DE102011075308A1

DE102011075308A1 - Elektronische Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102011075308A1
Application number: DE102011075308A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Barth; Hans-Walter Schmitt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2012-11-08

Abstract

Eine elektronische Schaltungsanordnung (10) weist auf einer Leiterplatte (110) ein elektronisches Bauelemente (160) auf, das von elektrischen und/oder magnetischen Störfeldern abgeschirmt werden soll. Dazu ist auf der Leiterplatte (110) ein Rahmen (180) mit einem darauf befestigten, elektrisch leitenden Blechteil (170) angeordnet, wodurch mit der Leiterplatte (110) ein faradayschen Käfig für das elektronische Bauelemente (160) ausgebildet wird. Der Bereich (150) um das Bauelement (160), der durch den Rahmen (180) und das elektrisch leitende Blechteil (170) begrenzt wird, ist zumindest teilweise mit einer Moldmasse (155) gefüllt, wodurch die Entwärmung des elektronischen Bauelements (160) verbessert wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer elektronischen Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
Derartige Geräte sind in vielfältigen Ausgestaltungen und für unterschiedliche Anwendungszwecke bekannt. Beim Einsatz derartiger Schaltungsanordnung tritt häufig das Problem der Abschirmung von elektrischen und/oder magnetischen Feldern auf. Dabei ist es erforderlich, die elektronische Schaltung, Teile davon oder auch nur einzelne Bauelemente, vor elektrischen und/oder magnetischen Störeinstrahlungen zu schützen. Genauso kann es notwendig sein, die in einer elektronischen Schaltung entstehenden Störstrahlungen nicht nach außen gelangen zu lassen. Weiterhin kann es auch erforderlich sein, störeinstrahlempfindliche Bauelemente der Schaltung vor der Abstrahlung von störabstrahlenden Bauelementen dieser Schaltung zu schützen. Insbesondere elektronische Schaltungsanordnungen in Steuergeräten in Kraftfahrzeugen müssen daher im Hinblick auf ihre elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) verbessert und optimiert werden.
Aus der DE 43 17 469 A1 ist ein Steuergerät bekannt, bei dem einzelne Schaltungsbauelemente oder die gesamte Schaltung mit einer geschlossenen Abschirmbox abgedeckt werden.
Derartige elektronische Schaltungsanordnungen weisen Leistungsbauelemente auf, die im Betrieb Abwärme erzeugen. Vor allem bei Schaltungsanordnungen, die in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet sind, muss sichergestellt sein, dass die Wärme zuverlässig abgeführt wird, um eine hitzebedingte Schädigung der Schaltungsanordnung zu vermeiden. Üblicherweise werden Leistungsbauelemente derart entwärmt, dass ein Kühl-Slug die Wärme in die Leiterplatte abgibt, auf der die Leistungsbauelemente angeordnet sind. Von der Leiterplatte wird die Wärme mit Hilfe von thermischen Vias direkt an Kühlbänke abgeleitet, die an dem Gehäuse angeordnet sind. Die Lage der Kühlbänke ist durch die Geometrie des Gehäuses meist weitgehend festgelegt, wodurch die Freiheit zur Platzierung von Bauelementen stark eingeschränkt wird. Außerdem können aufgrund der thermischen Vias nicht alle Außen- und Innenlagen der Leiterplatte unter den Kühlbänken für die Signalleitung genutzt werden.
Aus der DE 102009054517 ist ein Steuergerät bekannt, bei dem ein deckelartiges Blechteil zur Abschirmung von elektromagnetischen Feldern zusätzlich zur Kühlung eines zugeordneten elektronischen Bauelements genutzt wird, indem das Blechteil mindestens einen Bereich aufweist, der auf einer wärmeabgebenden Oberfläche des zu kühlenden Bauelements zur Anlage kommt. Diese Ausführung besitzt den Nachteil, dass das Blechteil kompliziert geformt sein muss.
Offenbarung der Erfindung
Bei der Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wird das Problem der Abschirmung von elektrischen und/oder magnetischen Feldern durch den Einsatz eines oder mehrerer elektrisch leitender Abschirmelemente gelöst, die jeweils zusammen mit der Leiterplatte und eventuell weiterer Bauteile einen faradayschen Käfig um die gesamte Schaltung, Gruppen von Bauelementen, oder einzelne Bauelemente bilden. Unter einem faradayschen Käfig versteht man im Allgemeinen eine allseitig geschlossene oder mit Öffnungen versehene Hülle aus einem elektrischen Leiter, deren Innenraum dadurch von äußeren elektrischen Feldern oder elektromagnetischen Wellen abgeschirmt ist.
Ein erfindungsgemäßes elektrisch leitendes Abschirmelement ist dazu beispielsweise aus Blech oder einem Drahtgeflecht hergestellt. Ein solches elektrisch leitendes Abschirmelement ist einfach und kostengünstig in der Herstellung und Montage und beansprucht wenig Platz. Somit wird ein kleiner und kompakter Aufbau möglich.
Um die Entwärmung der elektronischen Leistungsbauelemente, die von dem Abschirmelement abgeschirmt werden zu verbessern, ist erfindungsgemäß der Bereich, der durch das elektrisch leitende Abschirmelement um das Bauelement oder die Bauelementgruppe begrenzt wird mit einem elektrisch isolierenden Material, zumindest teilweise gefüllt, so dass das Leistungsbauelement zumindest teilweise von dem elektrisch isolierenden Material umgeben ist. Das elektrisch isolierende Material weist dabei eine im Vergleich zu Luft hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
Das elektrisch isolierende Material kann vorteilhaft als duroplastische Moldmasse oder Vergussmasse ausgeführt sein, die in flüssigem Zustand in den Bereich eingefüllt wird und anschließend ausgehärtet wird.
Die von dem elektronischen Bauelement über Wärmeleitung abführbare Wärmeleistung P kann nach der Formel P = a·l·(T_O – T_i) berechnet werden, wobei a die Wärmeleitfähigkeit, l die Wegstrecke durch das wärmeleitende Material, T_O die Temperatur an der Oberfläche des elektronischen Bauelements und T_i die Umgebungsteperatur darstellt. Da die Wärmeleitfähigkeit des elektrisch isolierenden Materials, mit dem das elektronische Bauelement erfindungsgemäß umgeben ist, größer ist, als die Wärmeleitfähigkeit von Luft, wird eine deutliche Erhöhung der über Wärmeleitung abführbaren Wärmeleistung im Vergleich zum Stand der Technik erzielt.
Bevorzugt ist die Schaltungsanordnung im Inneren eines Gehäuses angeordnet. Der Abstand der Oberfläche des erfindungsgemäß gebildeten Bereichs, der durch das elektrisch leitende Abschirmelement begrenzt wird und der mit einem elektrisch isolierenden Material, zumindest teilweise gefüllt weist einen kleineren Abstand zu einer Gehäusewand auf, als die Oberfläche des Bauelements allein, wodurch weiterhin die Wärmeabgabe an eine Gehäusewand schneller erfolgen kann, als beim Stand der Technik.
Das isolierende Material bewirkt eine Spreizung der von dem Bauelement abgegebenen Wärme. Das bedeutet, dass die Wärme von dem Material aufgenommen und verteilt wird. Aufgrund des im Vergleich zu dem elektronischen Bauteil großen Volumens, das das isolierende Material einnimmt, ergibt sich ein Temperaturausgleich. Wärmespitzen werden damit vermieden und die Lebensdauer des Bauelements wird verlängert. Die Oberfläche des direkt Wärme an die Umgebungsluft abgebenden Bereichs ist größer als die Oberfläche des Bauelements allein betrachtet. Damit erhöht sich auch die durch Konvektion abführbare Wärmeleistung.
Ein weiterer vorteilhafter Effekt des elektrisch isolierenden Materials, besteht darin, dass es die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erhöht, da die von dem elektrisch isolierenden Material umgebenen Bauelemente durch das Material mechanisch stabilisiert und vor äußeren Einwirkungen, etwa bei einem Stoß oder Fall, geschützt sind.
Bevorzugt ist das elektrisch leitende Abschirmelement als elektrisch leitendes Blechteil, insbesondere als Tiefziehteil, ausgebildet und besitzt beispielsweise eine hauben- oder topfartige Form. Es wird bevorzugt auf einem Metallrahmen befestigt, der auf der Leiterplatte angeordnet ist und die Bauelemente oder Bauelementgruppen umgibt, die von dem elektrisch leitenden Blechteil abgeschirmt werden. Die Leiterplatte weist dazu vorzugsweise eine Kupferlage unterhalb des Metallrahmens auf, so dass ein geschlossener Käfig gebildet wird. Der Bereich, der mit dem isolierenden Material gefüllt ist, wird damit bevorzugt durch das Blechteil, den Metallrahmen und die Leiterplatte begrenzt. Das Blechteil und/oder der Metallrahmen weisen bevorzugt Öffnungen auf, durch die das isolierende Material in den Bereich eingefüllt werden kann.
Die Wärmeleitfähigkeit des elektrisch isolierenden Materials kann verbessert werden, indem in vorteilhafter Weise Füllstoffe vorgesehen werden, die eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu dem elektrisch isolierenden Material alleine aufweisen. Diese Füllstoffe müssen ebenfalls elektrisch isolierend sein.
Besonders als Füllstoffe geeignet sind Materialen wie Bornitrid, Aluminiumnitrid, Diamant, Siliziumcarbid oder Berylliumoxid. Die Füllstoffe können der Moldmasse oder der Vergussmasse in Pulverform beigemengt sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die geometrische Form der einzelnen Partikel eine im Verhältnis zum Volumen des Partikels große Oberfläche aufweist, beispielsweise durch eine stäbchen- oder faserförmige Geometrie. Durch die große Oberfläche wird der Wärmeübergang von einem zum nächsten Partikel optimiert, da die Wahrscheinlichkeit, dass eine große Berührungsfläche zwischen benachbarten Partikeln vorhanden ist mit der Partikeloberfläche anwächst. Somit kann durch die Verwendung von Füllstoffen bei denen die Partikel, die ein großes Oberflächenverhältnis aufweisen eine bei gleichem Füllanteil eine höhere Wärmeleitfähigkeit erzielt werden bzw. eine vorgegebene Wärmeleitfähigkeit mit einem geringeren Füllanteil erzielt werden als wenn Partikel mit annähernd kugelförmiger Geometrie verwendet werden.
Bevorzugt liegt der Füllanteil bei 60 bis 90 Vol-%. Bei höheren Füllgraden nimmt die Fließfähigkeit der bevorzugten elektrisch isolierenden Materialen, wie Moldmasse oder Gießharz ab, so dass die Verarbeitung erschwert wird.
Die beschriebene Art der Kühlung ist insbesondere dann sehr wirkungsvoll, wenn wenigstens ein Leistungsbauelement in der sogenannten Slug-up Bauweise vorliegt. Ein derartiges Bauelement besitzt auf seiner der Leiterplatte abgewandten Seite ein Metallelement, das die Wärme aus dem Inneren des Bauelements an dessen Oberfläche ableitet, wo sie von dem elektrisch leitenden Abschirmelement aufgenommen wird. Dazu besteht das elektrisch leitende Abschirmelement vorzugsweise aus einem Material, das zusätzlich zu seiner elektrischen Leitfähigkeit auch eine hohe Wärmekapazität und eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Geeignete Materialien sind beispielsweise Kupfer oder Aluminium.
Die Schaltungsanordnung ist bevorzugt in einem Gehäuse angeordnet. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Einschubgehäuse aus Metall oder Kunststoff handeln, in das die bestückte und erfindungsgemäß ein Abschirmelement umfassende Leiterplatte eingeschoben wird. Alternativ ist auch ein mehrteiliges Gehäuse denkbar, bei dem die Leiterplatte in einem Bodenteil befestigt wird und das Bodenteil mit einem Deckelteil verschlossen wird.
Besonders bevorzugt wird ein Gehäuse ausgebildet, indem die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einem abschließenden Herstellungsschritt teilweise oder vollständig mit einem elektrisch isolierenden Material umgossen wird. Bei dem elektrisch isolierenden Material kann es sich insbesondere um ein Moldmaterial oder eine Vergussmasse handeln. Es kann sich beispielsweise um dasselbe Material handeln mit dem erfindungsgemäß ein Bereich um ein elektronisches Bauelement, der von der Leiterplatte und einem Abschirmelement begrenzt wird, gefüllt ist. Alternativ kann auch ein anderes Material zur Ausbildung eines derartigen Gehäuses verwendet werden.
Insbesondere wenn das erfindungsgemäß vorgesehene elektrisch leitende Abschirmelement Öffnungen zum Einbringen eines elektrisch isolierenden Materials aufweist, können der erfindungsgemäß erforderliche Prozessschritt des Befüllens des Bereichs um das elektronische Bauelement und die der Prozessschritt der Ausbildung eines Gehäuses durch Umgießen der Schaltungsanordnung vereinheitlicht werden. In einem einzigen Prozessschritt wird die Schaltungsanordnung mit einem elektrisch isolierenden Material umgossen, wobei das elektrisch isolierende Material durch die Öffnungen in dem Abschirmelement in den abgeschirmten Bereich eindringt.
Der Vorteil eines derartigen Gehäuses besteht darin, dass der Verbund aus Gehäuse und Schaltungsanordnung eine kleine und kompakte Baugröße aufweist. Außerdem wird durch das Umgießen der Schaltungsanordnung mit einem Vergussmaterial die Wärmeableitung aus der Schaltung insgesamt weiter verbessert, da die Wärme von gegebenenfalls elektrische Bauelemente, die nicht von einem Abschirmelement umgeben sind, Wärme direkt an die Vergussmasse abgeben können. Ein weiterer Vorteil eines derartigen Gehäuses besteht darin, dass alle Schaltungselemente durch die Vergussmasse mechanisch stabilisiert und vor Umwelteinflüssen wie Schmutz oder Feuchtigkeit geschützt sind.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Zeichnungen
1 zeigt einen Schnitt durch eine Schaltungsanordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt einen Schnitt durch eine Schaltungsanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt einen Schnitt durch eine Schaltungsanordnung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt einen Schnitt durch eine Schaltungsanordnung nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In 1 ist ein eine Schaltungsanordnung 10, beispielsweise ein Steuergerät, dargestellt. Sie umfasst ein Gehäuse 100, das beispielsweise aus Metall oder Kunststoff besteht. Das Gehäuse 100 ist durch mindestens einen nicht dargestellten Deckel oder Stecker in sich abgeschlossen. Im Gehäuse 100 ist eine Leiterplatte 110 angeordnet. Die Leiterplatte 110 ist durch eine nicht dargestellte Befestigungsvorrichtung in dem Gehäuse 100 fixiert. Die Leiterplatte 110 ist beidseitig mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen bestückt. Hierbei kann es sich beispielsweise um passive Bauelemente, wie den Kondensator 130 oder Widerstände 140, 142, oder um aktive Bauelemente, beispielsweise die Leistungsbauelemente 160 handeln. Die Bauelemente sind durch seitliche Anschlüsse 135 oder durch Lotkugeln 136 mit den auf der Leiterplatte verlaufenden, in der Zeichnung nicht sichtbaren Leiterbahnen kontaktiert, oder werden, wie am Beispiel des Kondensators 130, über nicht dargestellte Durchkontaktierungen mit der Leiterplatte verbunden.
Auf der Oberseite der Leiterplatte sind ein Kondensator 130, Widerstände 140, sowie Logikbauelemente 120 angeordnet. Die Logikbauelemente 120 weisen nur eine geringe Leistung und darum auch nur eine geringe Wärmeentwicklung auf.
Auf der Unterseite der Leiterplatte 110 sind ebenfalls verschiedene elektrische und/oder elektronische Bauelemente 142, 121 angeordnet. Ebenfalls auf der Unterseite der Leiterplatte 110 ist ein sogenanntes Modul 190, auch Multi-Chip Module (MCM) genannt, angeordnet. Unter einem derartigen Modul versteht man im Allgemeinen eine kleine, mit Bauelementen bestückte Leiterplatte, die beispielsweise auf einer größeren Leiterplatte angeordnet und über Lotkugeln mit dieser kontaktiert sein kann. In dem vorliegenden Beispiel besteht das Modul 190 aus einer Leiterplatte 112, die kleiner und dünner ausgebildet ist als die Leiterplatte 110, und auf der zwei Bauelemente 192 und 194 angeordnet sind. Die Bauelemente 192 und 194 sind in Wafer-Level-Package Bauweise aufgebaut. Das Modul 190 ist über Lotkugeln 154 mit der Leiterplatte 110 kontaktiert.
Bei dem Bauelement 160, handelt es sich um ein Leistungsbauelement mit hoher Leistung und entsprechend hoher Wärmeentwicklung. Das Leistungsbauelement 160 ist in diesem Beispiel in sogenannter Slug-up Bauweise aufgebaut. Es weist ein Metallplättchen 161, einen sogenannten Heat-Slug, an seiner der Leiterplatte 110 abgewandten Seite auf. Dieser Heat-Slug dient zur Ableitung von Wärme aus dem Inneren des Leistungsbauelements 160 an dessen Oberfläche.
Auf der Oberseite der Leiterplatte 110 ist ein elektrisch leitender Metallrahmen 180 angeordnet, der das Bauelement 160 umgibt. Auf dem Metallrahmen 180 ist ein elektrisch leitendes Blechteil 170 befestigt und bildet einen Deckel. Das Blechteil 170 ist mittels einer Klipsverbindung 188 befestigt. Dazu weist der Metallrahmen 180 oder das elektrisch leitende Blechteil 170 eine umlaufende Nut auf in die ein an dem jeweils anderen Teil angebrachter Fortsatz nach Art einer Nut-Feder Verbindung eingreift und so das elektrisch leitende Blechteil 170 auf dem Metallrahmen 180 fixiert wird.
Der Metallrahmen 180, das elektrisch leitende Blechteil 170 und die Leiterplatte 110 bilden zusammen einen faradayschen Käfig für die Bauelemente 160, 162 und 142, wodurch sich eine wirkungsvolle Abschirmung von elektrischen und/oder magnetischen Störfeldern für das Bauelement 160 ergibt. Das elektrisch leitende Blechteil 170 dient damit als Abschirmelement. Diese Wirkung kann durch eine Kupferlage 115 in der Leiterplatte 110 unter dem Metallrahmen 180 ergänzt werden. Die Befestigung des Blechteils 170 an dem Metallrahmen 180 erfolgt berührend über eine Klipsverbindung 188 und ist somit elektrisch leitend. Alternativ zu einer Klipsverbindung kann die Verbindung zwischen dem Metallrahmen 180 und dem elektrisch leitenden Blechteil 170 beispielsweise auch durch Schweißen oder Löten hergestellt werden.
Um eine optimale Entwärmung des Bauelement 160 zu erzielen, ist der Bereich 150 um das Bauelement 160, der durch den Metallrahmen 180, das Blechteil 170 und die Leiterplatte 110 begrenzt wird, mit einer ausgehärteten Moldmasse 155 gefüllt. Vom Bauelement 160 erzeugte Wärme wird demnach zunächst über das Heat-Slug 161 an die umgebende Moldmasse abgegeben. Da die Wärme dadurch über einen größeren Raum verteilt wird, findet eine Wärmespreizung statt. Dadurch, dass die Oberfläche des Bereichs, der Wärme abstrahlt nun im Vergleich zu der Oberfläche des elektronischen Bauelements 160 allein betrachtet deutlich größer ist, erhöht sich die in den Innenraum des Gehäuses 100 abgeführte Wärmeleistung. Weiterhin wird durch diese Maßnahme der Abstand l zwischen dem Bauelement 160 und der Gehäusewand zu einem Teil von der Moldmasse überbrückt, wodurch sich die Wärmeleitung verbessert.
Duroplastische Moldmassen 155, wie sie erfindungsgemäß eingesetzt werden können, sind beispielsweise aus Transfermolding-Prozessen bekannt. Sie werden heiß in flüssigem Zustand eingefüllt und härten dann aus. Die Wärmeleitfähigkeit von üblicherweise verwendeten Moldmassen beträgt ca. 0,35 bis 0,7 W/(m·K). Dies ist erheblich mehr als die Wärmeleitfähigkeit von Luft (ca. 0,026W/(m·K)). Wärme wird also deutlich schneller vom Bauelement 160 zur Gehäusewand transportiert. Alternativ kann als elektrisch isolierendes Material eine Vergussmasse, wie z.B. ein Gießharz verwendet werden. Derartige Gießharze weisen eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,65W/(m·K) auf. Gießharze härten langsamer aus als Moldmasse. Alternativ können thermoplastische Materialien verwendet werden.
Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit kann die Moldmasse 155 Füllmaterialien aus einem elektrisch isolierenden Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit enthalten. Geeignet sind zum Beispiel Bornitrid, Aluminiumnitrid, Diamant, Siliziumcarbid, Berylliumoxid, die der Moldmasse in Pulverform beigemengt sind.
Bei der Herstellung der Schaltungsanordnung 10 wird zunächst die Leiterplatte 110 mit den elektronischen Bauelementen 120, 121, 130, 140, 141, 142, 160, 190 bestückt. Außerdem wird der Metallrahmen 180 auf der Leiterplatte 110 angebracht, beispielweise aufgelötet. Dann wird der Bereich 150, der durch den Metallrahmen 180 und die Leiterplatte 110 um das Bauelement 160 begrenzt, mit einer flüssigen Moldmasse 155 in der Art eines „Dam and Fill Dispensing“-Prozesses aufgefüllt, wobei das Aufbringen einer Barriere („Dam“) nicht nötig ist, da der Metallrahmen 180 als Barriere dient. Nach dem Aushärten der Moldmasse 155 wird das elektrisch leitende Abschirmelement 170 auf den Rahmen 180 aufgesetzt und mittels einer Klipsverbindung 188 befestigt. Alternativ zu einer Klipsverbindung kann die Verbindung zwischen dem Metallrahmen 180 und dem elektrisch leitenden Blechteil 170 beispielsweise auch durch Schweißen oder Löten hergestellt werden. Bei dieser Prozessreihenfolge ist muss darauf geachtet werden, dass nicht zuviel Moldmasse in den Bereich 150 eingefüllt wird, da ansonsten das Blechteil 172 nicht mehr befestigt werden kann.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Aufbau der dargestellten Schaltungsanordnung 11 entspricht im Wesentlichen der Ausführung aus 1. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Schaltungsanordnung weist ein elektronisches Bauelement 160 auf, das als Leistungsbauelement mit hoher Wärmeentwicklung ausgeführt ist. In der Umgebung des Bauelements 160 sind zwei elektronische Bauteile 162 und 164 angeordnet. Die Bauelemente 160, 162 und 164 bilden eine Gruppe von Bauelementen aus. Diese Gruppe muss in diesem Beispiel vor elektrischen und/oder magnetischen Störfeldern abgeschirmt werden. Die Bauelemente 162 und 164 können ebenfalls als Leistungsbauelemente mit hoher Wärmeentwicklung ausgeführt sein.
Auf der Oberseite der Leiterplatte 110 ist ein Metallrahmen 182 angeordnet, der die Bauelementegruppe bestehend aus Bauelementen 160, 162 und 164 umgibt. An dem Metallrahmen 180 ist ein elektrisch leitendes Blechteil 172 mittels einer Klipsverbindung 188 befestigt. Dabei weist der Metallrahmen oder das elektrisch leitende Blechteil 172 eine umlaufende Nut auf, in die ein an dem jeweils anderen Teil angebrachter Fortsatz nach Art einer Nut-Feder Verbindung eingreift und so das elektrisch leitende Blechteil 172 auf dem Metallrahmen 182 fixiert wird. Der Metallrahmen 182, das elektrisch leitende Blechteil 172 und die Leiterplatte 110 bilden zusammen einen faradayschen Käfig für die Bauelemente 160, 162 und 164, wodurch sich eine wirkungsvolle Abschirmung von elektrischen und/oder magnetischen Störfeldern für diese Bauelemente 160, 162 und 142 ergibt. Das elektrisch leitende Blechteil 172 dient damit als Abschirmelement. Alternativ zu einer Klipsverbindung kann die Verbindung zwischen dem Metallrahmen 182 und dem elektrisch leitenden Blechteil 172 beispielsweise auch durch Schweißen oder Löten hergestellt werden.
Um eine optimale Entwärmung der Gruppe der Bauelemente 160, 162 und 164 zu erzielen, ist der Bereich 150 um die Bauelemente 160, 162 und 164, der durch den Metallrahmen 182, das Blechteil 172 und die Leiterplatte 110 begrenzt wird, mit einer Moldmasse 155 gefüllt. Von den Bauelementen 160, 162 und 164 erzeugte Wärme wird an die umgebende Moldmasse 155 abgegeben. Durch diesen Aufbau, wird analog zum im Zusammenhang mit 1 diskutierten Mechanismus, die in den Innenraum des Gehäuses 100 abgeführte Wärmeleistung erhöht und die Entwärmung der Gruppe der Bauelemente 160, 162 und 164 optimiert.
Das Blechteil 172 weist eine Mehrzahl von Öffnungen 174 auf, wie in 2a in Draufsicht dargestellt ist. Durch die Öffnungen wird die abschirmende Wirkung des Blechteils 172 nicht beeinträchtigt. Sie bewirken, dass die Moldmasse 155 nach dem Zusammenbau der Anordnung aus Leiterplatte 110, elektronischen Bauelementen 160, 162, 164, Metallrahmen 182 und Blechteil 172 in einem nachgeordneten Prozessschritt in flüssigem Zustand durch die Öffnungen 174 in den Bereich 150 eingebracht werden kann und dann ausgehärtet wird. Damit sind Höhentoleranzen des Füllstandes der Moldmasse unkritisch. Im Wesentlichen ist es ausreichend, wenn eine Öffnung 174 in dem Blechteil 172 vorhanden ist. Mehrere Öffnungen 174 sind jedoch vorteilhaft, um eine möglichst vollständige Befüllung des Bereichs 150 zu erzielen. Alternativ kann das Abschirmelement, das die Abdeckung über dem Metallrahmen bildet, als Gitterstruktur ausgebildet sein.
Der Metallrahmen 182 ist in diesem Beispiel als rechteckförmiger Rahmen ausgebildet. Alternativ kann der Rahmen jedoch in einer beliebigen anderen Form ausgebildet sein, die beispielsweise an die Anordnung der elektronischen Bauelemente 160, 162, 164 angepasst ist. In 2b ist in Draufsicht ein Beispiel für eine alternative Ausgestaltung des Metallrahmens 182’ dargestellt, dessen Kontur eine etwa L-förmige Fläche umrahmt. Ein als Blechteil ausgebildetes Abschirmelement (nicht dargestellt), wird auf den Metallrahmen 182’ aufgesetzt, so dass der Metallrahmen 182’, das Blechteil und die Leiterplatte zusammen einen faradayschen Käfig für die Bauelemente 160’, 162’ und 164’ bilden. Das Blechteil weist dazu eine der Kontur des Metallrahmens 182’ entsprechende Form auf.
3 zeigt eine dritte Ausführung der Erfindung. Der Aufbau der dargestellten Schaltungsanordnung 11 entspricht im Wesentlichen der Ausführung aus 2. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Schaltungsanordnung weist ein elektronisches Bauelement 160 auf, das als Leistungsbauelement mit hoher Wärmeentwicklung ausgeführt ist. In der Umgebung des Bauelements 160 sind zwei elektronische Bauteile 162 und 164 angeordnet, die ebenfalls als Leistungsbauelemente mit hoher Wärmeleistung ausgebildet sind. In diesem Beispiel ist eine elektromagnetische Abschirmung des Bauelements 160 zu den Bauelementen 162 und 164, sowie eine elektromagnetische Abschirmung der Bauelemente 160, 162 und 164 zu den restlichen elektronischen Bauelementen 120, 121, 140, 141 erwünscht. Dazu ist ein erster Metallrahmen 182 auf der Leiterplatte 110 angeordnet, der die elektronischen Bauelemente 160, 162 und 164 umgibt. Ein zweiter Metallrahmen 184 ist innerhalb des ersten Metallrahmens 182 angeordnet und umgibt nur das Bauelement 160. Eine Abdeckung in Form eines elektrisch leitenden Blechteils 172 überdeckt beide Metallrahmen 182 und 184 und ist am Metallrahmen 182 durch eine Klipsverbindung 188 elektrisch leitend befestigt. Das Blechteil 172 berührt dabei mit seiner Unterseite den Metallrahmen 184 oder ist mit diesem beispielsweise durch Löten, Schweißen oder mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs verbunden, so dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Blechteil 172 und dem Metallrahmen 184 besteht.
Durch die Metallrahmen 182 und 184 werden demnach, wie in 3a in Draufsicht dargestellt ist, zwei Bereiche 152 und 154 gebildet. Der Bereich 154 wird durch den Metallrahmen 184, die Leiterplatte 110 und das Blechteil 172 (in 3a nicht dargestellt) begrenzt und umgibt das Bauelement 160. Der Bereich 152 wird durch den Metallrahmen 184 den Metallrahmen 182, die Leiterplatte 110 und das Blechteil 172 (in 3a nicht dargestellt) begrenzt und umgibt die Bauelemente 162 und 164. Dadurch ergibt sich eine Abschirmung des Bauelements 160 von den Bauelementen 162 und 164, so wie eine Abschirmung der Gruppe aus den Bauelementen 160, 162 und 164 von der Umgebung. Erfindungsgemäß sind zur Verbesserung der Entwärmung der elektronischen Bauelemente 160, 162 und 164 die Bereiche 152 und 154 mit einer elektrisch isolierenden Masse 156, 158 gefüllt, die beispielsweise durch Öffnungen 174, 176 in dem Blechteil 172 eingebracht werden kann. Dabei ist mindestens eine Öffnung 174 derart angeordnet, dass der Bereich 154 befüllt werden kann und mindestens eine Öffnung 176 derart angeordnet, dass der Bereich 152 befüllt werden kann. Die Bereiche 152 und 154 können mit derselben isolierenden Masse 156, 158 gefüllt sein. Alternativ ist es auch möglich, unterschiedliche Massen oder Massen mit unterschiedlichen Füllmaterialien vorzusehen, um die Wärmeleitfähigkeit optimal an die Wärmeleistung der Bauelemente 160, 162 und 164 anzupassen.
Alternativ kann, wie in 3b in Draufsicht dargestellt ist, der Metallrahmen 182’’ Querverstrebungen 183 aufweisen, so dass mehrere Kammern ausgebildet werden. Jeweils ein elektronisches Bauelement 160’’, 162’’ und 164’’ ist in einer Kammer angeordnet. Ein nicht dargestelltes, als Blechteil ausgebildetes Abschirmelement ist an dem Metallrahmen 182’’ durch eine Klipsverbindung elektrisch leitend befestigt. Das Blechteil berührt dabei mit seiner Unterseite Querverstrebungen 183 oder ist mit diesen beispielsweise durch Löten, Schweißen oder mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs verbunden, so dass jede der Kammern einen separaten abgeschirmten Bereich 152’’, 153’’, 154’’ ausbildet. Damit sind die Bauelemente 160’’, 162’’ und 164’’ jeweils voneinander und von ihrer Umgebung elektromagnetisch abgeschirmt. Erfindungsgemäß sind zur Verbesserung der Entwärmung der elektronischen Bauelemente 160, 162 und 164 die Bereiche 152’’, 153’’, 154’’ mit einer elektrisch isolierenden Masse gefüllt.
In den beschriebenen Beispielen ist die bestückte Leiterplatte 110 jeweils in einem separaten Gehäuse 100 angeordnet. Alternativ ist es möglich ein Gehäuse auszubilden, indem die bestückte Leiterplatte 110 in einem letzten Prozessschritt komplett ummoldet oder mit einem Gießharz vergossen wird. In 4 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 11 mit einem derartig ausgebildeten Gehäuse 102 dargestellt. Die Schaltungsanordnung 11 entspricht im Wesentlichen der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zur 2 ist die Schaltungsanordnung 11 mit einem Vergussmaterial 104, beispielsweise eienm Gießharz umgeben, wodurch das Gehäuse 102 gebildet wird. In diesem Beispiel ist das Vergussmaterial 104 verschieden von der Moldmasse 155 im Bereich 150. Alternativ ist es auch denkbar, dasselbe Material sowohl im Bereich 150 als auch als Gehäuse 102 vorzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4317469 A1 [0003]
DE 102009054517 [0005]

Claims

Elektronische Schaltungsanordnung (10, 11), umfassend: – mindestens eine Leiterplatte (110, 112), – mindestens ein elektronisches Bauelement (160, 162, 164), das auf der Leiterplatte (110, 112) angeordnet ist, – Mittel zum Abschirmen von elektrischen und/oder magnetischen Feldern, wobei die Mittel zum Abschirmen von elektrischen und/oder magnetischen Feldern mindestens ein elektrisch leitendes Abschirmelement (170, 172, 180, 182, 184) umfassen, das so angeordnet ist, dass zumindest das elektrisch leitende Abschirmelement (170, 172) und die Leiterplatte (110) einen faradayschen Käfig für mindestens ein zugeordnetes elektronisches Bauelement (160, 162, 164) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich (150, 152, 154) um das elektronische Bauelement (160, 162, 164), der mindestens durch das elektrisch leitende Abschirmelement (170, 172, 180, 182, 184) und die Leiterplatte (110) begrenzt ist, zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden Material (155, 156, 158) gefüllt ist, wobei das elektrisch isolierende Material (155, 156, 158) eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von Luft.
Elektronische Schaltungsanordnung (10, 11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Abschirmelement als Blechteil (170, 172), insbesondere als Tiefziehteil, ausgebildet ist.
Elektronische Schaltungsanordnung (10, 11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abschirmen von elektrischen und/oder magnetischen Feldern mindestens einen Metallrahmen (180, 182, 184) umfassen, der auf der Leiterplatte (110, 112) angeordnet ist, und mindestens ein elektronisches Bauelement (160, 162, 164) umrahmt.
Elektronische Schaltungsanordnung (10, 11) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Abschirmelement (170, 172) an dem Metallrahmen (180, 182, 184) elektrisch leitend befestigt ist.
Elektronische Schaltungsanordnung (10, 11) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (110) unterhalb des Metallrahmens (180, 182, 184) eine Kupferlage aufweist.
Elektronische Schaltungsanordnung (10, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrisch leitendes Abschirmelement (170, 172) mittels einer Klipsverbindung (188) befestigt ist, oder verlötet oder verschweißt ist.
Elektronische Schaltungsanordnung (10, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Abschirmelement (172) mindestens eine Öffnung (174) zum Einbringen des elektrisch isolierenden Materials (155, 156, 158) aufweist.
Elektronische Schaltungsanordnung (10, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material (155, 156, 157) ein duroplastisches Material, insbesondere eine Moldmasse oder Vergussmasse, ist.
Elektronische Schaltungsanordnung (10, 11) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material ein Gießharz (155, 156, 157) ist.
Elektronische Schaltungsanordnung (10, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet dass das elektrisch isolierende Material (155, 156, 158) mindestens ein elektrisch nichtleitendes Füllmaterial enthält, dessen Wärmeleitfähigkeit größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des elektrisch isolierenden Materials (155, 156, 158).
Elektronische Schaltungsanordnung (10, 11) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet dass das Füllmaterial mindestens eines der Materialien Bornitrid, Aluminiumnitrid, Diamant, Siliziumcarbid, Berylliumoxid umfasst.
Elektronische Schaltungsanordnung (10, 11) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet dass der Anteil des Füllmaterials 60 bis 90 Vol-% ausmacht.
Elektronische Schaltungsanordnung (10, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung in einem Gehäuse (100, 102) angeordnet ist.
Elektronische Schaltungsanordnung (10, 11) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (102) durch Vergießen der Schaltungsanordnung (10, 11) mit einem Kunststoffmaterial (104), insbesondere einer Moldmasse oder einem Gießharz, gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung (10, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 umfassend die Schritte: a. Bestücken der Leiterplatte (110, 112) mit mindestens einem elektronischen Bauelement (160), b. Bestücken der Leiterplatte (110, 112) mit mindestens einem elektrisch leitenden Abschirmelement (170, 172) c. zumindest teilweises Befüllen eines Bereichs (150, 152, 154) um das elektronische Bauelement (160, 162, 164), der mindestens durch das Abschirmelement (170, 172) und die Leiterplatte (110) begrenzt ist, mit einem elektrisch isolierenden Material (155, 156, 158, 104).
Verfahren nach Anspruch 15, umfassend den Schritt d. Zumindest teilweises Umgießen der Leiterplatte (110, 112) mit einem elektrisch isolierenden Material (104), insbesondere einer Moldmasse oder einem Gießharz, zur Erzeugung eines Gehäuses (102).
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement (170, 172) Öffnungen (174) aufweist, wobei in Schritt c. die Leiterplatte mit einem elektrisch isolierenden Material (104), insbesondere einer Moldmasse oder einem Gießharz, zur Erzeugung eines Gehäuses (102) umgossen wird und das elektrisch isolierende Material (104) durch die Öffnungen (174) in den Bereich (150, 152, 154) eingebracht wird.