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Die Erfindung betrifft ein Modul für eine integrierte Steuerelektronik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie dessen Verwendung, insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen in der Automobilindustrie.
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Stand der Technik
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In der Kraftfahrzeugtechnik werden Komponenten wie Getriebe-, Motoren- oder Bremssysteme zunehmend vornehmlich elektronisch gesteuert. Hierbei gibt es eine Entwicklung hin zu integrierten mechatronischen Steuerungen, also zur Integration von Steuerelektronik und den zugehörigen elektronischen Komponenten wie Sensoren oder Ventile in das Getriebe, den Motor oder das Bremssystem. Steuergeräte weisen also im Allgemeinen eine Vielzahl an elektronischen Komponenten auf, welche in Verbindung mit anderen Komponenten außerhalb des Steuergerätes stehen. Bei solchen „Vorort-Elektroniken” sind diese Steuerungen nicht mehr in einem separaten geschützten Elektronikraum untergebracht und müssen daher entsprechenden Umwelteinflüssen und mechanischen, thermischen sowie chemischen Beanspruchungen standhalten. Sie werden zu diesem Zweck normalerweise in spezielle Gehäuse eingesetzt. Zudem erfüllen die Gehäuse eine wichtige Abschirmfunktion. Um eine verlässliche Verbindung zu außerhalb des Gehäuses liegenden Komponenten zu ermöglichen, ist eine elektrische Verbindung von der Gehäuseinnenseite zur Gehäuseaußenseite notwendig.
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Die
EP 0 534 133 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur isolierten Herausführung von Leiterbahnen aus einem Abschirmgehäuse, in dem auf einem Zwischenträger eine Dünnschicht-Mehrebenenschaltung mit wenigstens einer darauf befestigten integrierten Schaltung angeordnet ist, wobei die Leiterbahnen auf der Oberfläche des Zwischenträgers angeordnet sind.
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Die
US 5280 413 A beschreibt ein Elektronikmodul mit einer Mehrlagenleiterplatte, auf deren Oberfläche Schaltkreiskomponenten angeordnet sind, wobei die Mehrlagenleiterplatte mit einem Träger verbunden ist. Ein Deckel umschließt mit seinem Rand den Schaltkreis mit seinen Schaltkreiskomponenten auf der Mehrlagenleiterplatte hermetisch. Die elektrische Verbindung zwischen dem Schaltkreis und Kontaktflächen auf der Oberfläche der Mehrlagenleiterplatte außerhalb des Deckels ist mittels Durchkontaktierungen in der Mehrlagenleiterplatte hergestellt.
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Die
DE 197 20 167 A1 beschreibt eine Struktur zum Anschließen einer Mehrzahl voneinander entfernter elektrischer Bauelemente an eine Zentraleinheit mit einer flexiblen Leiterplatte, in deren innerem Bereich einzelne Leiterbahnen in Kontaktflächen zur Kontaktierung von an der Zentraleinheit ausgebildeten Verbindungskontakten enden, wobei die anderen Enden der Leiterbahnen zum Anschluss der elektrischen Bauelemente vorgesehen sind.
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Die
DE 10 2007 042 593 A1 beschreibt ein Gehäusekonzept für eine integrierte Steuerungselektronik mit einem Gehäuseboden, einem Schaltungsträger bestückt mit elektronischen Bauteilen der zentralen Steuerungselektronik und einer Signal- und Stromverteilungskomponente als elektrischer Verbindung zwischen der zentralen Steuerungselektronik und peripheren Komponenten.
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Der übliche Aufbau für solche integrierten mechatronischen Anwendungen besteht aus einem keramischen Substrat, das die verschiedenen elektronischen Bauteile der zentralen Steuerungseinheit beinhaltet. Dieses keramische Substrat wird mittels Bonden mit starren oder flexiblen Leiterplatten verbunden, um die Anbindung der peripheren Komponenten an die Zentraleinheit zu ermöglichen. Wie schon beschrieben sind zum Beispiel Getriebesteuerungsmodule im Getriebeölsumpf untergebracht und daher vollständig mit Öl und der darin enthaltenen leitenden Kontamination umgeben. Dies können zum Beispiel Kontaminationen aus Verzahnungsabrieb, Zerspanungsreste aus Fertigungsprozessen oder unzulänglichen Wasch- und Reinigungsprozessen des Getriebegehäuses und/oder der verbauten Komponenten sein. Zum notwendigen Schutz vor solcher Kontamination, vor Beschädigungen und Leiterbahn- oder Bondkurzschlüssen wird eine Verdeckelung, üblicherweise als metallischer, nicht-metallischer oder metallisierter Gehäusedeckel, auf die Gehäusebodenplatte aufgebracht und hermetisch abgedichtet. Dieser Gesamtverbund aus keramischem Substrat, Leiterplatten und deren Anbindung zur elektronischen Verbindung der Peripherie sowie hermetisch dichtem Gehäuse ist ein signifikanter Kostentreiber. Gerade die bevorzugt als Schaltungsträger eingesetzten LTCCs (Low Temperature co-fired Ceramics), die zur mechanischen Stabilität und thermischen Anbindung auf eine Grundplatte aufgebracht werden, stellen einen großen Kostenfaktor des gesamten Bauteils dar. Ihre elektronische Verbindung über flexible Leiterplatten oder Stanzgitter zu den außerhalb des abgedichteten Gehäuses liegenden Komponenten ist zudem aufwendig und daher kostenträchtig.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Modul für eine integrierte Steuerelektronik mit einem Gehäuse, einer darin untergebrachten zentralen Steuerungseinheit umfassend verschiedene elektronische Bauteile und einer elektronischen Verbindung zwischen dem Gehäuseinnenraum und dem Gehäuseaußenraum bereit zu stellen, welche eine einfache und flexible Anbindung der außerhalb des Gehäuses liegenden Komponenten ermöglicht, wobei die elektronische Verbindung und die zentrale Steuerungseinheit einen vereinfachten und daher kostengünstigeren Aufbau aufweisen sollen und gleichzeitig sicher vor Kurzschluss und/oder leitender Kontamination geschützt sind.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einem Modul entsprechend des Patentanspruchs 1 erreicht.
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Erfindungsgemäß wird ein Modul für eine integrierte Steuerungselektronik mit einem Gehäusedeckel, einem flachen Schaltungsträger bestückt mit elektronischen Bauteilen der zentralen Steuerungselektronik und einer Signal- und Stromverteilungskomponente als elektrischer Verbindung zwischen der zentralen Steuerungselektronik und peripheren Komponenten vorgeschlagen, bei dem der Schaltungsträger mit der Signal- und Stromverteilungskomponente elektrisch und mechanisch in einem Überlappungsbereich verbunden ist und der Gehäusedeckel auf dem Schaltungsträger und/oder auf der Signal- und Stromverteilungskomponente umlaufend mit dem Schaltungsträger und/oder der Signal- und Stromverteilungskomponente verbunden ist, wobei als Schaltungsträger eine PCB und als Signal- und Stromverteilungskomponente eine weitere PCB eingesetzt wird.
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Mit anderen Worten kann nun erfindungsgemäß anstelle einer mehrschichtigen Keramik ein deutlich preisgünstigerer Leiterplattenaufbau als Schaltungsträger eingesetzt werden, der weiterhin die elektronischen Bauteile der zentralen Steuerungseinheit trägt und zudem die Ableitung der durch die Leistungseinheiten erzeugten Wärme sicherstellt. Der Einsatz teurer keramischer Schaltungsträger wie beispielsweise LTCCs (Low Temperature co-fired Ceramics), keramische Dickschichtsubstrate oder HTCCs (High Temperature co-fired Ceramics) und deren Anbindung mittels starrer oder flexibler Leiterplatten an die peripheren Komponenten ist damit nicht mehr notwendig, kann jedoch mit dem erfindungsgemäßen Modul dennoch kostengünstig und vereinfacht vorgenommen werden.
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Durch das erfindungsgemäße Konzept kann vorteilhaft die Außenkontur des elektronischen Bauteils durch einen Stanzprozess variabel an die applikationsspezifischen Vorgaben angepasst werden. Hinsichtlich der Signal- und Stromverteilungskomponente kann neben der Realisierung von Kreuzungen und sehr feiner Leiterbahnstrukturen auch eine flächenoptimierte Struktur mit einer hohen Anzahl von Anschlusskontakten bereitgestellt werden.
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Es können als Signal- und Stromverteilungskomponenten erfindungsgemäß vergleichsweise kostengünstige PCB-Leiterplatten (Printed Circuit Bords) eingesetzt werden. Die Signal- und Stromverteilungskomponente ist bevorzugt zwei- oder mehrlagig. So kann bevorzugt eine zweilagige PCB-Leiterplatte mit einem elektrisch isolierenden Kern und einer Kupferbeschichtung eingesetzt werden.
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Besonders bevorzugt wird eine doppelseitige PCB zur Signal- und Stromverteilung an beispielsweise Stecker, Sensoren oder Aktuatoren eingesetzt, die aus einem elektrisch isolierenden Kern und einer beidseitig aufgebrachten leitenden Beschichtung, bevorzugt aus Kupfer, aufgebaut ist. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen können offene Leiterbahnbereiche durch einen Lötstopplack abgedeckt werden.
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Dieser Aufbau ist relativ dünn und ermöglicht vorteilhafterweise die Ausbildung von dreidimensionalen Strukturen durch Biegen einzelner PCB-Bereiche. Dies ist für einen Einsatz beispielsweise in einem Getriebe sehr hilfreich, da unter anderem verschiedene Kontaktierlevel erforderlich sind. Gleichzeitig sind im Gegensatz zu einlagigen flexiblen Leiterplatten zudem Kreuzungen der Verteilungspfade möglich.
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Weiterhin bevorzugt weist die mehrlagige Signal- und Stromverteilungskomponente ihrerseits verschiedene Kontaktstellen zur elektronischen Anbindung der peripheren Komponenten auf. Wie vorstehend bereits beschrieben können sowohl Anschlüsse für Stecker als auch für Sensoren, Ventile und andere Aktuatoren vorgesehen werden, was eine große Flexibilität des Gesamtaufbaus des elektronischen Bauteils ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die elektronische Anbindung der außerhalb des Gehäuses liegenden Komponenten mittels Einpresstechnik, Löten und/oder Laserschweißen ausgeführt werden.
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Über so genannte Pressfit-Pins in der Einpresstechnik kann eine variable, einfache und sichere elektronische Verbindung zu den peripheren Komponenten hergestellt werden.
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Gleichermaßen bevorzugt kann diese Verbindung je nach Anforderung der Komponente auch mittels Laserschweißen hergestellt werden. Generell ist die Art der Verbindungsherstellung nicht kritisch und kann nach den jeweiligen Voraussetzungen der Komponenten und der vorhandenen Prozesseinrichtungen aus dem Fachmann bekannten Verfahren ausgewählt werden. So können die Verbindungen lösbar beispielsweise als Stecker oder nicht lösbar durch beispielsweise Löten oder Schweißen hergestellt werden. Die Leiterplatte wird besonders bevorzugt direkt mit den Signalgebern und -empfängern (insbesondere Sensoren, Ventile, etc.) außerhalb des Gehäuses verbunden.
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Der flache Schaltungsträger kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein. Bevorzugt ist der Schaltungsträger erfindungsgemäß eine mehrlagige PCB Leiterplatte.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die elektronischen Bauteile der zentralen Steuerungselektronik in die mehrlagige PCB-Leiterplatte des Schaltungsträgers innen liegend oder auf der Oberfläche integriert sein. Als elektronische Bauteile können beispielsweise gedruckte Widerstände oder Kapazitäten, die auch als Leitungen oder Flächen ausgeführt sein können, sowie Chips oder komplexe Chips (ICs) eingesetzt werden. Auch die Verarbeitung von so genannten Bare-Chips, die gebondet werden, und von gehäusten Bauelementen, die geklebt oder gelötet werden, ist möglich. Auf diese Weise sind eine erhöhte Langzeitstabilität und eine ausgezeichnete Anbindung an die Signal- und Potentialverteilungspfade des Schaltungsträgers gewährleistet.
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Bevorzugt sind die elektronischen Bauteile mit dem Schaltungsträger vergossen, was zum Beispiel mit Silgel oder anderen bekannten Vergussmassen ausgeführt wird.
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Die elektronischen Bauteile der zentralen Steuerungselektronik können bevorzugt mittels Lötverfahren oder Kleben auf der mehrlagigen Leiterplatte des Schaltungsträgers befestigt und/oder kontaktiert sein. Das Lötverfahren kann beispielsweise ein Reflow-Lötverfahren sein.
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Alternativ oder zusätzlich können die elektronischen Bauteile der zentralen Steuerungselektronik darüber hinaus mit der mehrlagigen Leiterplatte des Schaltungsträgers vergossen sein.
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Diese industriellen Verfahren lassen sich leicht automatisieren und damit auch in bereits bestehende Prozesse eingliedern.
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Die mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem Schaltungsträger und der Signal- und Stromverteilungskomponente kann bevorzugt mittels eines Lötprozesses erreicht werden. Besonders bevorzugt können an dem Schaltungsträger dazu an seiner Außenkontur Aussparungen in Form von Halbhülsen ausgebildet. Diese können zur Verbesserung der Haltbarkeit und der elektrischen Kontaktierung mit Kupfer beschichtet sein. Die Halbhülsen kommen dabei auf die Lötpads der Signal- und Stromverteilungskomponente zu liegen und sind mit einem geeigneten Lötverfahren, beispielsweise Laserlöten oder Kolbenlöten, simultan verbindbar.
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Auch Schweißen, Crimpen, Draht-Bonden oder die Verwendung von Leitkleber ist als Verbindungsmethode für die beiden Komponenten möglich. Optional kann die mechanische Verbindung auch entkoppelt von der elektrischen Verbindung durch geeignete Maßnahmen, wie Laminieren zum Beispiel mit Acrylkleberfolie oder über ein Nut und Federprinzip, vorgenommen werden. Diese Maßnahmen dienen gleichzeitig der verbesserten Abdichtung des Moduls nach unten.
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Der Gehäusedeckel besteht bevorzugter Weise aus einem Stanzbiegeteil aus einem metallischen Material, besonders bevorzugt ist er aus Aluminium.
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Es wird damit eine Abdichtung des Elektronikraums nach oben beispielsweise zum Getriebeöl hin und eine gute EMV-Abschirmung erreicht.
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Besonders bevorzugt können an den Randbereichen des Gehäusedeckels Noppen oder andere Befestigungselemente ausgeprägt sein, die einen definierten Sitz des Deckels sicherstellen.
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Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Modul für eine integrierte Getriebesteuerung eines Kraftfahrzeugs verwendet.
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Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von mehreren Ausführungsvarianten in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.
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In diesen zeigt:
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1 eine schematische Querschnittsansicht auf ein erfindungsgemäßes Modul einer integrierten Steuerungselektronik, bei dem der Gehäusedeckel vollständig auf der Signal- und Stromverteilungskomponenten angeordnet ist,
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2 eine schematische Querschnittsansicht auf ein erfindungsgemäßes Modul einer integrierten Steuerungselektronik, bei dem der Gehäusedeckel vollständig auf dem Schaltungsträger angeordnet ist,
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3 eine schematische Querschnittsansicht eines alternativ ausgestalteten Gehäusekonzepts aus 1, und
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4 eine schematische Detailansicht im Aufsatzbereich des Gehäusedeckels einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Moduls.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht auf ein erfindungsgemäßes Modul 1 einer integrierten Steuerungselektronik. Ein Schaltungsträger 4 mit an seiner Oberfläche angeordneten elektronischen Bauteilen 12 ist mechanisch und elektrisch in einem Überlappungsbereich 7 mit einer Signal- und Stromverteilungskomponente 5 verbunden. Er ist zudem vollständig unter dem auf der Signal- und Stromverteilungskomponente aufsitzenden Gehäusedeckel 2 angeordnet. Das Gehäuse des Moduls umfasst zudem einen Gehäuseboden 3, der als Wärmesenke sowie als zusätzliche Abdichtung nach unten fungieren kann.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht auf ein erfindungsgemäßes Modul einer integrierten Steuerungselektronik 1. Der Gehäusedeckel 2 sitzt in dieser Ausgestaltung der Erfindung vollständig auf dem Schaltungsträger 4, der oberhalb der Signal- und Stromverteilungskomponente 5 angeordnet ist. Der Schaltungsträger 4 weist an seiner Oberfläche verschiedene elektronische Bauteile 12 auf. Auch hier kann optional ein Gehäuseboden 3 vorgesehen sein.
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3 eine schematische Querschnittsansicht eines alternativ ausgestalteten Modul aus 1. Hier ist in Abänderung des Aufbaus aus 1 der Schaltungsträger 4 mit den elektronischen Bauteilen 12 unterhalb der Signal- und Stromverteilungskomponente 5 angebracht und mit dieser in einem Überlappungsbereich 7 verbunden.
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4 zeigt eine Detaildarstellung eines Querschnitts durch die Aufsatzfläche des Deckels auf der Signal- und Stromverteilungskomponente 5 für ein erfindungsgemäßes Modul 1. Bevorzugt ist die Signal- und Stromverteilungskomponente 5 aus einer mehrlagigen PCB-Leiterplatte aufgebaut, die einen elektrisch isolierenden Kern und zwei darauf aufgebrachte Kupferbeschichtungen aufweist. Alternativ kann gleichermaßen eine PCB-Leiterplatte mit einem Kern und nur einer Kupferbeschichtung verwendet werden. Der Aufsatzbereich 7 für den in den 1 bis 3 gezeigten Gehäusedeckel 2 ist vorliegend genauer dargestellt. In der gezeigten Ausführungsform sitzt der Deckel 2 sowohl auf der Signal- und Stromverteilungskomponente 5 als auch auf dem Schaltungsträger 4 in deren Überlappungsbereich auf. Die elektrische und mechanische Verbindung zwischen den beiden Komponenten Schaltungsträger 4 und Signal- und Stromverteilung 5 wird über Löt- oder Klebe-Verbindungen und Laminieren hergestellt. Im gezeigten Aufbau kann der Gehäusedeckel 2 zusätzlich als Halteelement für beide PCB-Komponenten dienen.
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Darüber hinaus können auch bei der Signal- und Stromverteilungskomponente 5 dreidimensionale Strukturen beispielsweise durch Biegen mit oder ohne Tiefenfräsung ausgebildet werden. Dadurch und durch die Möglichkeit der Stanzung der Komponente ist eine flexible Anpassung an die applikationsspezifischen Vorgaben zur Dimensionierung und zur Architektur gegeben.
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Zusammenfassend wird demnach ein Modul für eine integrierte Steuerungselektronik vorgeschlagen, bei dem der flache Schaltungsträger mit der Signal- und Stromverteilungskomponente elektrisch und mechanisch verbunden ist und der Gehäusedeckel auf dem Schaltungsträger und/oder auf der Signal- und Stromverteilungskomponente derart angeordnet ist, dass er umlaufend mit dem Schaltungsträger und/oder der Signal- und Stromverteilungskomponente verbunden ist.
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Die Signal- und Potentialverteilungen ebenso wie die Trägereigenschaft für die elektronischen Bauteile können von relativ preiswerten PCB-Leiterplatten übernommen werden, so dass ein Einsatz von vergleichsweise teuren flexiblen Leiterplatten entfallen kann. Gleichzeitig kann eine Verbesserung der EMV-Abschirmwerte und der thermischen Wärmeableitung der Leistungsabwärme durch das erfindungsgemäße Konzept erzielt werden.
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Der Montageprozess kann durch die Laminierung und Verlötung der Schaltungsträger mit der damit verbundenen Signal- und Stromverteilungskomponente in einem Schritt deutlich verkürzt werden.
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Die Montage ist zudem leicht und kostengünstig in den Gesamtmontageprozess einer elektronischen Vorrichtung integrierbar.
