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Die Erfindung betrifft eine Mehrlagen-Leiterplatte mit wärmeleitendem Element nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Mit der
EP 1 980 142 B1 wird eine multifunktionelle Leiterplatte mit einem zusätzlichen wärmeleitenden, funktionellen Element genannt, wobei dieses Element mit der einen Seite eines Durchsteigelochs thermisch gut leitend verbunden ist und die andere Seite auf der Bestückungsrückseite thermisch gut leitend mit einem flächigen, thermisch gut leitenden Element verbunden ist. Das funktionelle Element wird mittels Ultraschall bzw. mittels Reibschweißen stückweise flächig auf eine Kupferfolie mit einer intermetallischen Verbindung befestigt. Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist jedoch, dass keine laterale Wärmeleitfunktion vorhanden ist, welche die Abwärme einer auf der Mehrlagenleiterplatte montierten Kühlvorrichtung abgibt.
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Mit dem Gegenstand der
DE 10 2013 220 951 A1 ist eine Mehrlagen-Leiterplatte bekannt geworden, bei der im Leiterplattenverbund ein wärmeleitendes Element integriert ist. Dieses wärmeleitende Element wird als Wärmesenke bezeichnet und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als ein Draht oder ein Blech mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet.
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Eine solche Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass die Mehrlagen-Leiterplatte keine voneinander abwinkelbaren Segmente aufweist und es daher nicht möglich ist, eine Wärmequelle und eine Wärmesenke auf den verschiedenen Segmenten einer Mehrlagen-Leiterplatte anzuordnen, wobei diese Segmente voneinander in ihrer Lage abgewinkelt werden können.
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Bei der
DE 10 2006 004 321 A1 sind im oberen Bereich der Leiterplattenstruktur biegbare Profilabschnitte angeordnet, wodurch eine Biegbarkeit der gesamten Leiterplatte möglich ist. Im Hinblick auf die Dicke des dort verwendeten Kupfermaterials wird jedoch keine selbsttragende Funktion erreicht, 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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Der Erfindung liegt deshalb ausgehend die Aufgabe zugrunde, die Verbindung zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke so weiterzubilden, dass die beiden genannten Teile (Wärmesenke und Wärmequelle) auf unterschiedlichen Sektionen einer abwinkelbaren Mehrlagen-Leiterplatte angeordnet werden können.
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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 auf einer segmentierten und durch verschiedene Segmente voneinander abgeteilte Mehrlagen-Leiterplatte jeweils auf dem einen Segment eine Wärmequelle und/oder Wärmesenke und auf dem anderen Segment wiederum eine Wärmesenke und/oder eine Wärmequelle anzuordnen und die beiden thermisch wirkenden Teile durch ein Dickkupfer-Profil wärmeleitend miteinander zu verbinden, wobei das Dickkupfer-Profil den Biegespalt zwischen den segmentierten Leiterplattenabschnitten überbrückt und wärmeleitend wirkt.
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Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich nun erstmals der Vorteil, dass mit der Verwendung eines im Mehrlagenaufbau integrierten Dickkupfer-Profils es möglich ist, die einzelnen Segmente bleibend und mit einer vorgegebenen Winkelstellung voneinander abzuwinkeln, um so verschiedene Leiterplattensegmente zu bilden, die einen räumlichen Aufbau ergeben.
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Es besteht ein Bedürfnis für die Ausbildung von räumlich ausgestalteten Leiterplatten, z. B. in der Beleuchtungsindustrie. Hierbei ist es besonders wichtig, dass die LED-Beleuchtungselemente auf abgewinkelten Leiterplattenstrukturen angeordnet sind und die Basisstruktur beispielsweise an einer Befestigungsfläche befestigt wird. Auf diese Weise können dreidimensionale Leiterplattenstrukturen erzeugt werden, wobei das große Problem bisher darin bestand, dass es nicht möglich war, bei einer derartigen dreidimensionalen Leiterplattenstruktur die Wärmesenke in ausreichender Weise mit der Wärmequelle wärmeleitend zu verbinden.
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Hier setzt die Erfindung ein, die ein Dickkupfer-Profil vorsieht, welches gleichzeitig zur Wärmeleitung eine bleibende Biegbarkeit zwischen den einzelnen voneinander abgewinkelten Leiterplattensegmenten aufweist.
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In einer dritten Aufgabenstellung kann noch zusätzlich vorgesehen sein, dass dieses Dickkupfer-Profil noch zusätzliche stromführende Aufgaben übernimmt, d. h. auch elektrisch in den Leiterplattenaufbau und in die Verschaltung der einzelnen Leiterbahnen mit integriert ist.
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Auf diese Weise wird dem erfindungsgemäßen Dickkupfer-Profil eine dreifache Aufgabe zugeordnet, was bisher nicht bekannt war. Selbstverständlich können sich bei der Mehrlagen-Leiterplatte auch noch andere, schwächer dimensionierte Leiterbahnen erstrecken, die nur der elektrischen Verschaltung dienen, durch die Biegekante hindurch und werden von dem einen Leiterplattensegment in das andere Leiterplattensegment stromführend geführt.
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Das relevante Dickkupferelement weist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Dicke von zumindest 500 μm und eine Breite vom zumindest 500 μm und eine Länge von z. B. 10 bis 100 mm auf.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Mehrzahl an Dickkupferelementen auf unterschiedlichen Innen- und/oder Außen-Lagen der Leiterplatte angeordnet. Ferner können zwei oder mehrere Dickkupferelemente nebeneinander auf der gleichen oder auf unterschiedlichen Lagen angeordnet sein.
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Ebenso ist es möglich, dass das zumindest ein Dickkupferelement verwendet wird, welches durch Freilegung von der oberen oder unteren oder von beiden Seiten der Leiterplatte selbsttragend abgewinkelt ausgebildet ist. Durch die Freilegung des Dickkupferelements wird eine gute thermische Ein- oder Auskopplung erreicht.
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Bevorzugt ist das Dickkupferelement stromführend ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Dickkupferelement von oben und/oder von unten mittels Thermovias bzw. Sacklochbohrung bzw. Microvias (allg. Wärmeleitbohrung) mit Außenlagenkupferstrukturen thermisch gut leitend verbunden, so dass die elektrischen bzw. elektronischen Komponenten und Kühlvorrichtungen thermisch gut leitend kontaktiert werden können.
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Es ist hierbei möglich, dass die Thermovias bzw. Sacklochbohrung bzw. Microvias thermisch gut leitend, jedoch elektrisch isolierend ausgebildet sind.
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Die Kühlvorrichtung (= Wärmesenke) kann beispielsweise aus mindestens einem Wärmerohr (Heattube bzw. Heatpipe) bestehen, wobei das Wärmerohr direkt mit dem Dickkupferelement durch einen Löten- oder Schweißen- oder Klebvorgang verbunden ist.
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Wichtig bei allen Ausführungsformen ist, dass je nach dem Raumbedarf und je nach der Wärmeabstrahlcharakteristik es nun erstmals möglich ist, die Wärmesenken und die Wärmequellen auf unterschiedlichen Ebenen einer Leiterplatte anzuordnen. Die eine Ebene ist hierbei bevorzugt abgewinkelt zur anderen Ebene angeordnet.
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Zum Einen können damit eventuelle Einbauschwierigkeiten überwunden werden, und zum Anderen kann die Wärmeabgabe optimiert werden, weil es nun erstmals möglich ist, die Wärmesenke optimal in einem Gehäuse anzuordnen, um eine optimierte Wärmeabgabe zu erzielen, ohne dass auf einschränkende Gehäuseabmessungen oder Einbaubedingungen Rücksicht genommen werden muss.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass es nun erstmals möglich ist mit dreidimensional verformten Mehrlagen-Leiterplatten auch zusätzliche elektrische Bauteile an abgewinkelten Segmenten einer Mehrlagen-Leiterplatte anzuordnen, wobei wiederum hiermit erreicht wird, dass auf beschränkte Einbaubedingungen keine Rücksicht mehr genommen zu werden muss.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass das wärmeleitende Element nunmehr aus einem Dickkupfer-Profil besteht, welches erstmals in der Lage ist, eine Wärmeleitung von der Wärmequelle zur Wärmesenke zu gewährleisten.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Dickkupfer-Profil mit einer Dicke von etwa mehr als 500 μm, einer Breite von 0,5 bis 20 mm und einer Länge von z. B. 10 bis 100 mm.
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Es ist im Übrigen nicht lösungsnotwendig, das Dickkupfer-Profil glatt auszubilden. Es kann auch in gewisser Weise oberflächenprofiliert sein, wobei es bevorzugt wird, dass in der Längsachse des Dickkupfer-Profils parallel nebeneinander angeordnete Rillen, Nuten oder andere, die Oberfläche erhöhenden Strukturen enthalten sind.
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Diese Oberflächen erhöhenden Strukturen haben den Vorteil einer besseren Verankerung in der Kunststoffstruktur der Mehrlagen-Leiterplatte, erhöhen aber gleichzeitig auch noch die Wärme abgebende Oberfläche des Dickkupfer-Profils, so dass dieses nicht nur entlang seiner Längsachse die Wärme transportiert, sondern darüber hinaus während des Wärmetransports auch die Wärme senkrecht zu seiner Oberflächenerstreckung nach oben und unten abgibt.
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Im Prinzip handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Dickkuper-Profil um einen in Längsrichtung im Leiterplattenverbund der Mehrlagen-Leiterplatte verlegten Kühlkörper, der darüber hinaus verfügbar ist.
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Hierbei wird es bevorzugt, wenn das Dickkupfer-Profil plastisch und bleibend verformbar ist, so dass die einmal aus der Mehrlagen-Leiterplatte abgebogenen Segmente, die winkelförmig zur Ebene der Basisleiterplatte stehen, in dieser abgewinkelten Stellung verbleiben, ohne dass es weiterer Montage- und Befestigungsmittel bedarf, wobei jedoch derartige Hilfsmittel zusätzlich verwendbar sind.
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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 lediglich einen Ausführungsweg 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 nicht segmentierte Mehrlagen-Leiterplatte
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2: ein Schnitt durch die Mehrlagen-Leiterplatte nach 1
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3. der Schnitt durch die Mehrlagen-Leiterplatte in einem abgewinkelten Zustand in einer ersten Ausführungsform
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4: der Schnitt durch die Mehrlagen-Leiterplatte in einer zweiten Ausführungsform
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5: ein Schnitt durch die Mehrlagen-Leiterplatte im Bereich der Biegekante mit Ansicht des Leiterplattensegmentes, auf dem die Wärmequellen angeordnet sind
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6: der Schnitt in entgegengesetzter Richtung der Biegekante auf auf das Leiterplattensegment, in dem die Wärmesenken angeordnet sind.
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7: eine gegenüber dem vorher genannten Ausführungsbeispiel abgewandelte Ausführungsform, bei der sich ergibt, dass nicht nur Wärmesenken und Wärmequellen auf abgewinkelten Abschnitten einer Mehrlagen-Leiterplatte angeordnet sein können, sondern auch noch zusätzliche elektrische Verbindungselemente
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In der Ausgestaltung nach 1 ist eine noch nicht verformte Mehrlagen-Leiterplatte 1 dargestellt, wie sie einem üblichen Herstellungsprozess unterworfen wird. Vorteil hierbei ist, dass während dieses Herstellungsprozesses eine Abwinklung noch nicht gegeben ist, so dass die Mehrlagen-Leiterplatte in beliebiger Weise hergestellt und bestückt werden kann.
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Sie besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus zwei voneinander abwinkelbaren Leiterplattensegmenten 2, 3, die über eine Biegekante 8 winklig miteinander verbunden sind.
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Die Biegekante 8 kann hierbei durch eine, sich über die Breite der Mehrlagen-Leiterplatte erstreckende Fräsnut 15 gebildet werden, so dass eine längs der Biegekante 8 erfolgte Materialschwächung im Basismaterial der Mehrlagen-Leiterplatte stattfindet, um eine Biegung gemäß 3 zu erzielen.
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Die Abwinklung des einen Leiterplattensegments 3 zu dem anderen Leiterplattensegment 2 erfolgt also im Bereich der Biegekante 8 um einen Biegewinkel 11, der vorzugsweise im Bereich zwischen 0 und 150° liegen kann.
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Wichtig ist nun, dass auf dem einen Leiterplattensegment 2 wahlweise entweder eine Wärmequelle 4 oder eine Wärmesenke 7 angeordnet sein kann und auf dem gegenüberliegenden Leiterplattensegment jeweils umgekehrt die Wärmesenke 7 oder die Wärmequelle 4. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf dem Leiterplattensegment 2 die Wärmequelle 4 angeordnet, die beispielsweise über Wärmeleitbohrungen 10 wärmeleitend mit der Oberfläche des Dickkupfer-Profils 5 verbunden ist, wobei dann die Wärmeleitung von dieser Wärmequelle 4 in Pfeilrichtung 6 in Längsrichtung des Dickkupfer-Profils 5 über die Biegekante 8 hinweg zu dem davon abgewinkelten Leiterplattensegment 3 erfolgt, an dem die Wärmesenke 7 angeordnet ist.
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Die Wärmesenke 7 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Kühlkörper ausgebildet. Sie könnte auch als Heat-Pipe ausgebildet sein oder als Gehäuseteil, mit dem das Leiterplattensegment 3 wärmeleitend verbunden ist.
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Damit ergibt sich erstmals die Möglichkeit, dass man auch bei beengten Einbauverhältnissen die Möglichkeit geschaffen hat, ein abgewinkeltes Leiterplatten-Segment 3 zur Wärmeabfuhr zu verwenden, indem es mit einer geeigneten Wärmesenke 7 wärmeleitend verbunden ist.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Wärmesenke 7 über Wärmeleitbohrungen 10 wärmeleitend mit dem Dickkupfer-Profil 5 verbunden. Es können noch zusätzliche durchgehende Wärmeleitbohrungen 9 (Thermo-Vias) verwendet werden.
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Auch derartige verschiedenartige Wärmeleitbohrungen 9, 10 können auf Seiten der Wärmequelle 4 verwendet werden.
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Im Ausführungsbeispiel nach 4 ist dargestellt, dass es nicht notwendig ist, bei dem abgewinkelten segmentierten Leiterplattensegment 3 die Oberfläche zu erhalten. Es kann dann auch vorgesehen sein, dass in diesem Bereich die Oberseite und/oder die Unterseite des Dickkupfer-Profils 5 freigestellt ist, was als Beispiel mit den beiden Freistellungen 12, 13 angegeben ist.
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Ebenso kann es auf Seiten der Wärmequelle vorgesehen sein, die Wärmequelle direkt über eine Freistellung wärmeleitend mit der Oberfläche des Dickkupfer-Profils 5 zu verbinden.
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Die 5 und 6 zeigen jeweils die entgegengesetzten Ansichten auf die Wärme abgebende und die Wärme empfangende Leiterplatte 2, 3.
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Die Wärme abgebende Seite ist im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 5 durch zwei nebeneinander liegende Wärmequellen 4a, 4b gebildet, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als LED's ausgebildet sind. Die eine LED hat noch zusätzliche durchgehende Wärmeleitbohrungen 9 bis zur Unterseite des Leiterplattensegmentes 2, während die andere LED als Wärmequelle 4b in einem kurzen Abstand über dem Dickkupfer-Profil 5b angeordnet ist.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel wirken also zwei parallel nebeneinander angeordnete Dickkupfer-Profile 5a, 5b als Wärmeleitelemente, die sich über die Biegekante 8 hinweg erstrecken und mit den in 6 dargestellten Wärmesenken 7a, 7b wärmeleitend verbunden sind.
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Es ist jeweils nur beispielhaft dargestellt, dass die thermische Verbindung jeweils durch Wärmeleitbohrungen 10 (in Form von Sacklochbohrungen) oder über durchgehende Wärmeleitbohrungen 9 erfolgt.
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Es ist jedoch gleichgültig, wo diese Wärmeleitverbindungen angeordnet sind. Jegliche thermische Verbindung zwischen den Wärmequellen 4a und 4b zu dem jeweiligen Dickkupfer-Profil 5a, 5b und jegliche andere thermische Verbindung zwischen den Wärmesenken 7a und 7b zu den jeweiligen wärmeliefernden Abschnitten des Dickkupfer-Profils 5a, 5b wird von der Erfindung umfasst.
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Die 7 zeigt als dritte Ausführungsform der Erfindung, wobei im Bereich einer Basisplatte, die ein erstes Lagerplattensegment 3 darstellt, ein mittlerer Kühlkörper 7 als Wärmesenke montiert ist und an der Oberseite dieser Mehrlagen-Leiterplatte eine Wärmequelle 4b angeordnet ist. Die Wärmeleitung erfolgt direkt über den hier dargestellten vertikalen Pfeil.
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Wichtig ist, dass jenseits der Biegekante 8b eine Wärmequelle 4a angeordnet ist, die ihre Wärmeabgabe entsprechend dem eingezeichneten Pfeil über das erfindungsgemäße dauerhaft biegbare und plastisch verformbare Dickkupfer-Profil 5b auf den Kühlkörper 7 einleitet. Das Dickkupferprofil ist somit als wärmeleitendes bzw. funktionelles Element ausgebildet.
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Auf der anderen Seite ist das Leiterplattensegment 2 abgewinkelt über die Biegekante 8a dargestellt, und dieses Segment trägt ein Kontaktelement 13, welches zur elektrischen Kontaktierung entweder vom im Leiterplattenverbund der mehrlagigen Leiterplatte angeordnete weitere Leiterbahnen 14 dient oder welches – in einer anderen Ausführungsform – auch zur elektrischen Kontaktierung des Dickkupfer-Profils 5 dient.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mehrlagen-Leiterplatte
- 2
- Leiterplatten-Segment
- 3
- Leiterplatten-Segment
- 4
- Wärmequelle
- 5
- Dickkupfer-Profil
- 6
- Pfeilrichtung
- 7
- Wärmesenke
- 8
- Biegekante
- 9
- Wärmeleitbohrung (Thermo-Via)
- 10
- Wärmeleitbohrung (Sackloch)
- 11
- Biegewinkel
- 12
- Freistellung
- 13
- Freistellung
- 14
- Leiterbahn
- 15
- Fräsnut
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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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- EP 1980142 B1 [0002]
- DE 102013220951 A1 [0003]
- DE 102006004321 A1 [0005]
