WO2017001108A1 - Schaltungsträger für eine elektronische schaltung und verfahren zum herstellen eines derartigen schaltungsträgers - Google Patents

Schaltungsträger für eine elektronische schaltung und verfahren zum herstellen eines derartigen schaltungsträgers Download PDF

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WO2017001108A1
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circuit carrier
heat sink
circuit
insulating
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Michael SCHÖWEL
Peter Helbig
József Székely
Sven Seifritz
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Osram Gmbh
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Definitions

  • Circuit carrier for an electronic circuit
  • the present invention relates to a circuit carrier for an electronic circuit comprising at least one
  • Conductor a first insulating material, with which the at least one conductor to form a
  • Conductor for connecting at least one electronic component of the electronic circuit is recessed, and providing a heat sink.
  • the problem addressed by the present invention is to provide a
  • Circuit board concept in which a thermally optimized connection of electronic components, such as LED chips, SMD components, electrical components, to an electrically isolated or potential-free heat sink arrangement within a given space is made possible.
  • Fig. 1 shows in this context the cross section through a structure using the example of the use of a circuit board.
  • the board can be, for example, an FR4 board, a metal core board or an A60 Retrofit board.
  • the printed circuit board material 10 represents a base carrier which is electrically insulated and on which the printed conductors 12a, 12b are applied on both sides in the example shown in FIG.
  • the upper trace 12a is for supporting the electronic components 14,
  • the lower trace 12b serves to dissipate heat generated by the electronic components 14 to one
  • the conductor tracks 12a, 12b are applied to the board material 10 by means of a deposition or etching process.
  • the surface of the board material 10 represents an insulator.
  • the conductor tracks 12a, 12b are connected by means of a
  • the cured insulating material 17 forms a matrix 16a, 16b.
  • the application of the insulating material 17 is
  • spacers For example for electrical insulation so-called spacers, ie spacers must be provided in the material 17, which are necessary to ensure electrical insulation.
  • thermal vias 20 electrically lined vias
  • metal core boards are used as the circuit board 10, they are to be melted for the purpose of heat transfer from the conductor track 12a to the conductor track 12b
  • the layer thickness is usually about 35 ym, significantly limited. This concept also suffers from a varying thickness of the insulating layers 16a, 16b, is expensive and thermally limited.
  • the insulating layers 16a, 16b are relatively thick
  • FIG. 2 shows a concept in which so-called lead frames, that is to say overmolded solid circuit carriers, are used.
  • leadframe is to be understood in particular as a solderable metallic conductor carrier in the form of a frame or comb for the mechanical production of semiconductor chips or other electronic components.
  • leadframe also refers to the shape of microchips produced with leadframes, ie the shapes with outstanding connections.
  • Leadframes are mounted on an insulating support or in a housing. If the contacts are mechanically fixed, as in the present case by the plastic matrix 16a, 16b, they can be separated from one another. Leadframes are punched, but can also be laser-cut.
  • the circuit carrier can be produced from a belt or a plate, for example by a water jet or laser, or non-chipping, for example by punching, and is produced by extrusion coating with the
  • the conductor tracks 22a, 22b are inherently rigid, that is, they carry themselves.
  • the conductor tracks 22a, 22b are, for example, produced by a stamping process from a metal sheet, as mentioned. In that shown in Fig. 2
  • Circuit concept run the tracks 22a, 22b in a vertical angle to each other, which offers the advantage that the width of such a circuit substrate, that is, the extent in the image plane from left to right, can be reduced at the expense of height, so that the volume of a circuit substrate formed therewith has the smallest possible edge length ,
  • the pipe framework is overmolded with the insulating material 17, in particular made of plastic, to form the matrix 16a, 16b.
  • the lines can be electrically separated, for example, by in
  • Stamping process formed dividers are interconnected.
  • the encapsulation with the insulating material 17 is carried out using an upper and a lower punch.
  • the leadframe material is used both for the conductor tracks 22a, 22b and as a cooling lug. It will be
  • the claimed installation space for a heat sink formed in this way can be kept relatively small. Since the heat dissipation via cooling lugs formed in this way is relatively limited, an additional dissipation of heat from the conductor tracks 22a, 22b through the insulating layers 16a, 16b is necessary, which is why they are made of a good thermal
  • the thickness of the insulating layers 16a, 16b is between 0.2 to 0.3 mm.
  • the object of the present invention is therefore to provide a circuit carrier mentioned in the introduction
  • the object further consists in providing a method for producing a corresponding circuit carrier.
  • a circuit carrier according to the invention comprises suitably designed and arranged spacers. Furthermore, a different insulating material than that of the insulating matrix is selected for the insulation layer between the conductor track and the heat sink.
  • the at least one conductor track is encapsulated with the first insulation material in such a way that the insulating matrix further eliminates at least one second area which is arranged between the conductor track and the heat sink.
  • the inventive circuit carrier further comprises a plurality of spacers, which is designed and arranged to a height of the second region between the
  • An inventive circuit carrier further comprises one of the first insulating material of the insulating matrix
  • the material thickness of the insulating matrix, in particular on the at least one conductor track is preferably between 0.2 mm and 0.4 mm. For the second area, however, becomes a second
  • Insulation material used for example a
  • the thickness of the second region can be set extremely thin, but on the one hand the thermal resistance of this layer is very low, on the other hand
  • the thickness of the second area is very precisely adjustable. Since both conductor track and heat sink are preferably metallic, are the
  • Circuit board which consumes significantly less space than the known from the prior art concepts. This also results in cost savings.
  • a circuit carrier according to the invention therefore offers reliable electrical isolation via spacers, an increased heat dissipation capacity as a result of better heat distribution due to thicker, for heat spreading more advantageous connection points, shorter heat conduction paths, less
  • the processing layer of the second insulating material to the heat sink that is, in particular the heat sink, which in a preferred embodiment electrically conductive, in particular aluminum, but also from others
  • the at least one conductor track is designed as a leadframe. This can all the benefits
  • the first insulating material has in the final state, which here represents the cured state, preferably one
  • the second insulation material has in the final state, ie after completion of the
  • Circuit carrier preferably a viscosity of at most 10 16 Pa * s, in particular of at most 10 14 Pa * s on.
  • viscosity of the materials used will vary over the life of the product
  • the Invention here means the period between completion of the circuit substrate and the end of the useful life under the given operating conditions.
  • the first insulation material is, for example
  • Plastic of the thermoplastic type into consideration, while as a second insulating material, for example, a thermal paste and / or a plantetkleber come into consideration, for example, phase exchange material and / or filled epoxies.
  • the first insulation material can in particular be chosen so that it has low adhesion forces to the conductor track 22, in particular lower adhesion forces than the second one
  • the first insulating material used for the insulating matrix is in particular technologically thicker than the second insulating material
  • the first insulating material is further selected so that it surrounds the circuit carrier by positive engagement and / or by frictional connection.
  • the spacers are formed as particles which are distributed in the second insulating material.
  • the height of the second area is
  • the conductor track can have passage openings, wherein the protrusions on the side of the conductor track facing the heat sink when spraying over these passage openings with the first insulation material of the insulating matrix represent the spacers.
  • the height of the second region can be adjusted in a particularly cost-effective manner since the particles for setting the height of the second region can be dispensed with.
  • circuit carrier further comprises the material for the insulating matrix and / or the material of the
  • At least one conductor track formed mounting aids in particular mounting and alignment aids for the
  • Circuit carrier comprises, in particular locking lugs, Centering holes, snap hooks, spacers, passer marks, stiffening ribs, probes and / or measuring points.
  • Circuit carrier for an electronic circuit for an electronic circuit.
  • At least one conductor track is first produced from a starting material by removing unneeded material. Subsequently, the at least one conductor track is encapsulated by means of a first insulation material to form an insulating matrix, wherein the encapsulation takes place such that at least a first region of the
  • At least one conductor track for connecting at least one electronic component of the electronic circuit
  • the step of extrusion-coating takes place in such a way that the insulating matrix further eliminates at least one second region, which is arranged between the conductor track and the heat sink.
  • the method further comprises the step of filling the second area with a second insulating material using
  • Spacers for adjusting a height of the second area between the track and the heat sink are provided.
  • the second insulation material may be characterized by a large adhesion force to the heat sink 18 and / or the
  • Conductor 22 in particular by a greater adhesive force than the first insulating material, distinguished.
  • the heat sink may also be formed by a vehicle chassis.
  • the step of producing the at least one conductor track from a starting material is carried out by cutting, in particular by a water jet or a laser, or non-cutting, in particular by punching.
  • the invention further relates to a light source
  • Vehicle lighting arrangement preferably one
  • Vehicle headlight with an inventive
  • FIG. 1 a schematic representation of a cross section
  • Fig. 2 is a schematic representation of a cross section
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a cross section
  • Fig. 4 is a schematic representation of a cross section
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a first
  • Circuit carrier This has a conductor track 22, which is designed in particular as a leadframe. In the conductor track 22 through openings and / or column 30 are provided, which during encapsulation of the conductor track with a first
  • Matrix 16 also be overmoulded while doing a
  • Projection 28 in particular also on the side of the conductor 22 form, which is to be coupled to a heat sink 18. This projection 28 may also extend below the conductor track 22 in order to ensure better form and / or adhesion.
  • Insulating material 17 are accordingly the areas 15, which is provided for the assembly of the electronic components 14, and 34 recessed at the bottom 32 of the conductor track 22. This is done by an appropriate training of
  • the height h2 of the matrix material 17, however, is between 0.2 mm and 0.4 mm.
  • the area 34 is then filled with a second insulating material 24, which
  • the in particular, may represent a thermal paste or a thermal adhesive.
  • the second insulation material 24 may be introduced between the projections 28, in particular by spraying and subsequent peeling. (The already hardened supernatants define the remaining height of the insulation layer from the second Insulating material 24, wherein then the heat sink 18 is placed).
  • the first insulating material 17, from which the matrix 16 is formed, has in the final state, the here
  • the second insulation material 24 preferably has a viscosity of at most 10 16 Pa * s, in particular of at most 10 14 Pa * s.
  • Such particles 36 are in particular formed from hexagonal boron nitride-coated silver spheres.
  • Insulating material 24 much slower than the first insulating material 17th

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltungsträger für eine elektronische Schaltung umfassend mindestens eine Leiterbahn (22); eine isolierende Matrix aus einem ersten Isolationsmaterial (17), mit dem die mindestens eine Leiterbahn (22) unter Aussparung zumindest eines ersten Bereiches (15) zum Anschließen mindestens eines elektronischen Bauteils(14) der elektronischen Schaltung umspritzt ist; sowie einen Kühlkörper (18); wobei die mindestens eine Leiterbahn (22) mit der ersten Isolationsmaterial (17) derart umspritzt ist, dass die isolierende Matrix (16) weiterhin mindestens einen zweiten Bereich (34) ausspart, der zwischen der Leiterbahn (22) und dem Kühlkörper (18) angeordnet ist, wobei der Schaltungsträger weiterhin eine Vielzahl von Distanzhaltern (28; 36) umfasst, die ausgelegt und angeordnet ist, um eine Höhe (h1) des zweiten Bereichs (34) zwischen der Leiterbahn (22) und dem Kühlkörper (18) einzustellen, wobei der Schaltungsträger weiterhin ein zweites Isolationsmaterial (24) umfasst, mit dem der zweite Bereich (34) ausgefüllt ist. Die Erfindung betrifft überdies ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Schaltungsträgers für eine elektronische Schaltung.

Description

Beschreibung
Schaltungsträger für eine elektronische Schaltung und
Verfahren zum Herstellen eines derartigen Schaltungsträgers
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltungsträger für eine elektronische Schaltung umfassend mindestens eine
Leiterbahn, ein erstes Isolationsmaterial, mit der die mindestens eine Leiterbahn unter Ausbildung einer
isolierenden Matrix und unter Aussparung zumindest eines ersten Bereichs zum Anschließen mindestens eines
elektronischen Bauteils der elektronischen Schaltung
umspritzt ist, sowie einen Kühlkörper. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsträgers für eine elektronische Schaltung, das folgende Schritte umfasst:
Erzeugen mindestens einer Leiterbahn aus einem
Ausgangsmaterial durch Beseitigen nicht benötigten Materials, Umspritzen der mindestens einen Leiterbahn mittels eines ersten Isolationsmaterials unter Ausbildung einer
isolierenden Matrix, wobei das Umspritzen derart erfolgt, dass zumindest ein erster Bereich der mindestens einen
Leiterbahn zum Anschließen mindestens eines elektronischen Bauteils der elektronischen Schaltung ausgespart wird, sowie Bereitstellen eines Kühlkörpers.
Die Problematik, mit der sich die vorliegende Erfindung beschäftigt, besteht in der Bereitstellung eines
Schaltungsträgerkonzepts, bei dem eine thermisch optimierte Anbindung von elektronischen Bauteilen, beispielsweise LED- Chips, SMD-Bauteile, elektrische Bauteile, an eine elektrisch isolierte beziehungsweise potenzialfreie Kühlkörperanordnung innerhalb eines gegebenen Bauraums ermöglicht wird.
Im Nachfolgenden werden für gleiche und gleich wirkende
Bauelemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Diese werden der Übersichtlichkeit halber nur einmal eingeführt. Um dieses Ziel zu erreichen, sind aus dem Stand der Technik mehrere Konzepte bekannt: Fig. 1 zeigt in diesem Zusammenhang den Querschnitt durch einen Aufbau am Beispiel der Verwendung einer Platine. Bei der Platine kann es sich beispielsweise um eine FR4-Platine, eine Metallkernplatine oder eine Platine vom Typ A60 Retrofit handeln. Das Platinenmaterial 10 stellt dabei einen Grundträger dar, der elektrisch isoliert ist und auf den die Leiterbahnen 12a, 12b, in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel beidseitig aufgebracht sind. Die obere Leiterbahn 12a dient zum Tragen der elektronischen Bauteile 14,
beispielsweise die bereits oben erwähnten LED-Chips, SMD- Bauteile und elektrischen Bauteile. Die untere Leiterbahn 12b dient insbesondere des Abtransports von Wärme, die von den elektronischen Bauteilen 14 erzeugt wurde, an einen
Kühlkörper 18.
Die Leiterbahnen 12a, 12b werden mittels eines Abscheid- oder Ätzprozesses auf das Platinenmaterial 10 aufgebracht. Die Oberfläche des Platinenmaterials 10 stellt einen Isolator dar. Die Leiterbahnen 12a, 12b sind mittels eines
isolierenden Materials 17, insbesondere aus Kunststoff, umspritzt, um einerseits eine elektrische Isolation
bereitzustellen und andererseits ein Abreißen bei Erwärmung einer Verbindung zwischen der Leiterbahn 12b und dem
Kühlkörper 18 aufgrund unterschiedlicher
Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verhindern. Das ausgehärtete Isolationsmaterial 17 bildet eine Matrix 16a, 16b.
Die Aufbringung des isolierenden Materials 17 ist
prozesstechnisch aufwendig, da beispielsweise zur elektrische Isolation so genannte Spacer, das heißt Abstandshalter im Material 17 vorgesehen werden müssen, die nötig sind, um die elektrische Isolation sicherzustellen. Unterschiedliche
Schichtdicken des Isolationsmaterials 17 führen zu
unerwünschten Schwankungen in der Wärmeableitung. Maßgeblich für die Wärmeableitung ist außerdem das Verhältnis aus Länge der Leiterbahn 12b zur Kontaktfläche mit dem Kühlkörper 18 (über die Isolationsschicht 16b) . Um eine gute Wärmeableitung sicherzustellen, werden deshalb die Leiterbahnen 12a, 12b senkrecht zur Bildebene relativ lang gemacht, was den für einen derartigen Schaltungsträger benötigten Bauraum in unerwünschter Weise relativ groß ausfallen lässt.
Um den Wärmeeintrag der Bauteile 14 auf die Leiterbahn 12a von dieser Leiterbahn 12a auf die Leiterbahn 12b zu
übertragen, sind so genannte thermische Vias 20 (elektrisch ausgekleidete Durchkontaktierungen) vorgesehen, deren
Herstellung aufwendig und damit teuer ist.
Werden Metallkernplatinen als Platine 10 verwendet, sind diese für eine Wärmeübertragung von der Leiterbahn 12a auf die Leiterbahn 12b aufzuschmelzen beziehungsweise
aufzuschweißen, beispielsweise durch Laserdurchschweißen. Wegen der benötigten Dielektrikumseigenschaften bzw.
Prozessierfähigkeit wird die Materialauswahl für das
Platinenmaterial 10 begrenzt, ebenso die Dicke des
Kühlkörpers 18.
Zusammenfassend ist die von den Bauteilen 14 abführbare
Leistung durch die dünnen Vias 20 und dünnen Leiterbahnen 12a, 12b, deren Schichtdicke üblicherweise ca. 35 ym beträgt, deutlich begrenzt. Dieses Konzept leidet weiterhin unter einer schwankenden Dicke der Isolationsschichten 16a, 16b, ist teuer und thermisch begrenzt.
Die Isolationsschichten 16a, 16b sind relativ dick,
typischerweise mit einer Dicke von 0,2 bis 0,3 mm,
auszubilden, da sonst, falls sich die verhältnismäßig
flexible Platine 10 durchbiegt, die Isolation lokal
durchbrochen werden könnte. Insbesondere ist die
Isolationsschicht 16b deshalb relativ dick auszubilden, da sich die Platine 10 bei Erwärmung anders ausdehnt als der Kühlkörper 18. Die Isolationsschicht 16b wird wegen dieser unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten geschert. Damit die Isolationsschicht 16b durch diese Scherung nicht reißt, ist eine Mindestdicke vorzusehen. Nachteilig ist, dass der Scherwinkel sehr groß ist, da die Oberfläche der Platine 10 nicht metallisch ist, während die Oberfläche des Kühlkörpers 18 metallisch ist. Fig. 2 zeigt ein Konzept, bei dem so genannte Leadframes, das heißt umspritzte Massivschaltungsträger, verwendet werden. Unter der Bezeichnung Leadframe ist insbesondere ein lötbarer metallischer Leitungsträger in Form eines Rahmens oder Kamms zur maschinellen Herstellung von Halbleiterchips oder anderen elektronischen Komponenten zu verstehen. Die einzelnen
Kontakte, die so genannten Leads, sind noch miteinander verbunden, und die Frames der einzelnen Produkte sind
ebenfalls miteinander verbunden und werden aufgerollt
geliefert. Daneben bezeichnet Leadframe auch die Form der mit Leadframes produzierten Mikrochips, also die Formen mit herausragenden Anschlüssen.
Leadframes werden auf einem isolierenden Träger oder in einem Gehäuse montiert. Sind die Kontakte mechanisch fixiert, wie vorliegend durch die Kunststoffmatrix 16a, 16b, können sie voneinander getrennt werden. Leadframes werden gestanzt, können aber auch lasergeschnitten sein.
Insbesondere kann der Schaltungsträger aus einem Band oder einer Platte spanend, beispielsweise durch einen Wasserstrahl oder Laser, oder nichtspanend, beispielsweise durch Stanzen, hergestellt werden und wird durch Umspritzung mit dem
Isolationsmaterial 17 zur Ausbildung der Matrix 16a, 16b und mechanische Auftrennung der elektrischen Kontakte zur
logischen Schaltung, welche über die elektrisch isolierende Matrix 16a, 16b in Form gehalten wird. Durch Rippen kann die Steifigkeit weiter erhöht werden.
Dabei sind die Leiterbahnen 22a, 22b eigensteif, das heißt sie tragen sich selbst. Die Leiterbahnen 22a, 22b werden beispielsweise, wie erwähnt, durch einen Stanzprozess aus einem Blech hergestellt. In dem in Fig. 2 dargestellten
Schaltungskonzept verlaufen die Leiterbahnen 22a, 22b in einem senkrechten Winkel zueinander, was den Vorteil bietet, dass sich die Breite eines derartigen Schaltungsträgers, das heißt die Erstreckung in der Bildebene von links nach rechts, auf Kosten der Höhe reduzieren lässt, so dass das Volumen eines damit gebildeten Schaltungsträgers eine möglichst geringe Kantenlänge aufweist.
Das Leitungsgerüst wird mit dem Isolationsmaterial 17, insbesondere aus Kunststoff, unter Bildung der Matrix 16a, 16b, umspritzt. Nach dem Umspritzen können die Leitungen elektrisch getrennt werden, die beispielsweise durch im
Stanzprozess ausgebildete Trennstege miteinander verbunden sind. Das Umspritzen mit dem Isolationsmaterial 17 erfolgt unter Verwendung eines Ober- und eines Unterstempels.
Das Leadframe-Material wird sowohl für die Leiterbahnen 22a, 22b verwendet als auch als Kühlfahne. Dabei werden
beispielsweise Blechstreifen des Ausgangsmaterials gefaltet, da die Wärmeableitung der Oberfläche proportional ist.
Dadurch kann der beanspruchte Bauraum für einen derart gebildeten Kühlkörper relativ klein gehalten werden. Da die Wärmeableitung über derart gebildete Kühlfahnen relativ begrenzt ist, ist eine zusätzliche Abfuhr von Wärme von den Leiterbahnen 22a, 22b durch die Isolationsschichten 16a, 16b hindurch nötig, weshalb diese aus einem gut thermisch
leitenden und damit leider teurem Material herzustellen sind. Überdies ergeben sich bei diesem Konzept beachtliche
Materialverluste infolge der Abwicklung, das heißt das ausgestanzte, nicht benötigte Material schlägt sich negativ auf der Kostenseite nieder.
Auch hier beträgt die Dicke der Isolationsschichten 16a, 16b zwischen 0,2 bis 0,3 mm. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen eingangs genannten Schaltungsträger derart
weiterzubilden, dass eine verbesserte Wärmeabfuhr ermöglicht wird, sodass der benötigte Bauraum gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Konzepten weiter verringert werden kann bzw. bei gegebenem Bauraum elektronische Bauteile höherer Leistungsklassen betrieben werden können. Die Aufgabe besteht weiterhin darin, ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Schaltungsträgers bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden gelöst durch einen Schaltungsträger mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 11.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe gelöst werden kann, indem das zwischen der Leiterbahn und dem Kühlkörper vorgesehene Isolationsmaterial zum einen als sehr dünne Schicht vorgesehen wird, zum anderen mit sehr guten Wärmeleitungseigenschaften gewählt wird. Um die Dicke dieser Isolationsschicht präzise einzustellen, umfasst ein erfindungsgemäßer Schaltungsträger entsprechend ausgelegte und angeordnete Distanzhalter. Weiterhin wird für die Isolationsschicht zwischen Leiterbahn und Kühlkörper ein anderes Isolationsmaterial gewählt als das der isolierenden Matrix .
Bei einem erfindungsgemäßen Schaltungsträger ist daher die mindestens eine Leiterbahn mit dem ersten Isolationsmaterial derart umspritzt, dass die isolierende Matrix weiterhin mindestens einen zweiten Bereich ausspart, der zwischen der Leiterbahn und dem Kühlkörper angeordnet ist. Ein
erfindungsgemäßer Schaltungsträger umfasst weiterhin eine Vielzahl von Distanzhaltern, die ausgelegt und angeordnet ist, um eine Höhe des zweiten Bereichs zwischen der
Leiterbahn und dem Kühlkörper einzustellen. Dabei umfasst ein erfindungsgemäßer Schaltungsträger weiterhin ein von dem ersten Isolationsmaterial der isolierenden Matrix
verschiedenes zweites Isolationsmaterial, mit dem der zweite Bereich ausgefüllt ist.
Demnach wird weiterhin die isolierende Matrix, die vom
Material her kostengünstig ist, zur Bereitstellung der nötigen Eigensteifigkeit und der elektrischen Isolation der Oberseite der Leiterbahn verwendet. Die Materialstärke der isolierenden Matrix, insbesondere auf der mindestens einen Leiterbahn, beträgt bevorzugt zwischen 0,2 mm und 0,4 mm. Für den zweiten Bereich wird jedoch ein zweites
Isolationsmaterial verwendet, beispielsweise eine
Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitkleber, das allerdings teuer ist, jedoch einen um Größenordnungen besseren Wärmeleitwert als die isolierende Matrix hat. Dadurch, dass über die
Distanzhalter die Dicke des zweiten Bereichs extrem dünn eingestellt werden kann, ist jedoch einerseits der thermische Widerstand dieser Schicht sehr gering, andererseits der
Verbrauch an dem zweiten Isolationsmaterial ebenfalls äußerst gering .
Aufgrund dessen, dass der zweite Bereich eine sehr geringe Höhe aufweist, ergibt sich überdies eine sehr gute
Wärmeverteilung sowie ein sehr kurzer Wärmeleitpfad. Durch die Verwendung der Distanzhalter ist die Dicke des zweiten Bereichs sehr präzise einstellbar. Da sowohl Leiterbahn als auch Kühlkörper bevorzugt metallisch sind, sind die
Wärmeausdehnungskoeffizienten der das zweite
Isolationsmaterial an gegenüberliegenden Seiten umgebenden Materialien sehr ähnlich, sodass die Gefahr eines Abreißens des zweiten Isolationsmaterials aufgrund von Scherwirkung quasi eliminiert ist. Die hervorragende Wärmeübertragung zwischen Leiterbahn und Kühlkörper ermöglicht eine kurze Ausbildung der Leiterbahnen, d.h. die benötigte Fläche kann klein gehalten werden, und resultiert in einem
Schaltungsträger, der deutlich weniger Bauraum beansprucht als die aus dem Stand der Technik bekannten Konzepte. Dies resultiert überdies in preislichen Einsparmöglichkeiten.
Alternativ können mit einem erfindungsgemäßen
Schaltungsträger aufgrund der höheren thermischen
Leistungsfähigkeit elektronische Bauteile mit deutlich höherer Verlustleistung, d.h. höherer Leistungsklassen, betrieben werden, als dies im Stand der Technik der Fall war. Ein erfindungsgemäßer Schaltungsträger bietet daher eine sichere elektrische Isolation über Distanzhalter, eine erhöhte Wärmeabfuhrkapazität infolge besserer Wärmeverteilung aufgrund dickerer, für die Wärmespreizung vorteilhafterer Anbindungsstellen, kürzerer Wärmeleitpfade, weniger
Materialübergänge, höherer Querschnitte, flächenmäßig
größerer Kontakte über die mit einer größeren Dicke als bisher homogen erreichbare und damit leichter zu
prozessierende Schicht des zweiten Isolationsmaterials zur Wärmesenke, das heißt insbesondere dem Kühlkörper, welcher in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel elektrisch leitend, insbesondere aus Aluminium, jedoch auch aus anderen
Materialien und unterschiedlichen Dicken bestehen kann und auch elektrisch neutral ausgebildet sein kann. Infolge der Teile- und Prozessreduktion ergeben sich deutliche
Kostenvorteile gegenüber dem Stand der Technik.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers ist die mindestens eine Leiterbahn als Leadframe ausgebildet. Damit können all die Vorteile
umgesetzt werden, die aus dem Bereich der Leadframes bekannt sind. Alternativ kann die Leiterbahn auch mit Bedrahtung ausgeführt werden. Das erste Isolationsmaterial weist im Endzustand, der hier den ausgehärteten Zustand darstellt, bevorzugt eine
Viskosität von mindestens 1018 Pa*s, insbesondere von
mindestens 1022 Pa*s auf, um dem Schaltungsträger die nötige Stabilität bereitzustellen. Das zweite Isolationsmaterial weist im Endzustand, d.h. nach Fertigstellung des
Schaltungsträgers, bevorzugt eine Viskosität von maximal 1016 Pa*s, insbesondere von maximal 1014 Pa*s auf. Wie für den Fachmann offensichtlich ändert sich die Viskosität der verwendeten Materialien im Laufe der Lebensdauer des
Schaltungsträgers. "Endzustand" im Sinne der vorliegenden
Erfindung bedeutet hier den Zeitraum zwischen Fertigstellung des Schaltungsträgers und dem Ende der Nutzlebensdauer unter den gegebenen Betriebsbedingungen. Als erstes Isolationsmaterial kommt beispielsweise ein
Kunststoff vom Typ Thermoplast in Betracht, während als zweites Isolationsmaterial beispielsweise eine Wärmeleitpaste und/oder ein Wärmeleitkleberin Betracht kommt, beispielsweise Phasechangematerial und/oder gefüllte Epoxide. Das erste Isolationsmaterial kann insbesondere so gewählt werden, das es geringe Adhäsionskräfte zur Leiterbahn 22 aufweist, insbesondere geringere Adhäsionskräfte als das zweite
Isolationsmaterial. Das erste Isolationsmaterial, das für die isolierende Matrix verwendet wird, ist gegenüber dem zweiten Isolationsmaterial insbesondere technologisch dicker
dispensierbar. Das erste Isolationsmaterial ist weiterhin so gewählt, dass es den Schaltungsträger durch Formschluss und/oder durch Kraftschluss umgibt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Distanzhalter als Partikel ausgebildet, die im zweiten Isolationsmaterial verteilt sind. Die Höhe des zweiten Bereichs beträgt
bevorzugt zwischen 20 ym und 200 ym, weshalb die genannten Partikel eine entsprechende Größe aufweisen.
Bevorzugt kann die Leiterbahn Durchgangsöffnungen aufweisen, wobei die sich beim Überspritzen dieser Durchgangsöffnungen mit dem ersten Isolationsmaterial der isolierenden Matrix ergebenden Überstände auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite der Leiterbahn die Distanzhalter darstellen. Damit lässt sich die Höhe des zweiten Bereichs auf besonders kostengünstige Weise einstellen, da auf die Partikel zur Einstellung der Höhe des zweiten Bereichs verzichtet werden kann .
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Schaltungsträger weiterhin aus dem Material für die isolierende Matrix und/oder aus dem Material der
mindestens einen Leiterbahn gebildete Befestigungshilfen, insbesondere Montage- und Ausrichthilfen für den
Schaltungsträger umfasst, insbesondere Rastnasen, Zentrieröffnungen, Schnapphaken, Abstandshalter, Passer- Marken, Versteifungsrippen, Messfühler und/oder Messpunkte.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die
Spannungsdifferenz zwischen Leiterbahn und Kühlkörper 19 V. Dies definiert die Mindesthöhe des zweiten Bereichs.
Die mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Schaltungsträger vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren
Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines
Schaltungsträgers für eine elektronische Schaltung.
Bei diesem wird zunächst mindestens eine Leiterbahn aus einem Ausgangsmaterial durch Beseitigen nicht benötigten Materials erzeugt. Anschließend wird die mindestens eine Leiterbahn mittels eines ersten Isolationsmaterials unter Ausbildung einer isolierenden Matrix umspritzt, wobei das Umspritzen derart erfolgt, dass zumindest ein erster Bereich der
mindestens einen Leiterbahn zum Anschließen mindestens eines elektronischen Bauteils der elektronischen Schaltung
ausgespart wird. Überdies wird ein Kühlkörper bereitgestellt. Erfindungsgemäß erfolgt der Schritt des Umspritzens derart, dass die isolierende Matrix weiterhin mindestens einen zweiten Bereich ausspart, der zwischen der Leiterbahn und dem Kühlkörper angeordnet ist. Das Verfahren umfasst weiterhin den Schritt des Ausfüllens des zweiten Bereichs mit einem zweiten Isolationsmaterial unter Verwendung von
Distanzhaltern zum Einstellen einer Höhe des zweiten Bereichs zwischen der Leiterbahn und dem Kühlkörper.
Das zweite Isolationsmaterial kann sich durch eine große Adhäsionskraft gegenüber dem Kühlkörper 18 und/oder der
Leiterbahn 22, insbesondere durch eine größere Adhäsionskraft als das erste Isolationsmaterial, auszeichnen.
Der Kühlkörper kann auch durch ein Fahrzeugchassis gebildet sein . Bevorzugt erfolgt der Schritt des Erzeugens der mindestens einen Leiterbahn aus einem Ausgangsmaterial spanend, insbesondere durch einen Wasserstrahl oder einen Laser, oder nichtspanend, insbesondere durch Stanzen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Lichtquelle,
insbesondere eine Lichtquelle für eine
Fahrzeugbeleuchtungsanordnung, bevorzugt einen
Fahrzeugscheinwerfer, mit einem erfindungsgemäßen
Schaltungsträger .
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen .
Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Querschnitt
durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes
Schaltungsträgerkonzept unter Verwendung Platine ;
Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Querschnitt
durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes
Schaltungsträgerkonzept unter Verwendung Leadframes ;
Fig. 3 in schematischer Darstellung einen Querschnitt
durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Schaltungsträgers; und
Fig. 4 in schematischer Darstellung einen Querschnitt
durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers . Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Schaltungsträgers. Dieser weist eine Leiterbahn 22 auf, die insbesondere als Leadframe ausgebildet ist. In der Leiterbahn 22 sind Durchgangsöffnungen und/oder Spalte 30 vorgesehen, die beim Umspritzen der Leiterbahn mit einem ersten
Isolationsmaterial 17 zur Ausbildung einer isolierenden
Matrix 16 ebenfalls umspritzt werden und dabei einen
Überstand 28 insbesondere auch an der Seite der Leiterbahn 22 bilden, die mit einem Kühlkörper 18 gekoppelt werden soll. Dieser Überstand 28 kann sich auch unter die Leiterbahn 22 erstrecken, um einen besseren Form- und/oder Kraftschluss zu gewährleisten. Beim Umspritzen mit dem ersten
Isolationsmaterial 17 werden demnach die Bereiche 15, der für die Montage der elektronischen Bauteile 14 vorgesehen ist, und 34 an der Unterseite 32 der Leiterbahn 22 ausgespart. Dies erfolgt durch eine entsprechende Ausbildung des
Spritzwerkzeugs . Durch Vorsehen entsprechender Durchgangsöffnungen und/oder Spalte 30 entlang der Leiterbahn 22, das heißt in Richtung senkrecht zur Bildebene, werden eine Vielzahl von derartigen als Distanzhalter wirkende Überstände 28 erzeugt. Wird nun ein Kühlkörper 18 auf die Vielzahl der Überstände 28 gelegt, ergibt sich ein Bereich 34, der eine Höhe hl
aufweist, welche zwischen 20 ym und 200 ym beträgt. Die Höhe h2 des Matrixmaterials 17 hingegen beträgt zwischen 0,2 mm und 0,4 mm. Der Bereich 34 wird anschließend mit einem zweiten Isolationsmaterial 24 ausgefüllt, welches
insbesondere eine Wärmeleitpaste oder einen Wärmeleitkleber darstellen kann.
Alternativ kann vor dem Aufsetzen des Kühlkörpers das zweite Isolationsmaterial 24 zwischen die Überstände 28 eingebracht werden, insbesondere durch Aufspritzen und anschließendes Abziehen. (Die bereits ausgehärteten Überstände definieren die verbleibende Höhe der Isolationsschicht aus dem zweiten Isolationsmaterial 24, wobei anschließend der Kühlkörper 18 aufgesetzt wird) .
Das erste Isolationsmaterial 17, aus dem die Matrix 16 gebildet ist, weist im Endzustand, der hier den
ausgehärteten Zustand darstellt, bevorzugt eine Viskosität von mindestens 1018 Pa*s, insbesondere von mindestens 1022 Pa*s auf, um dem Schaltungsträger die nötige Stabilität bereitzustellen. Das zweite Isolationsmaterial 24 weist im Endzustand, d.h. nach Fertigstellung des Schaltungsträgers, bevorzugt eine Viskosität von maximal 1016 Pa*s, insbesondere von maximal 1014 Pa*s auf.
In der Darstellung von Fig. 3 ist nur ein Teil des jeweiligen elektrischen Kontaktes der elektrischen Bauteile 14 zur
Leiterbahn eingezeichnet. Der Abgang wurde aufgrund der
Spiegelsymmetrie nicht eingezeichnet.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind anstelle der durch das Umspritzen der Durchgangsöffnungen und/oder Spalte 30 gebildeten Überstände 28 Partikel 36 im zweiten Isolationsmaterial 24 vorgesehen, deren Durchmesser die Höhe hl der aus dem zweiten Isolationsmaterial 24
gebildeten Isolationsschicht definiert. Derartige Partikel 36 sind insbesondere gebildet aus hexagonalen Bornitrid- ummantelten Silberkugeln.
In bevorzugten Ausführungsformen härtet das zweite
Isolationsmaterial 24 sehr viel langsamer aus als das erste Isolationsmaterial 17.

Claims

Schaltungsträger für eine elektronische Schaltung
umfassend:
mindestens eine Leiterbahn (22) ;
ein erstes Isolationsmaterial (17) , mit der die mindestens eine Leiterbahn (22) unter Ausbildung einer isolierenden Matrix (16) und unter Aussparung zumindest eines ersten Bereiches (15) zum Anschließen mindestens eines elektronischen Bauteils (14) der elektronischen Schaltung umspritzt ist; sowie
einen Kühlkörper (18) ;
dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens eine Leiterbahn (22) mit dem ersten Isolationsmaterial (17) derart umspritzt ist, dass die isolierende Matrix (16) weiterhin mindestens einen zweiten Bereich (34) ausspart, der zwischen der Leiterbahn (22) und dem Kühlkörper (18) angeordnet ist,
wobei der Schaltungsträger weiterhin eine Vielzahl von Distanzhaltern (28; 36) umfasst, die ausgelegt und angeordnet ist, um eine Höhe (hl) des zweiten Bereichs (34) zwischen der Leiterbahn (22) und dem Kühlkörper (18) einzustellen,
wobei der Schaltungsträger weiterhin ein zweites
Isolationsmaterial (24) umfasst, mit dem der zweite
Bereich (34) ausgefüllt ist.
Schaltungsträger nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens eine Leiterbahn (22) als Leadframe ausgebildet ist.
Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Isolationsmaterial (17) im Endzustand eine höhere Viskosität aufweist als das zweite
Isolationsmaterial (24) im Endzustand, wobei das erste Isolationsmaterial (17) im Endzustand bevorzugt eine Viskosität von mindestens 1018 Pa*s, insbesondere von mindestens 1022 Pa*s aufweist, wobei das zweite
Isolationsmaterial (24) im Endzustand bevorzugt eine Viskosität von maximal 1016 Pa*s, insbesondere von maximal 1014 Pa*s aufweist.
Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Isolationsmaterial (17) vom zweiten
Isolationsmaterial (24) verschieden ist, oder das das erste Isolationsmaterial (17) gleich dem zweiten
Isolationsmaterial (24) ist.
Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Distanzhalter als Partikel (36) ausgebildet sind, die im zweiten Isolationsmaterial (24) verteilt sind.
Schaltungsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Höhe (hl) des zweiten Bereichs (34) 20 μιη bis 200 μιη beträgt.
Schaltungsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Leiterbahn (22) Durchgangsöffnungen (30)
aufweist, wobei sich beim Überspritzen dieser
Durchgangsöffnungen (30) mit dem Material der isolierenden Matrix ergebende Überstände (28) auf der dem Kühlkörper (18) zugewandten Seite der Leiterbahn (22) die
Distanzhalter darstellen.
Schaltungsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Schaltungsträger weiterhin aus dem ersten
Isolationsmaterial (17) und/oder aus dem Material der mindestens einen Leiterbahn (22) gebildete Befestigungs¬ hilfen, insbesondere Montage- und Ausrichthilfen, für den Schaltungsträger umfasst, insbesondere Rastnasen,
Zentrieröffnungen, Schnapphaken, Abstandshalter, Passer- Marken, Versteifungsrippen, Messfühler und/oder
Messpunkte .
9. Schaltungsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlkörper (18) elektrisch leitend ist.
Schaltungsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Materialstärke (h2) der isolierenden Matrix, insbesondere auf der mindestens Leiterbahn (22) , zwischen 0,2 mm und 0,4 mm beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsträgers für eine elektronische Schaltung, folgende Schritte umfassend:
a) Erzeugen mindestens einer Leiterbahn (22) aus einem
Ausgangsmaterial durch Beseitigen nicht benötigten Materials ;
b) Umspritzen der mindestens einen Leiterbahn (22) mittels eines ersten Isolationsmaterials (17) unter Ausbildung einer isolierenden Matrix (16), wobei das Umspritzen derart erfolgt, dass zumindest ein erster Bereich (15) der mindestens einen Leiterbahn (22) zum Anschließen mindestens eines elektronischen Bauteils (14) der elektronischen Schaltung ausgespart wird; sowie c) Bereitstellen eines Kühlkörpers (18) ;
dadurch gekennzeichnet,
dass Schritt b) derart erfolgt, dass die isolierende
Matrix (16) weiterhin mindestens einen zweiten Bereich (34) ausspart, der zwischen der Leiterbahn (22) und dem Kühlkörper (18) angeordnet ist;
wobei das Verfahren weiterhin folgenden Schritt umfasst: d) Ausfüllen des zweiten Bereichs (34) mit einem zweiten Isolationsmaterial (24) unter Verwendung von
Distanzhaltern (28; 36) zum Einstellen einer Höhe (hl) des zweiten Bereichs (34) zwischen der Leiterbahn (22) und dem Kühlkörper (18) .
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Schritt a) die Leiterbahn (22) spanend,
insbesondere durch einen Wasserstrahl oder einen Laser, oder nichtspanend, insbesondere durch Stanzen, erzeugt wird .
13. Lichtquelle, insbesondere Fahrzeugscheinwerfer, mit einem Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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