DE19505180A1

DE19505180A1 - Elektronisches Steuermodul

Info

Publication number: DE19505180A1
Application number: DE1995105180
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Phys Schuch
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1995-02-16
Filing date: 1995-02-16
Publication date: 1996-08-22
Also published as: EP0727931A3; EP0727931A2

Description

In vielen Anwendungsbereichen werden heutzutage Meßwerte bzw. Meß wertsignale verarbeitende elektronische Steuermodule für unterschiedliche Aufgaben und Wirkungsweisen eingesetzt insbesondere zur Steuerung von Prozeßabläufen - beispielsweise sind im Kraftfahrzeug-Bereich als elektroni sche Steuermodule mehrere die Meßwertsignale von Sensoren und die Aus gangssignale von Aktuatoren verarbeitende Steuergeräte zur Steuerung ver schiedener Aggregatefunktionen des Kraftfahrzeugs (Motor, Getriebe etc.) vorgesehen. Elektronische Steuermodule bestehen üblicherweise aus einer relativ dicken Leiterplatte (Dicke beispielsweise 15 mm), einer auf dieser Lei terplatte angeordneten Schaltungsanordnung mit Halbleiterbauelementen, und einem die Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Umwelteinflüsse umschließenden mechanisch stabilen Gehäusekörper, in dem die Schaltungs anordnung befestigt ist und der einen mit der Schaltungsanordnung elek trisch leitend verbundenen Anschlußstecker mit Anschlußkontakten auf weist - die Leistungs-Halbleiterbauelemente der Schaltungsanordnung sind in der Regel zur besseren Wärmeabfuhr ihrer Verlustleistung direkt am Ge häusekörper angebracht. Oftmals werden elektronische Steuermodule in Umgebungen mit großen Temperaturschwankungen eingesetzt, was zu thermischen Belastungen führen kann - beispielsweise können die vorzugs weise im Motorraum untergebrachten Steuergeräte eines Kraftfahrzeugs Temperaturen von -40°C bis +150°C ausgesetzt sein.

Aus der DE 41 02 265 ist ein Gehäuse zur Aufnahme von Halbleiterbauele menten für den Einbau in ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem die (SMD-)Halbleiterbauelemente der Schaltungsanordnung in einer Ebene auf eine Oberflächenseite einer Leiterplatte gelötet sind, die zum Abführen der Ver lustleistung der (Leistungs-)Halbleiterbauelemente auf einen Aluminium-Kühlkörper laminiert ist; durch dieses Laminat (ausgehärtetes Epoxyharz) wird zwar eine gute Haftung und somit eine feste Verbindung von Leiter platte und Kühlkörper gewährleistet, jedoch auch eine starke mechanische Kopplung zwischen Leiterplatte und Kühlkörper hervorgerufen. Dies hat zur Folge, daß bei thermischen Belastungen

- wegen der fehlenden Flexibilität thermo-mechanische Spannungen vom Kühlkörper auf die Leiterplatte und die Lötstellen der SMD-Halb leiterbauelemente übertragen werden; einerseits muß die Leiterplat te diese Spannungen verarbeiten können, andererseits versuchen die Lötstellen diese thermo-mechanischen Spannungen mittels Kriech prozessen auszugleichen, was jedoch nach einer bestimmten Bela stungszeit zur Ermüdung und zum Bruch der Lötstellen führt.
- aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Leiterplatte und Kühlkörper (beispielsweise beträgt der thermi sche Ausdehnungskoeffizient der Leiterplatte 16-21 · 10^-6/°C, der thermische Ausdehnungskoeffizient des Aluminium-Kühlkörpers ca. 24 · 10^-6/°C) ein Bimetalleffekt entsteht, der zu einem Durchbiegen der Leiterplatte führen kann; dies ist insbesondere bei elektronischen Steuermodulen mit großem Funktionsumfang (hierzu sind eine Viel zahl von Halbleiterbauelementen erforderlich) und daher großflächi ger Leiterplatte problematisch. Bei einer Temperaturänderung treten aufgrund von Durchbiegungsänderungen zusätzliche Belastungen auf, insbesondere an den Lötstellen der SMD-Halbleiterbaulemente.
- der Aluminium-Kühlkörper wegen der Fehlanpassung der thermi schen Ausdehnungskoeffizienten von Kühlkörper und Leiterplatte über das Laminat einen Zwang dahingehend auf die Leiterplatte aus übt, daß dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient vergrößert wird; da jedoch viele SMD-Halbleiterbauelemente einen relativ gerin gen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen (insbesondere Chip-Kondensatoren, Chip-Widerstände, Quarze etc., deren thermi scher Ausdehnungskoeffizient im Bereich von 5-10 · 10^-6/°C liegt), wird hierdurch die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffi zienten von Leiterplatte und SMD-Halbleiterbauelemente vergrößert und damit auch die Belastung der Lötstellen bei Temperaturände rung.

Als Konsequenz hieraus ergibt sich, daß die Zuverlässigkeit der Lötstellen-Verbindung zwischen den SMD-Halbleiterbauelementen und der Leiterplatte drastisch reduziert wird (insbesondere bei starken thermischen Belastun gen), daß die Langzeitstabilität der Lötstellen und damit der gesamten elek tronischen Steuermodule vermindert wird und deren Lebensdauer sinkt, und daß der Anwendungsbereich der elektronischen Steuermodule einge schränkt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Steuermodul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei dem die ge nannten Nachteile vermieden werden und das vorteilhafte Eigenschaften aufweist, insbesondere bezüglich Zuverlässigkeit, Lebensdauer, Langzeitsta bilität und Anwendungsbereich.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im Kennzei chen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Beim vorgestellten elektronischen Steuermodul wird zur ganzflächigen Ver bindung von dem die Schaltungsanordnung mit den SMD-Halbleiterbauele menten aufnehmenden Substratkörper (beispielsweise eine Leiterplatte) und dem Trägerkörper (beispielsweise ein Kühlkörper) eine hochelastische, dünne Klebeschicht mit einem Kleber auf Acrylatbasis als Klebefolie (Klebe film) mit einer Schichtdicke von beispielsweise 50-150 µm gleichmäßig und flächenschlüssig zwischen Trägerkörper und Substratkörper aufgebracht und diese (beispielsweise durch Druck- oder Temperaturbehandlung) mitein ander verbunden. Der Kleber der Klebeschicht weist eine hohe Flexibilität auf, wodurch sich Substratkörper und Trägerkörper unabhängig voneinan der thermisch ausdehnen können (dies führt zur "mechanischen Entkopp lung" von Substratkörper und Trägerkörper, ein Bimetalleffekt wird vermie den), eine geringe, gleichmäßige Dicke und eine relativ hohe Wärmeleitfä higkeit (dies bedingt eine gute Wärmeableitung der Verlustleistung der Halbleiterbauelemente der Schaltungsanordnung vom Substratkörper hin zum Trägerkörper), gleichmäßige Klebeeigenschaften in einem großen Tem peraturbereich (dies hat eine lange Lebensdauer der Verbindung zwischen Substratkörper und Trägerkörper zur Folge), eine hohe thermische Stabilität und Unempfindlichkeit gegenüber aggressiven Medien (dies führt zu einer Reduzierung der Umweltbelastung und daher zu einer Erweiterung des Ein satzbereichs), einer trotz Flexibilität genügend großen Haftkraft in einem breiten Temperaturbereich (dies vergrößert die Schwingungsfestigkeit, die für viele Anwendungsfälle erforderlich ist) und eine gute elektrische Isolationsfähigkeit (hierdurch wird eine hohe Spannungsfestigkeit erreicht, bei spielsweise bis 500 V).

Vorteilhafterweise wird beim beschriebenen elektronischen Steuermodul (insbesondere bei großflächigen Steuermodulen mit einer Vielzahl von Halb leiterbauelementen)

- infolge der unabhängig voneinander erfolgenden thermischen Aus dehnung von Substratkörper und Trägerkörper (mechanische Ent kopplung zwischen Trägerkörper und Substratkörper) bei thermi schen Belastungen bzw. thermo-mechanischen Spannungen ein Bime talleffekt vermieden.
- eine freie und unabhängige Wahl der Materialien und der Abmessun gen von Trägerkörper und Substratkörper ermöglicht; diese können auf der Grundlage der mechanischen Entkopplung demzufolge nach bestimmten Gesichtspunkten bzw. Anforderungen optimiert werden - insbesondere kann der thermische Ausdehnungskoeffizient des Sub stratkörpers (dieser ist unabhängig vom Trägerkörper variabel vor gebbar) so gewählt werden, daß er den thermischen Ausdehnungsko effizienten der Halbleiterbauelemente der Schaltungsanordnung an gepaßt wird (vorzugsweise dem Mittelwert der thermischen Ausdeh nungskoeffizienten der Halbleiterbauelemente der Schaltungsanord nung entspricht), wodurch die Fehlanpassung der thermischen Aus dehnungskoeffizienten minimiert und die Lebensdauer der Lötstellen wesentlich erhöht wird (die Vorgabe des thermischen Ausdehnungs koeffizienten des Substratkörpers kann durch entsprechende Wahl des Materials oder der Zusammensetzung des Substratkörpers erfol gen, insbesondere falls der Substratkörper einen mehrschichtigen Aufbau mit Schichten von unterschiedlicher Zusammensetzung auf weist).
- durch die gute Wärmeableitung vom Substratkörper hin zum Träger körper eine ausreichende Ableitung der Verlustleistung der SMD-Halb leiterbauelemente der Schaltungsanordnung gewährleistet.
- aufgrund der langen Lebensdauer und der hohen Schwingungsfestig keit die Zuverlässigkeit und daher auch die mögliche Betriebsdauer erhöht.
- infolge des wählbaren Temperaturbereichs und der Spannungsfestig keit ein weiter Einsatzbereich gewährleistet bzw. erst ermöglicht (auch bei hohen Belastungen und unterschiedlichen Temperaturan forderungen).

Weiterhin soll als Ausführungsbeispiel ein elektronisches Steuermodul eines Kraftfahrzeugs anhand der Figur näher beschrieben werden; in dieser ist als elektronisches Steuermodul die Schnittzeichnung eines Steuergeräts für den Nutzfahrzeugbereich dargestellt.

Gemäß der Figur besteht das beispielsweise im Motorraum angeordnete großflächige Steuergerät mit planarer Montage der Halbleiterbauelemente und vertikaler Wärmeabfuhr der Verlustleistung der Halbleiterbauelemente aus einer eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden und einen guten Kor rosionsschutz bietenden Metall-Trägerplatte als Trägerkörper 30 (beispiels weise aus Aluminium), einer beispielsweise aus 4 Verdrahtungsebenen 13, 14, 15, 16 aus Kupfer mit dazwischenliegenden Laminatschichten ("Prepregs") bestehenden und Durchkontaktierungen 17 sowie Aussparungen 18 aufwei senden Leiterplatte als Substratkörper 10, einer auf der Oberseite 11 der Lei terplatte 10 planar angeordneten Schaltungsanordnung 20 mit einer Vielzahl von passiven und aktiven SMD-Halbleiterbauelementen 21, 22, einem die Schaltungsanordnung 20 zum Schutz der Halbleiterbauelemente 21, 22 um schließenden Gehäusekörper 40 (beispielsweise aus Aluminium), dessen Ge häusedeckel 42 durch die Trägerplatte 30 gebildet wird und mit dessen Ge häuseboden 41 das Steuergerät am Motorblock befestigt wird, und einem Steckeranschlußteil 50 mit beispielsweise 6 Steckeranschlüssen 51, die durch eine Aussparung 31 in der Trägerplatte 30 und die Aussparungen 18 der Lei terplatte 10 hindurchgeführt und mit den SMD-Halbleiterbauelementen 21, 22 der Schaltungsanordnung 20 über Bonddrähte 23 und Verbindungsleitun gen (Leiterbahnen) verbunden sind. Zwischen der Trägerplatte 30 und der Unterseite 12 der Leiterplatte 10 ist eine Klebeschicht 60 aus einem modifi zierten Acrylatkleber mit einer Dicke von beispielsweise 100 µm gleichmäßig aufgebracht; beispielsweise wird hierzu ein mit einer beidseitigen Schutz schicht versehener Klebefilm zunächst nach einseitigem Abziehen der Schutzschicht auf die Trägerplatte 30 abgerollt und anschließend nach Ab ziehen der anderen Schutzschicht die Leiterplatte 10 auf dem Klebefilm ab gerollt - das Aushärten des Klebers der Klebeschicht 60 erfolgt beispielsweise an Luft. Durch den hochelastischen, gut wärmeleitfähigen, unempfindlichen, thermisch stabilen, sehr haftfähigen, alterungsbeständigen Kleber der Klebeschicht 60 wird eine mechanische Entkopplung von Trägerplatte 30 und Leiterplatte 10 erreicht, die Schwingungsanforderung im Kraftfahrzeug erfüllt (beispielsweise Stabilität bis zu 10 g), die Zuverlässigkeit des Steuerge räts erhöht und dessen Lebensdauer verlängert.

Beispielsweise besteht die Aluminium-Trägerplatte 30 mit den Maßen 226 mm × 178 mm × 4 mm aus Aluminium-Druckguß und weist eine Ausspa rung 31 der Breite 18 mm zur Aufnahme der Steckeranschlüsse 51 des An schlußsteckerteils 50 auf. Die großflächige Leiterplatte 10 mit den Maßen 217 mm × 147 mm × 0, 8 mm besteht aus 4 Verdrahtungsebenen 13, 14, 15, 16 aus Kupfer, die jeweils durch Prepregs (harzgetränkte Glasmatten) getrennt sind; durch die Auswahl der Schichtenfolge der Leiterplatte 10 und der Zu sammensetzung der die Verdrahtungsebenen 13, 14, 15, 16 voneinander trennenden Glasmattenschichten, insbesondere von deren Harzanteil, kann der thermische Ausdehnungskoeffizient α_S der Leiterplatte 10 in der Ebene variiert werden: beispielsweise wird die Zusammensetzung der Schichten 14, 16 der Leiterplatte 10 so gewählt, daß die Leiterplatte 10 als Vorgabewert α_V einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_S von 15 · 10^-6/°C aufweist. Die auf der Oberseite 11 der Leiterplatte 10 einseitig angeordnete Schal tungsanordnung 20 besteht aus ca. 850 SMD-Halbleiterbauelementen mit ei nem Mittelwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_S von beispiels weise 15 · 10^-6/°C und umfaßt Chip-Widerstände, Chip-Kondensatoren, Kera mik-Kondensatoren, Aluminiumelektrolytkondensatoren, Zenerdioden, Dio den, Quarze, Leistungs-Halbleiterbauelemente 21 und integrierte Schaltun gen (ICs) 22; in der Leiterplatte 10 sind unter dem Leistungs-Halbleiterbauele ment 21 thermische Durchkontaktierungen 17 zur Verbesserung der Wärme abfuhr vorgesehen. Der beispielsweise aus Aluminium bestehende Gehäuse körper 40 besitzt beispielsweise die Maße 23 cm × 18 cm × 2 mm und ist mit der Trägerplatte 30 über Schrauben 43 verbunden, ebenso die den Gehäuse deckel 42 bildende Trägerplatte 30 mit dem Steckeranschlußteil 50 über Schrauben 32 (der Steckeranschlußteil 50 kann auch durch den Gehäusebo den 41 hindurchgeführt und mit der Schaltungsanordnung 20 verbunden werden).

Claims

1. Elektronisches Steuermodul, bestehend aus

- einem Substratkörper (10),
- einer Schaltungsanordnung (20) mit auf einer Oberflächenseite (11) des Substratkörpers (10) planar aufgebrachten SMD-Halbleiterbauele menten (21, 22),
- einem Trägerkörper (30) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfä higkeit, auf dem Substratkörper (10) und Schaltungsanordnung (20) angeordnet sind,
- einem die Schaltungsanordnung (20) und den Substratkörper (10) um schließenden Gehäusekörper (40),
- einem durch den Gehäusekörper (40) und/oder den Trägerkörper (30) hindurchgeführten Steckeranschlußteil (50) mit mehreren Steckeran schlüssen (51),

dadurch gekennzeichnet:

zwischen der der Schaltungsanordnung (20) gegenüberliegenden Oberflä chenseite (12) des Substratkörpers (10) und dem Trägerkörper (30) ist eine dünne, gleichmäßige Klebeschicht (60) aus einem hochflexiblen, thermisch stabilen Kleber mit guter Haftfähigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit derart angeordnet, daß sich Substratkörper (10) und Trägerkörper (30) bei thermi scher Belastung unabhängig voneinander ausdehnen können.

2. Steuermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Substrat körper (10) so ausgebildet ist, daß sein thermischer Ausdehnungskoeffizient (α_S) einen einstellbaren Vorgabewert (α_V) aufweist.

3. Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der Substratkörper (10) aus mehreren übereinander angeordneten Schichten (13, 14, 15, 16) ausgebildet ist.

4. Steuermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schich ten (13, 14, 15, 16) des Substratkörpers (10) so gewählt sind, daß der thermi sche Ausdehnungskoeffizient (%) des Substratkörpers (10) den Vorgabewert (α_V) aufweist.

5. Steuermodul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratkörper (10) als mehrschichtige Leiterplatte mit mehreren Verdrah tungsebenen (13, 14, 15, 16) ausgebildet ist.

6. Steuermodul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratkörper (10) als Mehrschicht-Folie ausgebildet ist.

7. Steuermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgabewert (α_V) des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_S) des Substratkörpers (10) in Abhängigkeit des thermischen Ausdehnungskoef fizienten (α_B) der Halbleiterbauelemente (21, 22) der Schaltungsanordnung (20) gewählt ist.

8. Steuermodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgabe wert (α_V) des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_S) des Substratkör pers (10) dem Mittelwert der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_B) der Halbleiterbauelemente (21, 22) der Schaltungsanordnung (20) entspricht.

9. Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebeschicht (60) als Klebefilm zwischen dem Substratkörper (10) und dem Trägerkörper (30) aufgebracht ist.

10. Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich net, daß der Substratkörper (10) Durchkontaktierungen (17) zur Wärmeab fuhr der Verlustleistung der Leistungs-Halbleiterbauelemente (21) der Schal tungsanordnung (20) aufweist.

11. Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich net, daß die Steckeranschlüsse (51) des Steckeranschlußteils (50) senkrecht zur Oberseite (41) des Gehäusekörpers (40) durch den Gehäusekörper (40) hin durchgeführt und mit den Halbleiterbauelementen (21, 22) der Schaltungs anordnung (20) kontaktiert sind.

12. Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich net, daß die Steckeranschlüsse (51) des Steckeranschlußteils (50) senkrecht zur Unterseite (42) des Gehäusekörpers (40) durch den Trägerkörper (30) und den Substratkörper (10) hindurchgeführt und mit den Halbleiterbauelemen ten (21, 22) der Schaltungsanordnung (20) kontaktiert sind.

13. Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeich net, daß die Schaltungsanordnung (20) eine Vielzahl von auf einem großflä chigen Substratkörper (10) angeordneten SMD-Halbleiterbauelementen (21, 22) aufweist.

14. Steuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeich net, daß das Steuermodul als Steuergerät eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist.

15. Steuermodul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Steu ergerät im Motorraum des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.