DE102014202196B3

DE102014202196B3 - Leiterplatte und Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102014202196B3
Application number: DE102014202196.0A
Authority: DE
Inventors: Gregor Keller
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2015-03-12
Anticipated expiration: 2034-02-07

Abstract

Multilagenleiterplatte mit einem potenzialführenden Befestigungsbereich, der zur Entwärmung eines Leistungsbauelements ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einem Entwärmungsbereich für ein Leistungsbauelement, insbesondere einer Lichtquelle, sowie eine Schaltungsanordnung mit einer entsprechenden Leiterplatte nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Für die Entwärmung von Leistungsbauelementen, insbesondere LED-Lichtquellen, sind eine Vielzahl unterschiedlicher Entwärmungskonzepte bekannt. Die DE 10 2008 016 458 A1 offenbart beispielsweise eine Leiterplatte mit einem Wärmeableitelement, das in einem Durchgangsloch der Leiterplatte angeordnet ist, wobei mindestens eine Strahlungsquelle auf diesem Wärmeableitelement angeordnet ist. Auf der entgegengesetzten Endfläche des Wärmeableitelements schließt sich typischerweise ein Kühlsystem, beispielsweise ein Kühlkörper oder eine Heatpipe an. Ferner offenbart die Schrift eine Anordnung, bei der die zu entwärmenden, elektronischen Bausteine auf wärmeleitenden Kupfer-Durchkontaktierungen (thermal vias) angeordnet sind, die die Wärme auf eine tieferliegende, großflächige Kupfer-Leiterbahn abführen.
Aus der EP 2 294 902 B1 ist ein weiteres Kühlsystem für eine LED-Chip-Anordnung bekannt, bei der die Leiterbahnlagen einer Mehrlagenleiterplatte stufenförmig freigelegt und die LEDs auf diesen Stufen angeordnet sind. Durch dieses Vorgehen kann jede LED über eine eigene Leiterbahnebene entwärmt werden.
Ferner ist aus der US 2010/0033976 A1 ein Modul bekannt, bei dem die Verlustleistung einer LED über eine metallische Einlage an metallische Durchkontaktierungen einer Leiterplatte und darauf folgend an einen Kühlkörper weitergeleitet wird. Eine vergleichbare Entwärmung ist beispielsweise auch in der US 2009/0045432 A1 gezeigt.
Aus den Dokumenten US 6 495 912 B1 und US 2006/0284304 werden Entwärmungskonzepte insbesondere für so genannte Electronic Packages vorgeschlagen, bei denen die Verlustleistung vornehmlich über metallische Durchkontaktierungen an ein Ball Grid Array, Land Grid Array oder Vergleichbaren abgeleitet wird.
Für bestimmte Anwendungen ist eine Leiterplatte jedoch nicht nur im Hinblick der Entwärmung der Leistungsbauelemente zu optimieren, sondern auch auf eine elektromagnetische Verträglichkeit der gesamten Schaltung zu achten. Insbesondere besteht bei hochfrequent modulierten Lichtquellen die Gefahr, dass bei einer ungünstigen Stromführung größere elektromagnetische Abstrahlungen auftreten können und die Signalintegrität entsprechend leidet. Hochfrequente Modulationen werden insbesondere für Lichtlaufzeitkameras benötigt, wie sie beispielsweise als PMD-Kameras aus den Anmeldungen EP 1 777 747 oder auch DE 197 04 496 bekannt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Entwärmung von Bauelementen insbesondere Lichtquellen zu verbessern.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Leiterplatte und einer entsprechenden Schaltungsanordnung gelöst.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein LED-Bauelement,
2 eine Seitenansicht eines LED-Bauelements gemäß 1,
3 eine perspektivische Unteransicht eines LED-Bauelements gemäß 1,
4 eine erfindungsgemäße Leiterplatte mit einem LED-Bauelement,
5 eine erste Lage der Leiterplatte gemäß 4,
6 eine zweite Lage der Leiterplatte gemäß 4,
7 eine dritte Lage der Leiterplatte gemäß 4,
8 eine vierte Lage der Leiterplatte gemäß 4.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen, gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt eine Lichtquelle und hier speziell ein LED-Bauelement 200 in einem Kunststoffgehäuse. Eine Leuchtdiode 250 ist zentral im Kunststoffgehäuse angeordnet, wobei über einen Bonddraht die LED-Kathode mit einem nach außen führenden Anschlusskontakt 280 verbunden ist. Auf der entgegengesetzten Seite wird der Anodenkontakt über einen Anschlusskontakt nach außen geführt. Ferner weist das Kunststoffgehäuse mehrere Zentrieröffnungen 210 auf, in die beispielsweise eine Optik eingebracht werden kann.
2 zeigt eine Seitenansicht des LED-Bauelements gemäß 1. Die LED 250 ist im dargestellten Fall auf einer metallischen Wärmesenke 270 angeordnet, die zudem mit dem Anodenanschlusskontakt 280 verbunden ist. Selbstverständlich sind auch Wärmesenken 270 denkbar, die keine elektrische Verbindung zum Anodenkontakt der LED 250 haben.
3 zeigt eine perspektivische Unteransicht des LED-Bauelements gemäß 1. Die Wärmesenke 270 ist hierbei als kreisförmiges, metallisches Element nach außen geführt.
4 zeigt eine erfindungsgemäße mehrlagige Leiterplatte 100 mit vier Leiterbahnebenen L1, 2...4. Die erste Leiterbahnebene L1 dient zur Platzierung von Bauelementen und Stromführung die zweite Leiterbahnebene zur Stromrückführung. Die dritte und vierte Leiterbahnebene dienen vornehmlich zur elektrischen Abschirmung, sind aber nicht auf diesen Anwendungszweck beschränkt. Zwischen der ersten und zweiten und dritten und vierten Leiterbahnebene befindet sich eine Zwischenschicht 103 und zwischen der zweiten und dritten Leiterbahnlage eine elektrisch isolierende Kernschicht 105. Zwischen- und Kernschicht 103, 105 bestehen typischerweise aus dem bekannten FR4-Material, es sind jedoch selbstverständlich auch andere Materialen oder Materialkombinationen denkbar.
Im dargestellten Fall ist die Wärmesenke 270 des LED-Bauelements 200 auf einer ersten Leiterbahn 111, die auch das Anodenpotenzial führt, in einem Befestigungsbereich dieser Leiterbahn 111 angeordnet. Die Bauelemente werden typischerweise in einem SMT-Prozess mittels Reflow Löttechnik bestückt.
Im Befestigungsbereich der ersten Leiterbahn 111 der ersten Lage L1 führen mehrere wärmeleitfähige Durchkontaktierungen 150 die Wärme auf eine Leiterbahn 132 der dritten Leiterbahnebene L3 ab. Von dort aus wird die Wärme über Wärmeleitung an eine Leiterbahn der vierten Leiterbahnebene L4 weitergeführt, wobei im Anschluss der vierten Leiterbahnebene eine weitere Wärmesenke bzw. Kühlkörper angeordnet sein kann. Die vierte Leiterbahnebene kann ggf. auch weggelassen werden, so dass als letzte Ebene das Material der elektrisch isolierenden Zwischenschicht 103 verbleibt. Je nach Einbausituation kann ggf. auch auf diese Zwischenschicht 103 verzichtet werden.
Die Leiterbahnanordnung ist dergestalt, dass der Strom I zum Betreiben des LED-Bauelements 200 über die erste Leiterbahn 111 der ersten Lage L1 an die Anode A der LED 200 herangeführt wird. Hiernach wird der Strom kathodenseitig über die zweite Leiterbahn 112 und über elektrische Durchkontaktierungen 160 auf eine Leiterbahn der zweiten Leiterbahnebene L2 und dort entgegen der Eingangsstromrichtung weiter geführt. Die Details des Aufbaus sind in den nachfolgenden Figuren im Einzelnen dargestellt.
5 zeigt die Leiterbahnstruktur der ersten Leiterbahnlage L1. Die Anordnung des LED-Bauelements 200 ist mit gestrichelter Linie angedeutet. Die erste Leiterbahn 111, die im dargestellten Fall das Anodenpotenzial führt, weist neben der üblichen Leiterbahnstruktur einen verbreiterten Befestigungsbereich für die Wärmesenke 270 des LED-Bauelements 200 auf. Die wärmeleitfähigen Durchkontaktierungen 150 sind nur in zwei Randbereichen des Befestigungsbereiches angeordnet, sodass ein länglicher Bereich in axialer Richtung der Anschlusskontakte 280 des zu montierenden LED-Bauelements 200 frei von thermischen Durchkontaktierungen 150 bleibt. Die zweite Leiterbahn 112 dient zur elektrischen Kontaktierung des Kathoden-Anschluss K und weist ferner elektrische Durchkontaktierungen 160 zur darunterliegenden zweiten Leiterbahnebene L2 auf.
6 zeigt die Draufsicht der zweiten Leiterbahnebene L2. Die elektrische Durchkontaktierung 160 führt auf einen ersten Leiterbahnbereich 121, der im Wesentlichen vollflächig die zweite Leiterbahnebene L2 umfasst. Über die elektrischen Durchkontaktierungen 160 ist diese Leiterbahnebene L2 mit dem Kathodenpotenzial der ersten Leiterbahnebene L1 verbunden. Die thermischen Durchkontaktierungen 150 befinden sich in einem zweiten Leiterbahnbereich 122 der elektrisch von der ersten Leiterbahn isoliert ist. Ggf. kann auch auf diesen zweiten Leiterbahnbereich 122 verzichtet und der gesamte unmittelbare Bereich um die Durchkontaktierungen 150 elektrisch isolierend ausgebildet sein. Ferner ist es vorgesehen, dass die erste Leiterbahn 121 zwischen den beiden Randbereichen der wärmeleitfähigen Durchkontaktierungen 150 geführt wird, sodass der zurückgeleitete Strom im Wesentlichen unterhalb des Befestigungsbereichs der ersten Leiterbahnebene L1 und entgegengesetzt der hinführenden Stromrichtung verläuft. Durch diese Übereinanderlagerung der beiden Stromrichtungen werden vorteilhaft elektromagnetische Abstrahlungen reduziert und die Signalintegrität bewahrt.
7 zeigt die dritte Leiterbahnebene L3, bei der die thermischen Durchkontaktierungen 150 auf einen zweiten Leiterbahnbereich 132 dieser Ebene L3 geführt und mit diesem zumindest thermisch verbunden sind. Vorzugsweise ist der zweite Leiterbahnbereich 132 flächig ausgeführt und gegebenenfalls über einen Isolierbereich 133 von einem ersten Leiterbahnbereich 131 dieser Ebene L3 elektrisch getrennt. Gegebenenfalls ist es auch denkbar, dass die komplette Leiterbahnebene L3 als ein zusammenhängender Leiterbahnbereich ausgebildet und mit den wärmeleitfähigen Durchkontaktierungen 150 verbunden ist, um so eine größere wärmeemittierende Fläche zu bilden.
Die Leiterbahnebene L4 ist im dargestellten Beispiel gemäß 8 vollflächig metallisiert. Je nach Anwendungsfall kann jedoch wie zuvor beschrieben diese vierte Lage L4 entfallen.
Selbstverständlich ist das vorgeschlagene Entwärmungskonzept nicht nur für Lichtquellen, sondern auch für andere Bauelemente insbesondere Leistungsbauelemente geeignet.
Bei Bauelementen, deren Wärmesenke kein elektrisches Potential führt kann der Befestigungsbereich ggf. auch potenzialfrei ausgebildet sein.
Des Weiteren ist es auch denkbar, mehrere Lichtquellen seriell oder parallel auf einer Leiterplatte mit dem vorgestellten Entwärmungskonzept anzuordnen.
Ferner können in weiteren Bereichen der Leiterplatte 100 auch weitere elektrische Bauelemente angeordnet und insbesondere weitere Schaltungen realisiert sein.
Bezugszeichenliste

100: Multilagenleiterplatte, Leiterplatte
103: Zwischenisolierschicht
105: Kernisolierschicht
111: erste Leiterbahn in Lage 1
112: zweite Leiterbahn in Lage 1
121: erste Leiterbahn in Lage 2
122: zweite Leiterbahn in Lage 2
123: Isolierbereich in Lage 2
131: erste Leiterbahn in Lage 3
132: zweite Leiterbahn in Lage 3
133: Isolierbereich in Lage 3
141: Leiterbahnfläche in Lage 4
150: thermische Vias, wärmeleitfähige Durchkontaktierungen
160: Microvias, elektrische Durchkontaktierungen
200: Lichtquellenträger, LED-Träger
210: Zentrieröffnungen,
250: Lichtquelle, LED,
270: Wärmesenke
280: Anschlusskontakte
A: Anode
K: Kathode
L1, 2, 3, 4: erste, zweite, dritte, vierte Leiterbahnlage, -ebene

Claims

Leiterplatte (100) für ein Leistungsbauelement (200) mit mindestens drei Leiterbahnebenen (L1, 2, 3, 4), wobei zwischen einer ersten und zweiten Leiterbahnebene (L1, L2) eine elektrisch isolierende Zwischenschicht (103) und zwischen der zweiten und dritten Leiterbahnebene (L2, L3) eine elektrisch isolierende Kernschicht (105) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten Leiterbahnebene (L1) eine erste und zweite Leiterbahn (111, 112) zur elektrischen Kontaktierung des Leistungsbauelements (200) angeordnet sind, wobei die erste Leiterbahn (111) zudem einen elektrisch leitfähigen Befestigungsbereich für das Leistungsbauelement (200) aufweist, und dieser Befestigungsbereich über mehrere wärmeleitfähige Durchkontaktierungen (150) mit einer Leiterbahn (132) der dritten Leiterbahnebene (L3) verbunden ist, und dass die zweite Leiterbahn (112) über elektrische Durchkontaktierungen (160) mit einer ersten Leiterbahn (121) der zweiten Leiterbahnebene (L2) elektrisch verbunden ist, wobei mindestens ein Teilbereich dieser ersten Leiterbahn (121) unterhalb des Befestigungsbereichs der ersten Leiterbahn (111) der ersten Leiterbahnebene (L1) und zwischen den wärmeleitfähigen Durchkontaktierungen (150) geführt wird, ohne mit diesen Durchkontaktierungen (150) in elektrischer Verbindung zu stehen.
Schaltungsanordnung mit einer Leiterplatte (100) nach Anspruch 1 zum Betreiben eines Leistungsbauelements (200), bei der das Leistungsbauelement (200) mindestens zwei Anschlusskontakte (280) und eine metallische Wärmesenke (270) aufweist, wobei ein erster Anschlusskontakt (280, A) und die metallische Wärmesenke (270) mit einer ersten Leiterbahn (111) und ein zweiter Anschlusskontakt (280, K) mit einer zweiten Leiterbahn (112) der ersten Leiterbahnebene (L1) verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei der das Leistungsbauelement (200) als Lichtquelle ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der das Leistungsbauelement (200) als LED-Lichtquelle ausgebildet ist.