DE102016115692A1

DE102016115692A1 - Thermisch effiziente elektrische Anordnung

Info

Publication number: DE102016115692A1
Application number: DE102016115692.2A
Authority: DE
Inventors: Peng Zhu; Steven Eric DEAN; Jean-Francois Roy
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Parlex Pacific Ltd Hong Kong Cn
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2017-03-02
Also published as: JP2017069547A; CN106488686B; CN106488686A; JP6931276B2; US20170062688A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermisch effiziente elektrische Anordnung, umfassend: eine elektrisch leitende Schicht; eine Wärmesenkenschicht; eine elektrisch isolierende Verbindungsschicht, die zwischen die elektrisch leitende Schicht und die Wärmesenkenschicht geschaltet ist; ein elektrisches Bauelement, das mit der elektrisch leitenden Schicht in elektrischer Verbindung steht; und eine metallische Wärmebrücke, die mit dem elektrischen Bauelement in thermischer Verbindung steht und sich mit der Wärmesenkenschicht in direktem Kontakt befindet, wodurch die elektrisch isolierende Schicht umgangen wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Vorliegende Erfindung betrifft eine thermisch effiziente Anordnung zum Optimieren des Wärmetransports oder der Wärmeableitung von einem elektrischen Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung eine thermisch effiziente flexible Schaltung und weiter bevorzugt ein Beleuchtungselement, das eine solche thermisch effiziente flexible Schaltung enthält.
Wärme, die von elektrischen Bauelementen generiert wird, kann sich negativ auf deren Nützlichkeit auswirken und kann insbesondere die Leistung und Lebensdauer dieser Bauelemente beeinflussen. Es sind Bauelemente in Entwicklung, die an sich effizienter sind, um überschüssige Wärme zu reduzieren, wobei der technologische Fortschritt, der solche Verbesserungen ermöglicht, gleichzeitig zur Entwicklung von Bauelementen führt, die kleiner und dabei leistungsfähiger sind.
Ein solches Beispiel ist eine Leuchtdiode oder LED. Zu Beginn ihrer Entwicklung waren LEDs leistungsschwach und daher in vielen Situation nur von begrenztem Nutzen, wenngleich LEDs den Vorteil hatten, dass sie wesentlich energieeffizienter waren als vergleichbare Glühbirnen. Die LED-Technologie hat sich jedoch so weit verbessert, dass LEDs Glühbirnen oder andere Lichtquellen in leistungsstarken Anwendungen wie Flutlichtanlagen und Scheinwerfergruppen von Fahrzeugen inzwischen ersetzen können. Verbesserungen der Leuchtkraft von LEDs führen jedoch dazu, dass mehr überschüssige Wärme erzeugt wird, die wirksam abgeführt werden muss, um die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit der Bauelemente zu unterstützen.
Viele Anwendungen erfordern eine Montage von LEDs oder anderen wärmeerzeugenden elektrischen Bauelementen direkt auf Leiterplatten. Aus diesem Grund ist es üblich, dass an diesen Leiterplatten oder in direktem Kontakt mit diesen Leiterplatten Wärmesenken vorgesehen sind. Jedoch kann die Konstruktion von Leiterplatten auch zu einer schlechten Wärmeableitung beitragen, da normalerweise ein Klebstoff verwendet wird, um Schichten der Leiterplatte zu verbinden.
Der Klebstoff sorgt für eine elektrische Isolierung zwischen den Schichten der Leiterplatte. Dies ist insbesondere notwendig, wenn die Leiterplatte in Verbindung mit einer Wärmesenke verwendet wird, da es wichtig ist, einen Kurzschluss von elektrischen Schaltkreisen durch die in der Regel metallische Wärmesenke zu vermeiden. Andererseits ist Klebstoff im Vergleich zu anderen Materialien ein schlechter Wärmeleiter und wirkt daher gegebenenfalls teilweise als thermischer Isolator.
Aus diesem Grund bedarf es einer thermisch effizienten Ausbildung einer Leiterplatte, um überschüssige Wärme von elektrischen Bauelementen abzuführen und dadurch die Bauelemente effizienter und langlebiger zu machen.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, die vorgenannten Probleme durch die Implementierung einer thermisch effizienten elektrischen Anordnung zu beseitigen oder zumindest abzumildern.
ÜBERSICHT
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine thermisch effiziente elektrische Anordnung angegeben, umfassend: eine elektrische leitende Schicht; eine Wärmesenkenschicht; eine elektrisch isolierende Verbindungsschicht, die zwischen die elektrisch leitende Schicht und die Wärmesenkenschicht geschaltet ist; ein elektrisches Bauelement, das mit der elektrisch leitenden Schicht in elektrischer Verbindung steht; und eine metallische Wärmebrücke, die mit dem elektrischen Bauelement in thermischer Verbindung steht und sich mit der Wärmesenkenschicht in direktem Kontakt befindet, wodurch die elektrisch isolierende Verbindungsschicht umgangen wird.
Vorzugsweise sorgt Erfindung für einen effizienten Wärmepfad von dem elektrischen Bauelement durch ein zwischengeschaltetes Material zu der Wärmesenkenschicht. Der Wärmetransport wird dadurch optimiert, so dass das elektrische Bauelement lange Zeit effizient arbeiten kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die elektrisch isolierende Verbindungsschicht eine elektrisch isolierende Klebstoffschicht sein. Eine solche Schicht kann die Haftung zwischen der elektrisch leitenden Schicht und der Wärmesenke fördern.
Vorzugsweise kann die Wärmesenkenschicht eine obere und eine untere Wärmesenken-Teilschicht umfassen, wobei die obere Wärmesenken-Teilschicht mit der elektrisch leitenden Schicht verbunden ist. Da die Wärmesenkenschicht in diesem Fall aus mehreren Teilschichten gebildet ist, können die Eigenschaften jeder Teilschicht geändert werden, um die Wärmetransporteigenschaften zu optimieren.
Die obere Wärmesenken-Teilschicht kann in vorteilhafter Weise Kupfer umfassen, da Kupfer ein sehr guter Wärmeleiter ist. Ferner verfügt es über Eigenschaften, die problemlose und starke Verbindungen zwischen sich und anderen Metallen wie beispielsweise Lötmetall ermöglichen.
Ein weiterer Vorteil lässt sich erzielen, indem die untere Wärmesenken-Teilschicht Aluminium umfasst. Auch Aluminium ist ein äußerst effektiver Wärmestrahler und außerdem ein guter Leiter und damit sehr gut geeignet, um einen Bereich der Wärmesenke zu bilden. Hinzu kommt, dass Aluminium leicht ist, womit eine zu große Masse der Wärmesenke vermieden wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die elektrisch leitende Schicht zusätzlich mit einer Substratschicht verbunden sein.
Eine Substratschicht kann der Anordnung zusätzlich Festigkeit und/oder Flexibilität verleihen. Sie kann auch als eine weitere elektrisch isolierende Schicht wirken und eine elektrische Leitung durch die Leiterplatte verhindern.
In nutzbringender Weise kann die Substratschicht Polyimid enthalten. Polyimide verfügen über eine gute Festigkeit und Flexibilität und können flammhemmende Eigenschaften besitzen. Außerdem sind sie chemisch stabil und darüber hinaus elektrisch isolierend. Jede dieser Eigenschaften ist für eine Leiterplattenanordnung nutzbringend.
Vorzugsweise kann die metallische Wärmebrücke ein Lötmittel enthalten. Ein Lötmittel lässt sich problemlos auftragen, kann gut Wärme leiten und haftet gut an anderen Metallen, zum Beispiel an Kupfer. Aus diesem Grund eignet sich ein Lötmittel sehr gut als Wärmebrücke. Gleichwohl können je nach Bedarf auch andere geeignete Materialien in Erwägung gezogen werden.
Noch mehr bevorzugt kann die metallische Wärmebrücke ein Lötniet sein. In diesem Fall kann eine Vernietung mit Lötmittel die Wärmeleitung zwischen den Bauelementen vergrößern, indem die Kontaktfläche vergrößert wird.
In einer wünschenswerten Anordnung kann das elektrische Bauelement ein Wärmeleitpad sein, wobei sich die metallische Wärmebrücke sowohl mit dem Wärmeleitpad als auch mit der Wärmesenkenschicht direkt in Kontakt befindet.
Ein Wärmeleitpad schafft einen elektrisch isolierten Bereich des Bauelements für den Wärmetransport. Durch eine dann direkte Verbindung dieses Bereichs mit der Wärmesenkenschicht lässt sich eine effizientere Wärmeführung nutzen.
Alternativ kann die thermisch effiziente elektrische Anordnung ferner ein metallisches Element umfassen, das von dem elektrischen Bauelement elektrisch isoliert ist und mit dem elektrischen Bauelement in thermischer Verbindung steht, wobei sich die metallische Wärmebrücke mit dem metallischen Element sowie mit der Wärmesenkenschicht in direktem Kontakt befindet.
Ein elektrisch isoliertes metallisches Element kann für eine thermische Verankerung von Bauelementen ohne spezielle Wärmeleitpads sorgen. Es kann deshalb für einen guten Wärmepfad von diesem metallischen Element gesorgt werden.
Vorzugsweise kann das metallische Element ein Kupferelement sein, während die Wärmebrücke direkt mit einer negativen Elektrode des elektrischen Bauteils in Verbindung stehen kann. Diese letztere Anordnung kann verwendet werden, um für den oder einen optimalen Wärmeweg zu sorgen, wenn es nicht notwendig ist, dass die Wärmesenke vollständig elektrisch isoliert ist. Wenn sich die Wärmesenke zum Beispiel nicht mit weiteren Bauelementen in Kontakt befindet und für einen Benutzer nicht zugänglich ist, ist eine Isolierung gegebenenfalls nicht notwendig.
Vorzugsweise kann das elektrische Bauelement eine Leuchtdiode sein. In vorteilhafter Weise wandelt die Leuchtdiode typisch 60% bis 95% der elektrischen Energie in Wärme um, wobei ihre Wärmeableitungseigenschaften dennoch unzureichend sind, um die Temperatur wirksam zu mäßigen. Deshalb sind Leuchtdioden normalerweise auf Wärmesenken angewiesen, damit für die notwendigen Wärmetransporteigenschaften gesorgt wird. Aus diesem Grund ist diese Anordnung besonders wirksam, wenn sie bei einem solchen Bauelement verwendet wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine thermisch effiziente flexible Schaltung angegeben, umfassend: eine elektrisch leitende Schicht, die Teil einer flexiblen Leiterplatte mit einem flexiblen Substrat ist; eine Wärmesenkenschicht; eine elektrisch isolierende Verbindungsschicht, die zwischen die elektrisch leitende Schicht und die Wärmesenkenschicht geschaltet ist; ein elektrisches Bauelement, das mit der elektrisch leitenden Schicht in elektrischer Verbindung steht; und eine metallische Wärmebrücke, die mit dem elektrischen Bauelement in thermischer Verbindung steht und sich mit der Wärmesenkenschicht in direktem Kontakt befindet, wodurch die elektrisch isolierende Verbindungsschicht umgangen wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Beleuchtungselement angegeben, das eine thermisch effiziente flexible Schaltung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung enthält, wobei das Beleuchtungselement eine Leuchtdiode ist.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren angegeben zum Bewirken eines effizienten Wärmetransports von einem elektrischen Bauteil zu einer Wärmesenke, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a] das Vorsehen eines elektrischen Bauelements, das mit einer elektrisch leitenden Schicht in elektrischer Verbindung steht, und einer Wärmesenkenschicht, wobei dazwischen eine elektrisch isolierende Verbindungsschicht vorgesehen wird; und b] das thermische Verbinden des elektrischen Bauelements und der Wärmesenkenschicht mit einer metallischen Wärmebrücke, die mit dem elektrischen Bauelement in thermischer Verbindung steht und sich mit der Wärmesenkenschicht in direktem Kontakt befindet, wodurch die elektrisch isolierende Verbindungsschicht umgangen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigt:
1 eine erste Ausführungsform einer thermisch effizienten elektrischen Anordnung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung;
2 eine zweite Ausführungsform einer thermisch effizienten elektrischen Anordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ohne eine Substratschicht;
3 eine dritte Ausführungsform einer thermisch effizienten elektrischen Anordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung mit einem metallischen Element und einem Lötniet;
4 eine vierte Ausführungsform einer thermisch effizienten elektrischen Anordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei der Lötniet mit einer negativen Elektrode des elektrischen Bauelements verbunden ist.
DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird zunächst auf 1 der Zeichnungen Bezug genommen, in der eine erste Ausführungsform der thermisch effizienten elektrischen Anordnung 100 gemäß vorliegender Erfindung dargestellt ist. Es ist ein Querschnitt durch eine Leiterplattenanordnung 102 gezeigt, um die Beziehung zwischen einem elektrischen Bauteil 104, welches in diesem Fall eine Leuchtdiode bzw. LED 106 ist, und einer Wärmesenkenschicht 108 im Detail zu zeigen.
In dieser Ausführungsform ist die LED 106 über zwei Elektroden 110 an einer elektrisch leitenden Schicht 112 befestigt, welche einer Kupferschiene oder ein anderes derartiges Material sein kann, das elektrischen Strom leiten kann, wie zum Beispiel Silber. Die Befestigung der LED wird durch Lötmittelverbinder 114 erzielt. Die elektrisch leitende Schicht 112 selbst ist an einer flexiblen Substratschicht 116 montiert, zum Beispiel an einer Polyimidfolie. Diese Befestigung lässt sich in vorteilhafter Weise durch die Verwendung einer elektrisch isolierenden Klebstoffschicht 118a erreichen. Der Klebstoff 118a ist vorzugsweise ein elektrisch isolierender oder hoch resistiver Klebstoff, um eine elektrische Leitung von der elektrisch leitenden Schicht 112 zu der flexiblen Substratschicht 116 zu verhindern oder einzuschränken. Zwar wird bevorzugt eine elektrisch isolierende Klebstoffschicht 118a verwendet, doch könnte stattdessen auch eine andere elektrisch isolierende oder resistive Verbindungsschicht verwendet werden. Diese flexible Substratschicht 116 verleiht der elektrisch leitenden Schicht 112 zusätzliche Festigkeit, während die gesamte Anordnung 100 dennoch biegsam ist, sofern notwendig. Damit kann die vorliegende Ausführungsform dort eingesetzt werden, wo sich die elektrische Anordnung 100 flexibel an die Form einer Einhausung anpassen muss, zum Beispiel an ein Scheinwerfergehäuse.
Vorliegend ist eine flexible Anordnung beschrieben, gleichwohl kann die vorliegende Erfindung auch in Verbindung mit einer nicht flexiblen Schaltung verwendet werden. Solche nicht flexiblen Schaltungen können Substratschichten auf Siliziumbasis umfassen, glasverstärkte Epoxidlaminate wie beispielsweise FR4 oder andere Schichten, die begrenzt flexibel oder nicht flexibel sind. Das beanspruchte Erfindungskonzept wird von einem solchen Merkmal jedoch nicht beeinflusst.
Eine weitere Klebstoffschicht 118b ist zwischen der flexiblen Substratschicht 116 und der Wärmesenkenschicht 108 angeordnet. Die Wärmesenkenschicht 108 selbst umfasst eine obere und eine untere Wärmesenken-Teilschicht 120a, 120b. Die obere Wärmesenken-Teilschicht 120a in der vorliegenden Ausführungsform ist vorzugsweise aus Kupfer gebildet. Kupfer hat den Vorteil einer Bindung mit Lötmittel. Die entsprechenden Vorteile werden nachstehend erläutert. Die untere Wärmesenken-Teilschicht 120b kann in nutzbringender Weise aus Aluminium gebildet sein, das nicht nur leicht ist, sondern auch thermische Energie gut leitet. Darüber hinaus ist Aluminium weniger teuer als Kupfer. Die obere und die untere Wärmesenken-Teilschichten 120a, 120b können beispielsweise zusammen heißgewalzt werden.
Anstelle der Materialkombinationen, die in dieser Ausführungsform beschrieben wurden, können jedoch auch andere Materialkombinationen verwendet werden. Ähnlich ist es möglich, eine Wärmesenkenschicht vorzusehen, die nur durch eine Schicht gebildet wird, wobei diese Schicht aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen Material bestehen könnte, welches für eine angemessene Wärmeübertragung geeignet ist.
Die LED 106 enthält auch ein Wärmeleitpad 122, das von den Elektroden 110 der LED 106 elektrisch isoliert ist. Dieses Wärmeleitpad 122 ist in dieser Ausführungsform über eine metallische Wärmebrücke 124 direkt mit der Wärmesenkenschicht 108 und insbesondere mit der oberen Wärmesenken-Teilschicht 120a verbunden. Diese metallische Wärmebrücke 124 ist eine Lotsäule 126. Solchermaßen wird für einen direkten metallischen Wärmepfad zur Übertragung oder Leitung von Wärme direkt von dem elektrischen Bauelement 104 zu der Wärmesenkenschicht 108 gesorgt.
In vorteilhafter Weise ist das Wärmeleitpad 122 aus Kupfer gebildet. Kupfer ist nutzbringend für die Konstruktion, da es ein äußerst fähiger Wärmeleiter ist und eine starke Verbindung mit dem Lötmittel bildet. Es wird daher kein Zwischenmaterial benötigt, um die Wärmebrücke 124 mit dem Wärmeleitpad 122 und der Wärmesenkenschicht 108 zu verbinden.
In dieser Ausführungsform stellt die Verwendung eines elektrisch isolierten Wärmeleitpads 122 sicher, dass die Wärmesenkenschicht 108 von der LED 106 elektrisch isoliert bleibt. Dadurch muss die Wärmesenkenschicht 108 nicht von einem umliegenden Gehäuse oder einer anderen Befestigung isoliert werden, und das Risiko eines Stromschlags durch den Kontakt mit der Wärmesenke wird deutlich reduziert. Ferner ist das Wärmeleitpad 122 für eine maximale Wärmeableitung von der LED 106 speziell positioniert und ausgelegt, wodurch die Wirksamkeit der Anordnung sichergestellt wird.
Auf Bereichen der elektrisch leitenden Schicht 112 kann es vorteilhaft sein, ein Coverlay (eine Abdeckfolie) 128 anzubringen, das (die) eine schützende Überschicht ist und eine Schutzebene für darunterliegende Schichten bildet. Das Coverlay 128 kann aus Polyimid, Polyester oder aus einem anderen geeigneten Material gebildet sein und kann mit Klebstoff an der elektrisch leitenden Schicht 112 befestigt sein. Das Coverlay 128 bildet einen flexiblen Schutz für die anderen Schichten, so dass sich die Leiterplattenanordnung 102 biegen kann, sofern dies erwünscht ist. Das Coverlay 128 und der Klebstoff 118c können zum Beispiel dort, wo es notwendig ist, auf die Oberfläche aufgepresst werden. Als Alternative kann anstelle des Coverlay 128 ein Lötstopplack verwendet werden.
Es ist auch möglich, Bereiche der flexiblen Leiterplattenanordnung 102 lokal zu versteifen, indem eine Versteifung 130 aufgebracht wird. Die Versteifung 130 kann aus Materialen wie FR4, Polyimid oder Polyester gebildet sein, wobei die Dicke normalerweise 0,050 mm bis 2,400 mm beträgt. Zum Verbinden der Versteifung 130 mit den anderen Schichten der Anordnung 102 kann wiederum der Klebstoff 118d verwendet werden. Das Versteifen von Bereichen der Anordnung 102 fördert die Festigkeitseigenschaften, sofern notwendig, wodurch die Langlebigkeit der Konstruktion insbesondere in einer rauen Arbeitsumgebung verbessert wird.
Im Vergleich zu der Versteifung 130 können die flexible Substratschicht 116 und das Coverlay 128 mit einer Dicke von 0,012 mm bis 0,125 mm gemeinsam hergestellt werden. Die Dicke des Klebstoffes 118a–d kann ähnlich von 0,012 mm bis 0,050 mm reichen. Diese Dickenbereiche sind lediglich Referenzangaben und typisch für eine solche Schaltung, schränken die Erfindung jedoch nicht auf die Verwendung von diesen Schichtdicken ein.
Auf diese Weise wird durch die vorstehend beschriebene Ausführung der thermisch effizienten elektrischen Anordnung 100 ein Pfad für die Übertragung oder Leitung von Wärmeenergie von dem elektrischen Bauelement 104 zu der Wärmesenkenschicht 108 bereitgestellt. Bei bekannten Anordnungen ist es üblich, dass die Wärme stattdessen durch jede der Teilschichten hindurch von dem Bauelement 104 zu der Wärmesenkenschicht 108 abgeführt wird. Viele dieser Schichten, wie zum Beispiel jene, die als Klebstoff 118a–d oder in der flexiblen Substratschicht 116 verwendet werden, tendieren dazu, Wärme innerhalb einer Materialebene schneller zu leiten als durch die Schicht hindurch zu den darunterliegenden Schichten. Indem man diesen ineffizienten Wärmepfad durch eine effizientere Wärmebrücke 124 ersetzt, die diese Schichten umgeht, lässt sich der Abtransport der Wärme von dem elektrischen Bauteil 104 beschleunigen, was für den Betrieb bzw. die Funktion des Bauelements 104 und der Schaltung gleichermaßen nutzbringend ist.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer thermisch effizienten elektrischen Anordnung 200, wobei die Anordnung 200 vereinfacht wurde. Ähnliche oder gleiche Merkmale in dieser und in weiteren Ausführungsformen werden der Kürze halber nicht mehr eigens erläutert.
Das elektrische Bauelement 204, welches wiederum als eine LED 206 dargestellt ist, ist ähnlich durch eine metallische Wärmebrücke 224 mit der Wärmesenkenschicht 208 verbunden. Die Höhe der Wärmebrücke 224 ist jedoch geringer als die in der ersten Ausführungsform, da die flexible Substratschicht entfällt. Aus diesem Grund sind die Schichten der elektrischen Anordnung 200 in dieser zweiter Ausführungsform auf die elektrisch leitende Schicht 212 beschränkt, die mit Klebstoff 218c und einem Coverlay 228 überdeckt ist und mit einer Klebstoffschicht 218a mit der Wärmesenkenschicht 208 verbunden ist. Wo es notwendig ist, kann die Versteifung 230 ebenfalls mit einem Klebstoff 218d aufgebracht werden.
Die flexible Substratschicht kann entfallen, wenn die dadurch bereitgestellte zusätzliche Festigkeit nicht notwendig ist und die elektrisch leitende Schicht 212 und das Coverlay 228 ausreichen, um für eine ausreichende Festigkeit und auch Flexibilität der thermisch effizienten elektrischen Anordnung 200 zu sorgen.
Jedoch kann der Wärmetransport zwischen der LED 206 und der Wärmesenkenschicht 208 wegen der reduzierten Dicke der elektrischen Anordnung 200 und der damit verbundenen geringeren Höhe der Wärmebrücke 224 im Vergleich zu der Ausführungsform von 1 größer sein.
In 3 ist eine dritte Ausführungsform einer thermisch effizienten elektrischen Anordnung 300 gezeigt, wobei das dargestellte elektrische Bauelement 304 kein Wärmeleitpad enthält. Die elektrische Anordnung 300 hat eine elektrisch leitende Schicht 312, auf welcher das elektrische Bauelement 304 befestigt ist. Ein elektrisch isoliertes metallisches Element 332, das in dieser Ausführungsform ebenfalls aus Kupfer besteht, ist angrenzend an die elektrisch leitende Schicht 312, jedoch getrennt von derselben gebildet. Auch an dieser Stelle werden Elemente, die gleich oder ähnlich sind wie die Elemente in der ersten und in der zweiten Ausführungsform, nicht mehr gesondert erläutert.
Das metallische Element 332, das elektrisch isoliert ist, ist mit der elektrisch leitenden Schicht 312 und damit mit dem elektrischen Bauelement 304 thermisch gekoppelt. Eine Wärmebrücke 324, die in diesem Fall durch einen Lötniet 334 gebildet wird, sorgt für eine direkte metallische Verbindung zwischen dem metallischen Element 332 und der Wärmesenkenschicht 308. Dadurch verläuft die Wärmebrücke 324 durch die zwischengeschaltete flexible Substratschicht 316 und die Klebstoffschichten 318a, 318b und sorgt somit für eine Umgehung der Wärmesenkenschicht 308.
Das metallische Element 332 ist durch ein Thermoelement 336 mit der elektrisch leitenden Schicht 312 thermisch gekoppelt. Das Thermoelement 336 ist dadurch aus einem Abschnitt des Coverlay 328 gebildet, könnte jedoch auch auf andere Weise und aus einem anderen Material gebildet sein, welches thermisch leitende und elektrisch isolierende Eigenschaften bietet. Da der Abstand, den das Thermoelement 328 überspannt, kleiner ist als der Abstand zwischen dem elektrischen Bauelement 304 und der Wärmesenkenschicht 308, ist der Widerstand gegen einen thermisch effizienten Wärmetransport begrenzt. Dadurch ist diese dritte Ausführungsform der thermisch effizienten elektrischen Anordnung 300 immer noch eine Verbesserung gegenüber bekannten Anordnungen.
Die thermisch effiziente Anordnung 400 gemäß der vierten Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, ist größtenteils ähnlich wie die Ausführungsform in 3, jedoch fehlen ein metallisches Element oder ein Thermoelement, weshalb auch keine Isolierung zwischen der Wärmebrücke 424 und der Wärmesenkenschicht 408 vorhanden ist. Der Wärmeleitwiderstand ist aus diesem Grund geringer als in der dritten Ausführungsform. Auch hier werden Elemente, die gleich oder ähnlich sind wie die Elemente in den vorhergehenden Ausführungsformen, der Kürze halber nicht mehr gesondert erläutert.
Die Wärmebrücke 424 ist vorzugsweise an der negativen Elektrode 410a des elektrischen Bauelements 404 befestigt und unterliegt daher einer geringeren Spannung als jene an der positiven Elektrode 410b. Da jedoch die Wärmebrücke 424 als solche verbunden ist, kann die Wärmesenkenschicht 408 ebenfalls einer erhöhten Spannung unterliegen.
Diese Anordnung kann in nutzbringender Weise thermisch effizienter sein als die dritte Ausführungsform, was auf das fehlende Thermoelement 336 zurückzuführen ist. Da aber die Wärmesenkenschicht 408 und die Wärmebrücke 424 mit der elektrisch leitenden Schicht 412 elektrisch verbunden sind, sollten sie bei Benutzung von anderen Bereichen einer Anordnung 400 vorzugsweise elektrisch isoliert sein. In einem Fahrzeug zum Beispiel sollten sie von dem Scheinwerfergehäuse elektrisch isoliert sein, um einen Stromschlag zu verhindern, falls jemand versehentlich mit dem Gehäuse in Kontakt kommt.
Die vorstehenden Ausführungsformen wurden am Beispiel einer LED beschrieben, doch können in Verbindung mit der thermisch effizienten elektrischen Anordnung auch andere elektrische Bauelemente verwendet werden. Die Anordnung ist äußerst nutzbringend, wenn sie bei elektrischen Bauelementen zum Einsatz kommt, die wie LEDs, Transformatoren oder andere derartige Bauelemente eine hohe Wärmeleistung haben, wobei die nutzbringenden Wirkungen auch bei anderen elektrischen Bauteilen gegeben ist, die Wärme an eine Schaltung abgeben.
Ferner liegt kein Grund vor, aus welchem die offenbarte Erfindung nur bei flexiblen Schaltungen zur Anwendung kommen sollte. Die Vorteile der Anordnung ergeben sich auch bei nicht flexiblen Schaltungen. Der einzige Unterschied liegt in den Schichten, die Bestandteil der Leiterplatte sind, wobei die flexible Substratschicht zum Beispiel durch eine nicht flexible Substratschicht ersetzt werden könnte. Das der Wärmebrücke zugrundeliegende Konzept, das die Zwischenschichten der Leiterplatte umgeht, kann gleichbleiben. In vorteilhafter Weise kann eine Substratschicht dielektrisch sein, um für bessere elektrische Isoliereigenschaften zu sorgen.
Es ist daher möglich, eine thermisch effiziente elektrische Anordnung bereitzustellen, die eine metallische Wärmebrücke aufweist, die für eine gute Wärmeleitung zwischen einem elektrische Bauelement und einer Wärmesenkenschicht sorgt, wobei die metallische Wärmebrücke intervenierende Schichten umgeht.
Die Begriffe ”umfassen/umfassend” und die Begriffe ”aufweisen/enthalten”, die in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden, geben an, dass genannte Merkmale, ganze Zahlen, Schritte oder Komponenten vorhanden sind, ohne auszuschließen, dass auch ein oder mehrere weitere Merkmale, ganze Zahlen, Schritte oder Komponenten oder Gruppen derselben vorhanden sind.
Bestimmte Merkmale der Erfindung, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in separaten Ausführungsformen beschrieben wurden, können ebenso in einer einzigen Ausführungsform kombiniert sein. Umgekehrt können verschiedene Merkmale der Erfindung, die der Kürze halber in einer einzigen Ausführungsform beschrieben wurden, ebenso getrennt oder in geeigneten Unterkombinationen vorgesehen sein.
Die vorstehenden Ausführungsformen sind lediglich Beispiele. Wie der Fachmann erkennen wird, sind innerhalb des Rahmens der Erfindung verschiedene Modifikationen möglich.

Claims

Thermisch effiziente elektrische Anordnung (100), umfassend: eine elektrisch leitende Schicht (112) und eine Wärmesenkenschicht (108), dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch effiziente elektrische Anordnung ferner umfasst: eine elektrisch isolierende Verbindungsschicht, die zwischen die elektrisch leitende Schicht und die Wärmesenkenschicht geschaltet ist; ein elektrisches Bauelement (104), das mit der elektrisch leitenden Schicht in elektrischer Verbindung steht; und eine metallische Wärmebrücke (124), die mit dem elektrischen Bauelement in thermischer Verbindung steht und sich mit der Wärmesenkenschicht in direktem Kontakt befindet, wodurch die elektrisch isolierende Verbindungsschicht umgangen wird.
Thermisch effiziente elektrische Anordnung nach Anspruch 1, wobei die elektrisch isolierende Verbindungsschicht eine elektrisch isolierende Klebstoffschicht (118a, 118b, 118c, 118d) ist.
Thermisch effiziente elektrische Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Wärmesenkenschicht eine obere und eine untere Wärmesenken-Teilschicht (120a, 120b) umfasst und wobei die obere Wärmesenken-Teilschicht mit der elektrisch leitenden Schicht verbunden ist.
Thermisch effiziente elektrische Anordnung nach Anspruch 3, wobei die obere Wärmesenken-Teilschicht Kupfer umfasst.
Thermisch effiziente elektrische Anordnung nach Anspruch 3, wobei die untere Wärmesenken-Teilschicht Aluminium umfasst.
Thermisch effiziente elektrische Anordnung nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitende Schicht zusätzlich mit einer Substratschicht verbunden ist.
Thermisch effiziente elektrische Anordnung nach Anspruch 6, wobei die Substratschicht Polyimid enthält.
Thermisch effiziente elektrische Anordnung nach Anspruch 1, wobei die metallische Wärmebrücke ein Lötmittel enthält.
Thermisch effiziente elektrische Anordnung nach Anspruch 8, wobei die metallische Wärmebrücke ein Lötniet ist.
Thermisch effiziente elektrische Anordnung nach Anspruch 1, wobei das elektrische Bauelement ein Wärmeleitpad enthält und wobei sich die metallische Wärmebrücke mit dem Wärmeleitpad wie auch mit der Wärmesenkenschicht in direktem Kontakt befindet.
Thermisch effiziente elektrische Anordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein metallisches Element, das von dem elektrischen Bauteil isoliert ist und mit demselben in thermischer Verbindung steht, wobei sich die metallische Wärmebrücke mit dem metallischen Element und mit der Wärmesenkenschicht in direktem Kontakt befindet.
Thermisch effiziente elektrische Anordnung nach Anspruch 11, wobei das metallische Element ein Kupferelement ist.
Thermisch effiziente elektrische Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Wärmebrücke direkt mit einer negativen Elektrode des elektrischen Bauelements (104) verbunden ist.
Thermisch effiziente elektrische Anordnung nach Anspruch 1, wobei das elektrische Bauelement eine Leuchtdiode ist.
Verfahren zum Bewirken eines effizienten Wärmetransports von einem elektrischen Bauelement zu einer Wärmesenke, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a] das Bereitstellen eines elektrischen Bauelements, das mit einer elektrisch leitenden Schicht elektrisch in Verbindung steht, und einer Wärmesenkenschicht, wobei dazwischen eine elektrisch isolierende verbindenden Klebstoffschicht vorgesehen wird; und b] das thermische Verbinden des elektrischen Bauelements und der Wärmesenkenschicht mit einer metallischen Wärmebrücke, die mit dem elektrischen Bauelement in thermischer Verbindung steht und sich mit der Wärmesenkenschicht in direktem Kontakt befindet, wodurch die elektrisch isolierende Verbindungsschicht umgangen wird.