DE10007868A1

DE10007868A1 - Elektronische Steuerschaltung

Info

Publication number: DE10007868A1
Application number: DE10007868A
Authority: DE
Inventors: Marcus Meyer; Stefan Reck; Stefan Kotthaus; Joerg Wolf; Michael Soellner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-21
Filing date: 2000-02-21
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2020-02-22
Also published as: WO2001063210A1; US20020179987A1; DE10007868B4; EP1173728A1

Abstract

Die Erfindung geht von einer elektronischen Steuerschaltung (10) mit einer Leiterplatte (12) aus, auf der mehrere elektronische Bauelemente (14, 16, 18, 20, 22) angeordnet sind, von denen mindestens in einem (18) ein Hallsensor (20, 22) mit einem zur Steuerelektronik gehörenden Schaltungsteil (18) zusammengefasst ist. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass der Hallsensor (20, 22) auf einem Siliziumchip (48, 50) und seine aktive Fläche (52) in einem geringen Abstand (68) zu einem relativ zum Hallsensor (20, 22) bewegbaren Magnetflussgeber (38) angeordnet ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer elektronischen Steuerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.

Im Automobilbereich werden elektrisch betätigte Stellmotoren für vielfältige Anwendungsmöglichkeiten eingesetzt. Insbeson dere beim Einsatz als Fensterheber oder Schiebedachmotor ist eine elektronische Steuerschaltung mit einem Drehwinkelsen sor, z. B. Hallsensor, vor Ort notwendig, um Funktionen wie z. B. den Schutz gegen Einklemmen zu realisieren. Durch ge setzliche Vorschriften werden in Zukunft höhere Anforderungen an die Sensorik gestellt, um den Fall des Einklemmens sicher zu erkennen und zu vermeiden. Hierfür ist eine höhere Polzahl eines als Ringmagneten ausgebildeten Magnetflusswandlers er forderlich. Eine höhere Polzahl führt jedoch dazu, dass das Magnetfeld schwächer wird und schwieriger von den Sensoren zu erfassen ist.

Aus der DE 195 25 292 A1 ist eine Vorrichtung zum Erfassen des Drehwinkels, der Drehzahl und/oder der Drehrichtung eines Drehantriebs bekannt. Ein Permanentmagnet ist auf einer Lei terplatte im Elektronikraum eines Elektromotors angeordnet. Die beiden Pole des Magneten sind mit Magnetflussleitern ver bunden, die zu der von dem Elektronikraum entfernt angeordne ten Ankerwelle des Elektromotors geführt sind, wo je ein End abschnitt der Magnetflussleiter in einem geringen Abstand von einem mit Ankerwelle bewegten Magnetflussgeber angeordnet ist. Der Magnetflussgeber umfasst ferromagnetische und diama gnetische Abschnitte, die auf einem Rotationskörper angeord net sind. Er rotiert mit der Ankerwelle, wodurch sich der ma gnetische Fluss in dem durch den Permanentmagneten, die Magnetflussleiter und den Magnetflussgeber gebildeten Mag netkreis ändert. Ein auf der Leiterplatte über dem Permanent magneten angeordneter Hallsensor erfasst die Magnetfeldände rung des sich verändernden Streufelds und erzeugt in Abhän gigkeit von der Änderung ein elektrisches Ausgangssignal. Dieses wird einer Steuereinheit zugeführt, z. B. einem Mikro controller. Die bekannte Steuerschaltung beansprucht viel Bauraum und beinhaltet auf Grund der zahlreichen Einzelteile und der Anordnung dieser zueinander viele Fertigungstoleran zen, die die Sicherheit und Regelgüte negativ beeinflussen.

Aus der DE 197 39 682 A1 ist ferner eine Sensoreinrichtung bekannt, die einen als Hallsensor ausgebildeten, ortsfest an geordneten Magnetfeldsensor umfasst, der magnetisch mit we nigstens einem ortsfesten Magnetflussleiter gekoppelt ist, welcher ein variables Magnetfeld erfasst und dem Hallsensor zuführt. Dieser erzeugt ein von der Magnetfeldänderung abhän giges, elektrisches Ausgangssignal für eine elektronische Steuereinrichtung. Es können zwei im Abstand voneinander an geordnete Hallsensoren vorgesehen sein, von denen wenigstens einer mit wenigstens einem Teil einer elektronischen Steuer schaltung zu einem anwenderspezifischen integrierten Schalt kreis zusammengefasst in einem elektronischen Bauelement an geordnet ist. Dieses Bauelement ist auf einer vom Magnet flussgeber entfernten Leiterplatte positioniert und zwischen den Endabschnitten wenigstens zweier Magnetflussleiter ange ordnet. Zwar weisen die Leiterplatte und die auf ihr angeord neten Bauelemente eine größere Integrationsdichte auf, jedoch ergeben sich auch hierbei zahlreiche Fertigungstoleranzen.

Vorteile der Erfindung

Nach der Erfindung ist der Hallsensor auf einem Siliziumchip angeordnet, das einen zur Steuerelektronik gehörenden Schal tungsteil, z. B. eine Steuereinrichtung, enthält, wobei die aktive Fläche des Hallsensors in einem geringen Abstand zu einem relativ zum Hallsensor bewegbaren Magnetflussgeber an geordnet ist, z. B. zu einem Ringmagneten. Durch die Integra tion der Hallsensoren auf dem Siliziumchip der Steuereinrich tung kann auf externe Hallsensoren verzichtet werden, wodurch sich eine geringere Anzahl an Bauelementen und damit eine kleinere Leiterplatte ergibt. Ferner entfallen mit der Anord nung der kleinen Leiterplatte in unmittelbarer Nähe zum Mag netflussgeber Magnetflußleiter, wodurch ebenfalls die Anzahl der Bauelemente reduziert und weniger Bauraum beansprucht wird.

Das Siliziumchip kann zweckmäßigerweise in einem Gehäuse un tergebracht sein und über Anschlußbeinchen mit Leiterbahnen der Leiterplatte durch Löten kontaktiert werden, wobei die aktive Fläche des Hallsensors in vorteilhafter Weise auf der dem Magnetflussgeber zugewandten Seite des Siliziumchips liegt, so dass der Abstand zwischen dem Magnetflussgeber und der aktiven Fläche des Hallsensors abgesehen von den Lageto leranzen der Leiterplatte nur von den Toleranzen des Gehäuses des Bauelements und der Lotfuge zwischen der Leiterbahn und den Anschlußbeinchen bestimmt wird. Somit kann ein sehr ge ringer Abstand realisiert werden, der für das präzise und si chere Erfassen schwacher Magnetfelder besonders wichtig ist.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Siliziumchip als Flip-Chip auf der Leiterplatte kontaktiert, wobei die ak tive Fläche des Hallsensors an der Kontaktierungsseite des Siliziumchips angeordnet ist und vom Magnetflussgeber weg weist. Da die Dicke des Siliziumchips kleiner ist als der normale Abstand zwischen der oberen Fläche der Gehäuseober kante bei Gehäusebauformen, kann der Abstand zwischen der ak tiven Fläche des Hallsensors und dem Magnetflussgeber weiter verringert werden. Ferner kann bei der Halbleiterherstellung die Dicke des Siliziumchips sehr genau bestimmt werden, und die Höhe der Lötverbindungen zwischen dem Siliziumchip und der Leiterbahn, der so genannten Bumps, unterliegt nur rela tiv geringen Streuungen, so dass in der Toleranzkette der Ab stand der Leiterplattenoberfläche zur aktiven Fläche des Hallsensors wesentlich genauer bestimmt ist. Somit kann die aktive Fläche des Hallsensors näher und präziser an den Mag netflussgeber platziert werden und selbst schwächere magneti sche Felder können mit größerer Sicherheit erfasst werden.

Außerdem wird bei der Flip-Chip-Technologie das Siliziumchip in einem Reflow-Lötprozess auf die Leiterplatte aufgebracht, wobei sich durch einen Einschwimmvorgang beim Aufschmelzen des Lots eine Selbstzentrierung ergibt. Damit wird sowohl die horizontale als auch die laterale Toleranz gegenüber einer Kontaktierung über Anschlußbeinchen verbessert. Da ferner ein Gehäuse entfällt, und das Siliziumchip mit den Lötverbindun gen statt dessen in einer Unterfütterung eingebettet ist, be ansprucht das Siliziumchip einschließlich der Unterfütterung deutlich weniger Bauraum als ein Bauelement mit Gehäuse, wo durch die Leiterplatte kleiner und preiswerter gestaltet wer den kann.

Um die Drehrichtung zu erfassen, werden in der Regel zwei Hallsensoren benötigt, die im Abstand zueinander angeordnet sind. Da das Siliziumchip für die Steuereinheit ausreichend groß ist und größer als Siliziumchips für separate Hallsenso ren, kann der Abstand zwischen den Hallsensoren relativ groß gewählt werden, ohne dass eine zusätzliche Siliziumfläche er forderlich ist. Der Abstand kann dadurch zweckmäßigerweise dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.

Zeichnung

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe schreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammen fassen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen elektrischen Stellmotor nach dem Stand der Technik in einer schematischen Explosions darstellung,

Fig. 2 einen teilweisen Querschnitt durch den Bereich eines Hallsensors nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt entsprechend Fig. 2 durch eine erfindungsgemäße Steuerschaltung und

Fig. 4 eine Variante zu Fig. 3.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Ein Stellmotor 46 nach dem Stand der Technik umfasst ein Pol gehäuse 40 mit mehreren Magneten 42, einen Anker 32, dessen Ankerwelle 34 über Lager 44 im Polgehäuse 40 drehbar gelagert ist und an seinem freien Ende eine Getriebeschnecke 36 trägt, eine Bürstenhalterung 24 mit Bürsten 26, die durch Federn 28 gegen einen Kommutator 30 des Ankers 32 gedrückt werden, und eine Steuerschaltung 10. Die Steuerschaltung 10 besitzt eine Leiterplatte 12, die diskrete Bauelemente in Form einer End stufe 14, einer Steuereinheit 18 und/oder in Form von Hall sensoren 20, 22 und sonstigen Bauelementen 16 trägt. Die Hallsensoren 20, 22 besitzen auf einem Siliziumchip 50 aktive Flächen 52, die mit einem Magnetflussgeber in Form eines Ringmagneten 38 zusammenwirken, der auf der Ankerwelle 34 zwischen dem Kommutator 30 und der Getriebeschnecke 36 sitzt.

Bei der bekannten Steuerschaltung nach Fig. 1 ist der Hall sensor 20 auf dem Siliziumchip 50 angeordnet, das sich in ei nem separaten Gehäuse 60 befindet und über Anschlussbeinchen 58 mit einer Leiterbahn 54 der Leiterplatte 12 in einer Löt fuge 56 verlötet ist. Eine solche Steuerschaltung 10 ist sehr aufwändig und beansprucht viel Bauraum, insbesondere sind große Leiterplatten 12 erforderlich. Ferner können auf dem Siliziumchip 50 mehrere Hallsensoren 20, 22 nur in einem ge ringen Abstand zueinander angeordnet werden, wenn nicht der Bauraum zusätzlich vergrößert werden soll.

Bei den erfindungsgemäßen Ausführungen nach Fig. 3 und 4 sind die Hallsensoren 20, 22 auf dem Siliziumchip 48 einer Steuer einheit 18 angeordnet. Durch die Integration entfallen sepa rate Hallsensoren, so dass die Leiterplatte 12 kleiner aus fallen kann. Ferner können auf dem Siliziumchip 48 die Hall sensoren 20, 22 in einem größeren Abstand 70 voneinander an geordnet werden, weil das Siliziumchip 48 für die Steuerein heit 18 von Hause aus relativ groß ist, so dass der Abstand 70 in weiten Grenzen dem konkreten Anwendungsfall angepasst werden kann, ohne zusätzliche Siliziumfläche zu beanspruchen.

Bei einer Bauelementausführung nach Fig. 3 mit einem Gehäuse 62 sind die Hallsensoren 20, 22 auf der dem Magnetflussgeber 38 zugewandten Seite des Siliziumchips 48 angeordnet. Dadurch kann beim einem kleinen Luftspalt 68 zwischen der Oberfläche des Gehäuses 62 und dem Magnetflussgeber 38 ein geringer Ab stand zwischen der aktiven Fläche 52 der Hallsensoren 20, 22 und dem Ringmagneten 38 eingehalten werden, wobei lediglich die Toleranzen der Lötfuge 56 und des Gehäuses 62 zu den La getoleranzen der Leiterplatte 12 zu berücksichtigen sind.

Bei der Ausführung nach Fig. 4 entfällt das Gehäuse 62 und das Siliziumchip 48 ist als Flip-Chip auf der Leiterplatte 12 über Lötverbindungen 64 kontaktiert. In diesem Fall sind die Hallsensoren 20, 22 an der Kontaktierungsseite des Silizium chips 48 angeordnet, wobei die aktiven Flächen 52 vom Ring magneten 38 weg weisen. Der Abstand der aktiven Flächen 52 vom Ringmagneten 38 wird durch die Dicke des Siliziumchips 48 und den Luftspalt 68 bestimmt, wobei die Dicke des Silizium chips 48 in der Halbleiterfertigung mit sehr geringen Tole ranzen gefertigt werden kann. Der Luftspalt 68 wird insbeson dere durch die Lagetoleranzen der Leiterplatte 12 und der Dickentoleranzen der Lötverbindungen 64 bestimmt.

Das Siliziumchip 48 ist mit seinen Lötverbindungen 64 in ei ner isolierenden Unterfütterung 66 eingebettet. Auf Grund des bei der Flip-Chip-Herstellung angewendeten Reflow-Lötpro zesses wird beim Aufschmelzen des Lots eine Selbstzentrierung erzielt, wodurch sowohl in horizontaler Richtung als auch in lateraler Richtung die Lagetoleranzen zwischen dem Silizium chip 48 und der Leiterplatte 12 sehr gering sind.

Bezugszeichen

10

Steuerschaltung

12

Leiterplatte

14

Endstufe

16

Bauelement

18

Steuereinheit

20

Hallsensor

22

Hallsensor

24

Bürstenhalterung

26

Bürsten

28

Feder

30

Kommutator

32

Anker

34

Ankerwelle

36

Getriebeschnecke

38

Ringmagnet

40

Polgehäuse

42

Magnet

44

Lager

46

Stellmotor

48

Siliziumchip

50

Siliziumchip

52

aktive Fläche

54

Leiterbahn

56

Lotfuge

58

Anschlussbeinchen

60

Gehäuse

62

Gehäuse

64

Lötverbindung

66

Unterfütterung

68

Luftspalt

70

Abstand

Claims

1. Elektronische Steuerschaltung (10) mit einer Leiterplat te (12), auf der mehrere elektronische Bauelemente (14, 16, 18, 20, 22) angeordnet sind, von denen mindestens in einem (18) ein Hallsensor (20, 22) mit einem zur Steuerelektronik gehörenden Schaltungsteil (18) zusammengefasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (20, 22) auf einem Sili ziumchip (48, 50) und seine aktive Fläche (52) in einem ge ringen Abstand (68) zu einem relativ zum Hallsensor (20, 22) bewegbaren Magnetflussgeber (38) angeordnet ist.

2. Steuerschaltung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das Siliziumchip (48) in einem Gehäuse (62) untergebracht ist und über Anschlussbeinchen (58) mit Leiter bahnen (54) der Leiterplatte (12) kontaktiert ist, wobei die aktive Fläche (52) des Hallsensors (20, 22) auf der dem Mag netflussgeber (38) zugewandten Seite des Siliziumchips (48) liegt.

3. Steuerschaltung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das Siliziumchip (50) als Flip-Chip auf der Leiterplatte (12) kontaktiert ist, wobei die aktive Fläche (52) des Hallsensors (20, 22) an der Kontaktierungsseite des Siliziumchips (50) angeordnet ist und vom Magnetflussgeber (38) weg weist.

4. Steuerschaltung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die Lötverbindungen (64) in einer Unterfütte rung (66) eingebettet sind.

5. Steuerschaltung (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Hall sensoren (20, 22) im Abstand voneinander auf dem Siliziumchip (48, 50) angeordnet sind.