Mehrschichtige Leiterplatte

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer mehrschichtigen Leiterplatte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einer LED-Anordnung mit einer solchen mehrschichtigen Leiter- platte sowie einem Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden von mindestens einer ersten mit mindestens ei ^¬ ner zweiten jeweils elektrisch leitende Leiterbahnen und/oder Flächen umfassenden Schicht einer mehrschichtigen Leiterplatte, wobei zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Schicht mindes ^¬ tens eine dritte Schicht angeordnet ist, die aus einem elektrisch leitfähigem Material gebildet ist und die von der mindestens eine ersten und der mindestens einen zwei ^¬ ten Schicht jeweils durch mindestens eine elektrisch iso- lierende Schicht getrennt ist.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind zum einen Leiterplatten bekannt, die durch einen mehrschichtigen Aufbau einen hohen Integrationsgrad aufweisen. Zur Wärmeabführung können diese Leiteplatten thermische Vias (vertical interconnect access) umfassen, die senkrecht zu den Schichten der Lei ^¬ terplatte verlaufen. Zum anderen sind aus dem Stand der Technik Leiterplatten bekannt, wie z.B. IMS (Insulated Metal Substrate) und DBC (Direct Copper Bonded) , die ei ^¬ nen Wärmeleitkern in Form einer dicken, hoch wärmeleiten- den Schicht umfassen und so eine bessere Wärmeabführung aufweisen . Nachteilig bei solchen Leiterplatten mit Wärmeleitkern ist, dass sie keinen hohen Integrationsgrad aufweisen, da sie nur einseitig mit elektrischen Komponenten bestückt werden können. Dies ist dadurch bedingt, dass der Wärme- leitkern in der Regel auch elektrisch leitfähig ist und somit Durchkontaktierungen um zwei oder mehrere Leiterschichten zu verbinden, wie sie aus dem Stand der Technik bei mehrschichtigen Leiterplatten bekannt sind, nicht möglich sind.

Darstellung der Erfindung Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine mehrschichtige Leiterplatte, eine LED-Anordnung mit einer solchen und ein Verfahren bereitzustellen, die einen hohen Integrationsgrad mit einer verbesserten Wärmeabführung verbinden. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine mehrschichtige Lei ^¬ terplatte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einer LED-Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Durchkon- taktierungen um zwei oder mehrere Leiterschichten zu verbinden, wie sie aus dem Stand der Technik bei mehrschichtigen Leiterplatten bekannt sind, nicht möglich sind, da der Wärmeleitkern in der Regel auch elektrisch leitfähig ist und so Kurzschlüsse entstehen würden. Die erfindungsgemäße mehrschichtige Leiterplatte umfasst mindestens eine erste und eine zweite Schicht, die je ^¬ weils elektrisch leitfähige Leiterbahnen und/oder Flächen aufweisen und die durch mindestens eine elektrisch iso- lierende Schicht voneinander getrennt sind. Dabei sind die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Schicht mittels mindestens eines Verbindungselements e- lektrisch leitend verbunden. Weiterhin umfasst die mehr- schichtige Leiterplatte mindestens eine dritte Schicht, die aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist und die zwischen der mindestens einen ersten und mindesten einen zweiten Schicht angeordnet ist. Die dritte Schicht ist durch mindestens eine elektrisch isolierende Schicht jeweils von der ersten und zweiten Schicht ge ^¬ trennt und das Verbindungselement zwischen der ersten und der zweiten Schicht durchringt die dritte Schicht und ist von dieser elektrisch isoliert.

Durch die Isolierung des mindestens einen Verbindungsele- ments, insbesondere der Durchkontaktierung, ist es somit möglich in eine mehrschichtige Leiterplatte, die einen hohen Integrationsgrad aufweist, einen Wärmeleitkern zu integrieren und damit die Wärmeabführung erheblich zu verbessern . In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine dritte elektrisch leitfähige Schicht aus einem kohlefaserhaltigen Material, insbesondere Carbon, und/oder aus Metall gebildet. Insbesondere zeichnen sich diese Materialien durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus, wodurch ein optimaler Wärmeabtransport gewährleistet werden kann. Darüber hinaus können auch andere hoch wärmeleitende Materialien verwendet werden, wie z.B. verschiedene Keramiken.

Bevorzugt ist das mindestens eine Verbindungselement eine innenseitig mit einem elektrisch leitfähigen Material galvanisierte Bohrung in ein in eine Bohrung von der mindestens einen ersten zur mindestens einen zweiten Schicht eingebrachtes Isoliermaterial. Die Bohrung in das Iso ^¬ liermaterial ist dabei bevorzugt mit Kupfer galvanisiert. Eine derartige Ausbildung des Verbindungselements stellt eine besonders einfache und kostengünstige Verbindungs ^¬ möglichkeit von Leiterschichten durch einen Wärmeleitkern hindurch dar.

Vorteilhafterweise kann mindestens eine elektrische Kom- ponente, insbesondere ein gedruckter Widerstand und/oder ein Steuerungschip und/oder ein oberflächenmontiertes Bauelement, innerhalb der mehrschichtigen Leiterplatte angeordnet sein.

Weiterhin kann mindestens eine elektrische Komponente an einer Außenseite der mehrschichtigen Leiterplatte ange ^¬ ordnet sein.

Durch die Unterbringung elektrischer Komponenten auf den Innenlagen der Leiterplatte, sowie an deren Ober und/oder Unterseite wird eine überaus kompakte Anordnung der Lei- terplatte ermöglicht. Des Weiteren können durch die dar ^¬ aus resultierenden, wesentlich geringeren Formfaktoren der Leiterplatte Kosten gespart werden.

Die erfindungsgemäße LED-Anordnung umfasst eine erfin ^¬ dungsgemäße mehrschichtige Leiterplatte und mindestens eine auf der Leiterplatte angeordnete LED. Gerade bei LED-Anordnungen sind Leiterplatten, insbesondere Substrate, mit hoher thermischer Leitfähigkeit notwendig um die Temperatur der LED gering zu halten und die Strahlungseffizienz zu optimieren. Durch die Verwendung einer mehr- schichtigen Leiterplatte mit einem Wärmeleitkern werden so optimale Betriebsbedingungen für die LED-Anordnung geschaffen, die zudem kompakt und in kleinster Bauweise ausgestaltet sein kann. Zudem ist es möglich, alle elekt ^¬ rischen Komonenten inklusive Ansteuerungskompnenten, die für den Betrieb und für die Steuerung der LED-Anordnung erforderlich sind in die Leiterplatte zu integrieren, beispielsweise auf den Innenlagen der Leiterplatte und/oder auf der Ober- und/oder Unterseite der Leiterplatte . Die mit Bezug auf eine erfindungsgemäße mehrschichtige Leiterplatte vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für eine erfindungsgemäße LED-Anordnung, die eine erfin ^¬ dungsgemäße mehrschichtige Leiterplatte umfasst. Das erfindungsgemäße Verfahren zum elektrisch leitenden Verbinden von mindestens einer ersten mit mindestens ei ^¬ ner zweiten jeweils elektrisch leitende Leiterbahnen und/oder Flächen umfassenden Schicht einer mehrschichtigen Leiterplatte, wobei zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Schicht mindes ^¬ tens eine dritte Schicht angeordnet ist, die aus einem elektrisch leitfähigem Material gebildet ist und die von der mindestens eine ersten und der mindestens einen zwei ^¬ ten Schicht jeweils durch mindestens eine elektrisch iso- lierende Schicht getrennt ist, umfasst folgende Schritte: a) Erzeugen eines Hohlraums, der sich von der mindestens einen ersten bis zur mindestens einen zweiten Schicht erstreckt ; b) Ausfüllen des Hohlraums mit einem elektrisch isolie- renden Material; c) Erzeugen eines Hohlraums im elektrisch isolieren Material, der sich von der mindestens einen ersten bis zur mindestens einen zweiten Schicht erstreckt; und d) Verbinden der mindestens einen ersten und der mindes- tens einen zweiten Schicht mit einem elektrisch leitfähigen Material, das in den Hohlraum eingebracht wird.

Durch dieses Verfahren ist es möglich in mehrschichtige Leiterplatten, insbesondere mit mehreren Leiterbahnen tragenden Schichten, einen Wärmeleitkern, insbesondere einen Carbonkern, zu integrieren. Somit wird eine bessere Wärmeabführung bei gleichzeitiger hoch integrierter Bauweise einer Leiterplatte ermöglicht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Einbringen des elektrisch leitfähigen Materials in den Hohlraum mittels Galvanisie ^¬ rung der Hohlraumbegrenzungsfläche. Insbesondere werden die Hohlraumbegrenzungsflächen mit Kupfer galvanisiert.

Des Weiteren kann das Erzeugen eines Hohlraums mittels Bohrung erfolgen. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungs ^¬ beispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 zeigt eine LED-Anordnung mit einer mehrschichtigen

Leiterplatte mit innenseitig angeordneten elektri- sehen Komponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 2 zeigt eine LED-Anordnung mit einer mehrschichtigen

Leiterplatte mit unterseitig angeordneten elektri- sehen Komponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine LED-Anordnung 10 mit einer mehrschichtigen Leiterplatte 12 mit innenseitig angeordneten elekt ^¬ rischen Komponenten 30, 32 und oberseitig angeordneten LEDs 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Leiterplatte 12 umfasst dabei mehrere elektrisch lei ^¬ tende Schichten 18, insbesondere können die Schichten e- lektrisch leitende Leiterbahnen und/oder Flächen umfassen. Die elektrisch leitfähigen Schichten 18 besitzen zu- sätzlich eine wärmeleitende Funktion und sind vorzugswei ^¬ se auf Kupferbasis gebildet. Insbesondere kann die obers ^¬ te und unterste elektrisch leitfähige Schicht der Leiter ^¬ platte 12 auch eine Plating-Schicht sein. Des Weiteren umfasst die Leiterplatte 12 auch elektrisch isolierende Schichten 20, die zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten 18 angeordnet sind. Diese sind vorzugsweise aus Epoxiden gebildet und weisen ebenfalls eine gute Wärme ^¬ leitfähigkeit auf. Dabei können elektrische Komponenten 30, 32, wie beispielsweise gedruckte Widerstände 30 und/oder oberflächenmontierte Bauelemente 32, insbesonde ^¬ re Steuerungschips, sowie weitere gedruckte oder geätzte Komponenten, in Innenlagen der Leiterplatte 12 und/oder auf der Oberseite der Leiterplatte 12 angeordnet sein. Darüber hinaus kann die Leiterplatte 12 auf der Oberseite eine reflektierende Schicht 16 aufweisen, um auf die Lei ^¬ terplatte 12 treffendes LED-Licht zu reflektieren, und eine Isolationsschicht 28 auf der Unterseite um Berührsi ^¬ cherheit zu gewährleisten. Im Inneren der Leiterplatte 12 ist ein Wärmeleitkern 22 angeordnet, der vorzugsweise aus einem kohlenstoffhaltigen Material, wie beispielsweise Carbon, oder aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet ist. Der Wärmeleitkern 22 ist vorzugsweise im Bereich einer Wärmequelle angeordnet, in diesem Fall unterhalb der LEDs 14, und kann zur besseren Wärmeabführung auch thermisch an die LEDs 14 angebunden werden, beispielsweise durch Laserschweiß oder einen Lötprozess. Um die elektrisch leitfähigen, insbesondere die Leiterbahnen oder elektrisch leitfähigen Flächen umfassenden, Schichten 18 elektrisch leitend miteinander zu verbinden, umfasst die Leiterplatte 12 weiterhin ein Verbindungsele ^¬ ment 24. Da der Wärmeleitkern 22 jedoch ebenfalls elektrisch leitfähig ist, muss das Verbindungselement 24 vom Wärmeleitkern 22 isoliert sein. Dies kann dadurch bewerk- stelligt werden, dass in eine Bohrung von einer leitfähigen Schicht 18 zu einer weiteren leitfähigen Schicht 18, die mit ersteren verbunden werden soll, ein Isoliermaterial 26 eingefüllt wird. Nach Aushärten dieses Isolierma ^¬ terials 26 kann eine erneute Bohrung in dieses Isolierma- terial 26 durchgeführt werden und das Bohrloch durch Gal ^¬ vanisierung der Innenflächen mit einem Metall, vorzugsweise Kupfer, elektrisch leitend mit den zu verbindenden Schichten verbunden werden. Damit lässt sich auf einfache Weise eine leitende Verbindung zwischen elektrisch leit- fähigen Schichten 18 einer mehrschichtigen Leiterplatte 12 herstellen, die einen Wärmeleitkern zwischen diesen Schichten umfasst. So kann eine besonders kompakte, hoch integrierte Leiterplatte 12 und insbesondere LED- Anordnung mit gleichzeitig optimierter Wärmeabführung bereitgestellt werden.

Fig. 2 zeigt eine LED-Anordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wie in Fig.l, jedoch mit unterseitig angeordneten elektrischen Komponenten 30, 32. In diesem Fall können die isolierenden Schichten 20 der mehrschichtigen Leiterplatte 12 platzsparenderweise dün ^¬ ner ausgebildet sein. Des Weiteren ist es auch möglich die in Fig.l und Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiele miteinander zu kombinieren und elektrische Komponenten 30, 32 sowohl in den Innenlagen der Leiterplatte 12 als auch an deren Unterseite anzuordnen.

Insgesamt wird so eine mehrschichtige Leiterplatte, eine LED-Anordnung und ein Verfahren bereitgestellt, die hoch thermisch leitende Eigenschaften und einen hohen Integrationsgrad in einer Leiterplatte vereinen.