung jedoch nicht erwünscht.
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Bei der genannten Druckschrift ist das zu biegende Profil lediglich in der Außenlage der Mehrlagen-Leiterplatte eingebettet, was mit den oben genannten Nachteilen verbunden ist.
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Die gleiche Kritik gilt auch für die
DE 196 34 371 A1 , die bei einer Einlagen-Leiterplatte lediglich ein biegbares Profil direkt am Außenumfang der Leiterplatte anordnet.
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Dies ergibt sich auch aus der auf dem eigenen Anmelder zurückgehenden
DE 10 2006 004 321 A1 , weil dort ebenfalls die biegbaren Profilabschnitte im oberen Bereich der Leiterplattenstruktur angeordnet sind, d. h. also im Bereich einer Außenlage.
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Dies führt dazu, dass im Hinblick auf die Dicke des dort verwendeten Materials keine selbsttragende Funktion erreicht wird, was zur Folge hat, dass die dort gezeigte segmentierte Leiterplattenstruktur nicht geeignet ist, eine dauerhafte Abbiegbarkeit der einzelnen, voneinander eine Winkelstellung einnehmenden Segmente zu gewährleisten.
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Bei dem verwendeten Kupferprofil besteht vielmehr die Gefahr, dass sich das Profil in unerwünschter Weise zurückverformt, wodurch dann zusätzliche Befestigungselemente notwendig sind, um die einmal abgebogene Lage dieser segmentierten Mehrlagen-Leiterplatte zu fixieren.
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Ferner weist die Ausführungsform der
DE 10 2006 004 321 A1 stets im Bereich der Kerbkante noch unterhalb des Kupferprofils eine Substratlage auf, welche ebenfalls eine bleibende plastische Verformung im Biegebereich verhindert.
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Der Erfindung liegt deshalb ausgehend von der eigenen
DE 10 2006 004 321 A1 die Aufgabe zugrunde, eine Mehrlagen-Leiterplatte, bestehend aus einzelnen zueinander segmentierten und voneinander abwinkelbaren Segmentteilen bestehende Mehrlagen-Leiterplatte so weiterzubilden, dass die einzelnen Segmentteile dauerhaft und bleibend ihre einmalig gebogene Lage beibehalten.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
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Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass im Biegeabschnitt des mindestens einen abwinkelbaren Segmentteils als funktionales Element mindestens ein Dickkupfer-Profil angeordnet ist, das bei einer Biegung bleibend verformbar ist.
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Somit sind bevorzugt im Biegeabschnitt zwischen den einzelnen voneinander abwinkelbaren Segmentteilen einer Mehrlagen-Leiterplatte ein oder mehrere parallel und in gegenseitigem Abstand zueinander angeordnete Dickkupfer-Profile angeordnet, wobei jedes Dickkupfer-Profil so dick ausgebildet ist, dass es bei Biegung bleibend verformbar ist und seine Biegung beibehält.
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Mit der gegebenen technischen Lehre wird demnach ein flexibles Biegen eines Dickkupfer-Profils verhindert und stattdessen eine plastische Verformung eines Dickkupfer-Profils angestrebt, welches so dimensioniert sein soll, dass es bei einer Biegung plastisch verformt bleibt und nicht elastisch federnd in seine Rückstellungslage zurückfedert.
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Versuche des Anmelders haben gezeigt, dass eine Dicke derartiger Dickkupfer-Profile von mehr als 500 μm notwendig ist, um eine bleibende Verformung oder Abwinklung zu erreichen. Bevorzugt werden Dicken im Bereich von >= 500 μm bis zu 1,5 mm Dicke.
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Die Breite eines derartigen Dickkupfer-Profils liegt etwa im Bereich von 500 μm bis zu 12 mm.
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Es gibt jedoch auch Anwendungsbeispiele, bei denen noch größere Breiten erforderlich sind.
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Wichtig bei der Erfindung ist demnach, dass bei einer Mehrlagen-Leiterplatte die einzelnen über Biegekanten voneinander getrennten Segmentteile zunächst in einer flachen Form bei der Leiterplattenherstellung bestückt und gefertigt werden und dass nach der Fertigstellung der Mehrlagen-Leiterplatte die einzelnen Segmentteile entsprechend den Erfordernissen am Einbauort voneinander abgewinkelt werden und ihre abgewinkelte Lage behalten, ohne dass es weiterer Befestigung oder Stabilisierungen der abgewinkelten Segment-Teile bedarf. Es kann zwar vorgesehen sein, dass der Basisteil an der Mehrlagen-Leiterplatte noch an irgendeiner Grundplatte oder einem Befestigungsfundament befestigt ist; dies ist jedoch nicht lösungsnotwendig. Es ist in einer anderen Ausführungsform auch möglich, die Mehrlagen-Leiterplatte aus einzelnen miteinander abwinkelbaren Segment-Teilen zu fertigen und das so mehrfach abgewinkelte Segmentteil als selbsttragendes Teil in einer bestimmten Struktur einzubauen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist z. B. die Fertigung einer Leuchte, die sich dadurch auszeichnet, dass an einem mehrfach abgewinkelten Streifen eine Vielzahl von LED-Elementen angeordnet sind, und es bedarf hierbei keinerlei Befestigungen oder Stabilisierungen, um die einmal abgewinkelte Struktur der Mehrlagen-Leiterplatte in dieser Form beizubehalten.
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Durch die Anordnung eines integrierten Dickkupferelementes ist zumindest ein Teil der Leiterplatte im Bereich des integrierten Dickkupferelement abwinkelbar und somit mechanisch selbsttragend ausgebildet.
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Die Freilegung des zumindest einen Dickkupferelements kann mittels Fräsung oder lasertechnisch mehrfach in Form von V- oder U-förmigen Freilegungen erfolgen. Dadurch können mehrfache Abwinkelungen bis über 180°C ausgebildet werden. Da zumindest ein Teil der Leiterplatte derart selbsttragend ausgebildet ist, ist keine zusätzliche mechanische Befestigung oder Abstützung mehr erforderlich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das mindestens eine Dickkupferelement eine laterale Ausdehnung vom zumindest 500 μm entlang der Biegekante des Kupferelements auf.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Bereich mit einem Dickkupferelement U-förmig bzw. an mehr als einer Seite mit gewünschter Formgebung freigelegt bzw. die Leiterplatte durchtrennt, wobei dieser innere Bereich nach der Bestückung und Lötung abgewinkelt wird und somit selbsttragend diesen Teil der Leiterplatte in der abgewinkelten Position hält.
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Des Weiteren können eine Mehrzahl an Dickkupferelementen in die Leiterplatte integriert werden und die Leiterplatte eine Mehrzahl an Durchtrennungen aufweisen, so dass die Leiterplatte nach der Bestückung und Lötung in ein mehrdimensionales Gebilde abgewinkelt und mittels der Dickkupferelement selbsttragend ausgebildet ist.
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In einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zu den Dickkupferelementen im Biegebereich zumindest eine strukturierte Kupferlage mit einer konventionellen Kupferstruktur angeordnet.
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Des Weiteren ist es möglich, dass zumindest ein Dickkupferelement stromführend ausgebildet ist. Ebenso kann das Dickkupferelement eine wärmeleitende Funktion aufweisen.
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Entscheidend ist, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung eines Dickkupfer-Profils beschränkt ist. Es können als funktionales Element ebenso auch andere Metallprofile verwendet werden, wie z. B. Eisenprofile, Aluminiumprofile, Kupferlegierungen und dergleichen mehr.
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Die Anordnung des plastisch biegbaren und bleibend biegbaren Profils soll insgesamt drei verschiedene Aufgaben lösen:
- 1. Die Ermöglichung der Abwinklung von zueinander abgewinkelten Leiterplattensegmenten, wobei die Abwinklung ohne weitere Hilfsmaßnahmen beibehalten bleibt.
- 2. Die Abführung von Wärme, die durch auf der Leiterplatte durch Bestückung aufgebrachte Bauelemente erzeugt werden.
- 3. Die Herbeiführung einer Biegefunktion, die nicht lösungsnotwendig durch ein stromleitendes Bauteil erreicht werden muss. Hier kann z. B. auch ein Eisenprofil oder ein anderes Profil verwendet werden, welches nicht zur Stromleitung verwendet wird.
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Der Vorteil der Verwendung eines Dickkupfer-Profils ist jedoch, dass es alle drei Aufgabenstellungen gleichzeitig löst und kein anderes Element hierzu verwendet werden muss.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
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1: Draufsicht auf eine noch unverformte Mehrlagen-Leiterplatte
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2: Seitenansicht der Mehrlagen-Leiterplatte nach 1
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3: im Vergleich zur 2 abgewinkelte Mehrlagen-Leiterplatte
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4: ein gegenüber 2 und 3 abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit einer durch Bauteile bestückten Mehrlagen-Leiterplatte
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5: Schnitt durch die Mehrlagen-Leiterplatte in Höhe der Linie V-V
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6: Schnitt durch die Biegekante der Mehrlagen-Leiterplatte in Höhe des Teiles VI-VI
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7: eine Schliffbildaufnahme einer Mikroskop-Aufnahme der Biegekante der Mehrlagen-Leiterplatte
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8: eine abgewandelte Ausführungsform, bei der das Segment nicht nur um eine einzige Biegekante, sondern um eine hierzu senkrechte Drehachse verdrehbar ist in Draufsicht
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9: die Seitenansicht der Anordnung nach 8
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Die 1 bis 3 zeigt eine Mehrlagen-Leiterplatte 1 aus einem üblichen Leiterplattenmaterial, welche z. B. aus FR-4 besteht, in der mehrere Innen- und Außenlagen angeordnet sind.
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Es ist lediglich beispielhaft dargestellt, dass die Mehrlagen-Leiterplatte 1 aus einem Basisteil 2 mit darin angeordneten Befestigungsbohrungen 4 besteht und dass von diesem Basisteil 2 ein oder mehrere Segment-Teile 3 abwinkelbar sind, die nach der Abwinklung ihre Form bleibend erhalten, wie dies in 3 dargestellt ist.
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Statt der Anordnung eines einzigen Segmentteils 3 an der Mehrlagen-Leiterplatte kann die Mehrlagen-Leiterplatte auch aus einer Vielzahl von aneinander anhängenden Segmentteilen 3 bestehen, so dass also das Basisteil 2 überhaupt entfällt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Mehrlagen-Leiterplatte durch ein Basisteil 2 dargestellt, welches über eine Anzahl von mehreren parallel zueinander angeordneten Dickkupfer-Profilen 5 abwinkelbar mit einem Segmentteil 3 verbunden ist.
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Die Dickkupfer-Profile 5 können durchaus unterschiedlichen Querschnitt und unterschiedliche Abmessungen zeigen, wie dies in 1 dargestellt ist.
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Gemäß 1 wird eine Biegelinie 6 definiert, die eine Kerbkante 9 bildet (siehe 3), wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel die Kerbkante 9 nicht durchgeht, sondern am unteren Ende der Mehrlagen-Leiterplatte einen offenen Biegespalt 8 ausbildet. Der Biegespalt 8 ist somit bevorzugt Bereich im Biegeabschnitt 10 angeordnet und erstreckt sich beispielsweise von der Seitenfläche in die Mitte der Leiterplatte 1. Durch die Anordnung eines durchgängigen bzw. offenen Biegespaltes 8 ist eine leichtere plastische Verformung des Segmentsteils 3 im Bereich des Biegeabschnittes 10 möglich.
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Die Tiefe der Kerbkante 9 ist so gewählt, dass die Tiefe der Kerbkante entweder an der Unterseite des Dickkupfer-Profils 5 enden kann, wodurch es optisch sichtbar freigelegt wird. Im Biegeabschnitt 10 erstreckt sich somit die Kerbkante 9 bis zu dem Dickkupfer-Profil 5.
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Es ist jedoch auch möglich, dass die Tiefe der Kerbkante geringer ist, wodurch noch eine aus dem Basismaterial 17 der Mehrlagen-Leiterplatte bestehende Materialschicht 24 beibehalten werden kann.
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Es ist sogar möglich, dass bei einer Verlegung des Dickkupfer-Profil 5 mehr in den Mittenbereich des Querschnitts (gemäß 5), sogar von beiden Seiten her eine Kerbkante 9 angebracht werden kann.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel bleibt auch noch oberhalb des abgebogenen Abschnittes eine dünne Materialschicht 25 des Basismaterials 17 erhalten, die aber gegebenenfalls abgesprengt werden kann.
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Es gibt also Anwendungsfälle, bei denen das Dickkupfer-Profil sowohl von der Oberseite als auch von der Unterseite durch den Kerbkante 9 hindurch von beiden Seiten her sichtbar ist.
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Die Abbiegung erfolgt gemäß 2, z. B. in Pfeilrichtung 7, so dass sich der Zustand nach 3 ergibt. Es wird ein Biegewinkel 16 von 5° bis 90° erzielt. Es können auch mehrere hintereinander liegende Kerben vorhanden sein, wobei in 3 nur eine einzige Kerbkante 9 gezeigt ist, die durch einen Kerbwinkel 19 von z. B. 90° vorhanden ist. Soll der Biegewinkel 16 noch 90° sein, müsste der Kerbwinkel 19 120° betragen.
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Der Kerbwinkel 19 ist durch die beiden Kerblinien 20 gekennzeichnet, wie in 2 dargestellt. Mit der gegebenen technischen Lehre wird also ein Biegeabschnitt 10 zwischen mehreren Teilen einer Mehrlagen-Leiterplatte 1 definiert, wobei – wie vorhin angegeben – auch ein Materialabschnitt 11 oberhalb der Kerbkante 9 beibehalten sein kann oder auch abgesprengt wird. Dies ist anhand der 4 mit der Materialschicht 25 dargestellt.
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Wichtig ist, dass das Dickkupfer-Profil 5 in einem Mehrlagen-Verbund einer Leiterplatte integriert ist, d. h. das Dickkupfer-Profil 5 kann auch zur Stromführung und zur Wärmeableitung herangezogen werden.
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Des Weiteren können noch weitere Leiterbahnen 12 in dem Mehrlagen-Leiterverbund vorhanden sein, wie dies beispielsweise in 1 dargestellt ist. Diese Leiterbahnen 12 sind von dem Basisteil 2 auch in das Segmentteil 3 geführt.
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Dies ergibt sich auch aus 5, wo erkennbar ist, dass eine Vielzahl von Leiterbahnen an der Oberseite, Unterseite und im Mittenbereich der Innen- und Außenlagen der Mehrlagen-Leiterplatte im Segmentteil 3 vorhanden sind.
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Dies ergibt sich auch aus 4, wobei weitere Einzelheiten offenbart sind. Dort ist insbesondere erkennbar, dass Kontaktierungsbohrungen 13 in der Mehrlagen-Leiterplatte 1 vorhanden sind und dass auch noch zusätzliche Wärmeleitbohrungen (Thermo-Vias) 14 vorhanden sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Anzahl von wärmeabgebenden Bauteilen 15 (LED) angeordnet. Es ist hierbei besonders wichtig, dass diese die Wärmeabfuhr auch über das Dickkupfer-Profil 5 realisieren.
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Die 6 zeigt den Schnitt durch die Biegelinie 6, wobei möglicherweise oberhalb und unterhalb noch zusätzliche Materialschichten vorhanden sein können.
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Die 7 zeigt eine mikroskopisch vergrößerte Schnittansicht im Bereich der Biegelinie, wobei die gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es ist bei Bezugszeichen 21 dargestellt, dass die dort befindliche Materialschicht 25 aufgebrochen ist. Es handelt sich um keine bevorzugte Ausführungsform, sondern lediglich um ein Beispiel aus der Praxis.
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Ebenso ist erkennbar, dass die Leiterbahnen 12 im oberen Bereich unterbrochen sind, ebenso wie im unteren Bereich der Mehrlagen-Leiterplatte 1.
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Die übrigen Leiterbahnen sind jedoch hindurchgeführt und reichen von dem Basisteil 2 in das Segmentteil 3 hinüber, wobei eine solche Hindurchführung nur in 1 dargestellt ist, während in 7 diese Leiterbahnen unterbrochen sind. Es ist auch erkennbar, dass die Leiterbahn 12 mindestens teilweise stromleitend mit dem Dickkupfer-Profil 5 verbunden sein können.
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Die 8 und 9 zeigen als abgewandeltes Ausführungsbeispiel auch eine dreidimensionale Verbiegung, wobei erkennbar ist, dass das Dickkupfer-Profil nunmehr nicht aus einem Rechteckprofil besteht, sondern bevorzugt aus einem Rundprofil. Dieses Rundprofil ist in zwei zueinander senkrechten Ebenen biegbar, nämlich sowohl in der X- als auch in der Y-Ebene, was bedeutet, dass es einerseits entlang der Biegekante 6 abgewinkelt werden kann und andererseits entlang der Drehachse 23 in Pfeilrichtung 22 verdreht werden kann.
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Es ergibt sich dann ein verdrehter Aufbau, wie es beispielsweise in 9 dargestellt ist, der noch zusätzlich entlang der Biegelinie 6 abgeknickt werden kann.
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Anstatt eines Rundprofils für das hier verwendete Dickkupfer-Profil nach den 8 und 9 kann auch eine andere in zwei zueinander senkrechten Ebenen biegbare Profilstruktur verwendet werden, wie z. B. auch ein Flachprofil, ein Mehrkantprofil, Ovalprofil oder dergleichen mehr.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mehrlagen-Leiterplatte
- 2
- Basis-Teil
- 3
- Segment-Teil
- 4
- Befestigungsbohrung
- 5
- Dickkupfer-Profil
- 6
- Biegelinie
- 7
- Pfeilrichtung
- 8
- Biegespalt
- 9
- Kerbkante
- 10
- Biegeabschnitt
- 11
- Materialabschnitt
- 12
- Leiterbahn
- 13
- Kontaktierungsbohrung
- 14
- Wärmeleitbohrung (Thermo-Via)
- 15
- Bauteil
- 16
- Biegewinkel
- 17
- Basismaterial
- 18
- Kerbprofil
- 19
- Kerbwinkel
- 20
- Kerblinie
- 21
- Aufbruch
- 22
- Pfeilrichtung
- 23
- Drehachse
- 24
- Materialschicht
- 25
- Materialschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/0076233 A1 [0003, 0006]
- DE 19634371 A1 [0009]
- DE 102006004321 A1 [0010, 0013, 0014]
