EP2936556A1 - Elektronikmodul mit einer mit kunststoff umhüllten elektronische schaltung und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Elektronikmodul mit einer mit kunststoff umhüllten elektronische schaltung und verfahren zu dessen herstellung

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EP2936556A1
EP2936556A1 EP13805754.2A EP13805754A EP2936556A1 EP 2936556 A1 EP2936556 A1 EP 2936556A1 EP 13805754 A EP13805754 A EP 13805754A EP 2936556 A1 EP2936556 A1 EP 2936556A1
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EP
European Patent Office
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electronic
plastic
circuit
heat sink
electronic module
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13805754.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Steinau
Thomas Schmidt
Bernhard Schuch
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Conti Temic Microelectronic GmbH
Original Assignee
Conti Temic Microelectronic GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Conti Temic Microelectronic GmbH filed Critical Conti Temic Microelectronic GmbH
Publication of EP2936556A1 publication Critical patent/EP2936556A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to an electronic module with a plastic covered
  • gearbox control units form a very compact unit as a local control unit.
  • this arrangement Compared to the conventional use of external control devices, this arrangement has enormous advantages in terms of quality, cost, weight and functionality. In particular, this results in a significant reduction of connectors and lines, and thus of possible causes of failure.
  • control unit in the transmission makes high demands, especially on its thermal and mechanical strength.
  • the functionality must be ensured over a wide temperature range (about -40 ° C to 150 ° C) as well as extreme mechanical vibrations (up to 40g). Since the control unit is surrounded by highly viscous and chemically aggressive gear oil, high demands are placed on the oil-tightness of the control unit.
  • the control unit comprises two oil-tightly interconnected housing parts, through which an electrical connection element is passed, wherein the connection element connects the circuit carrier in the housing with electrical components outside the housing.
  • US2008 / 0170372 AI describes a control device with a circuit board, are arranged on the electronic components, and an electrical connection element to Connecting the circuit carrier to its periphery.
  • the circuit carrier is arranged on a base plate, which serves as a heat sink and dissipates the heat from the circuit substrate.
  • the circuit carrier, the connecting element and the base plate are surrounded with a plastic in such a way that the circuit carrier is completely enclosed with its components, but most of the back of the base plate and the outer ends of the electrical connection element are free of plastic.
  • This control unit can be mounted without a housing as a local control unit, for example in a transmission.
  • the surfaces of the circuit carrier and the base plate are at least partially roughened. This surface roughness ensures that the enclosing plastic is better interlocked with the surfaces of the circuit carrier and the base plate than on smooth surfaces. This is intended to prevent components of the control device, in particular the connection of the electrical component, from becoming unstable during temperature fluctuations due to the different coefficients of expansion of the involved components
  • Circuit board is destroyed, or that the plastic gets cracks or dissolves from the circuit board or the base plate, and thus, for example, oil from the transmission can penetrate to the circuit board and this damaged.
  • Microcontroller is generated on the circuit carrier.
  • a disadvantage of using a ceramic circuit board is above all the high price, which is much higher than that of an organic circuit board.
  • Another disadvantage of the described arrangement is that the production of the rough surface both during
  • Circuit carrier as well as the base plate each represents an additional step, which increases the overall cost of the control unit.
  • the use of a ceramic circuit board as a circuit carrier has the further disadvantage that the selection of the electrical components that can be mounted on it, is limited. In particular, either only power components such as power transistors can be arranged as switching elements on the ceramic circuit carrier, or it can only produce signal or signal processing
  • Components such as microprocessors are installed.
  • DE 100 13 255 A1 is a resin-encapsulated electronic
  • WO 2011/072629 Al describes a so-called HDI (High Density Interconnect) - circuit board for use in a housing of a local control unit in a motor vehicle.
  • HDI circuit boards are special organic multilayer printed circuit boards, which are characterized by a good heat dissipation from the top PCB layer on which, for example, a heat-generating active component is arranged, to the lowest printed circuit board layer, which is thermally conductively connected to a heat sink, our own HDI] registration.
  • An HDI circuit carrier has vertical vias from one circuit board layer to the next, which have both an electrically, as well as a thermally conductive function. These vias are referred to as Vertical Interconnect Access, hereinafter referred to as Via. Vias, which are formed as plated through holes with a diameter smaller than about 150 ⁇ , are also referred to as microvias. Due to the small diameter of the microvias, a relatively large number of contacts on a relatively small area of the circuit substrate is possible, making this kind of
  • Circuit board is predestined for the assembly of unhoused Halbeiterbausteinen, so-called. Bare Dies, which naturally have a much closer contact spacing, as components with housing.
  • the core of the invention is that at least one organic so-called HDI circuit carrier with an electronic circuit comprising at least one electronic component, is thermally conductively connected to a heat sink and the electronic circuit and the heat sink are coated with plastic such that only the circuit carrier opposite rear side of the heat sink at least partially, and at least the contact ends of the conductor structures, which are used for electrical connection with the electrical components outside of the electronic module, are free of plastic.
  • Conductor structures with plastic in particular a thermosetting polymer, such as silicone, epoxy silicone, epoxy or phenolic resin allows the same protection against harmful environmental influences in the suburbs environment as an expensive housing.
  • the conductor structures for the electrical connection of the electronic circuit with the electrical components outside the electronic module need not be sealed separately as in a control unit with housing and the plastic-free back of the heat sink can be mounted for optimal heat dissipation to a part of the transmission, prevail at the lower temperatures ,
  • the different coefficients of thermal expansion, in particular of the plastic, of the circuit carrier, of the conductor structures and of the heat sink are ideally matched to one another such that they are in the direct comparison of the order of +/- 15%, so that temperature fluctuations within the range
  • Operating temperature range of about -40 ° C to 150 ° C, for example, does not cause cracks in the plastic itself or the plastic from the circuit board or the
  • a signal-generating or processing device such as an unhoused microprocessor with very close contact distances and comparatively low operating currents, simultaneously.
  • the plate of the heat sink may also have a gradation, in particular on the edge of the plate.
  • the gradation increases the contact area between the plate and the enveloping plastic and thus the creepage path for any liquids and gases that may penetrate into the electronics module.
  • the Kriechwegverinrung can be carried out both by the gradation in the cross section of the heat sink and as an undercut, in the targeted plastic can penetrate, the undercut is arranged in particular so that it is optimally adapted to the shape of the plastic filling behavior to avoid air pockets. Both creep extension measures can also occur in combination.
  • the stamped grid or the flex foil can be soldered, welded or glued directly onto the circuit carrier, for example.
  • the electrical connection can also indirectly, for example by means of a bonding wire between the circuit carrier and
  • Ladder structure are produced. Punching grid and PCB are mainly used in simple structured environments of the electronic module, the more expensive flexible film conductors can be adapted to more complex environments.
  • the mechanical connection between the circuit carrier of the conductor structure is usually material or non-positive. This function can be carried out in particular as described above in connection with the electrical connection, by soldering, welding or gluing, or sintering, sinter bonding.
  • Glass transition point of the plastic preferably at least equal to or greater than that of the circuit substrate.
  • the glass transition point of a material is a measure of the maximum permissible operating temperature, in particular for carbon-based thermosets. In particular, the thermal expansion coefficient of the material increases from the glass transition temperature four to five times, which would have negative effects on the structure of the electronic module.
  • the glass transition temperature of the enveloping polymer is above the operating temperature of the electronics. Since the change in the CTE during the thermal cycle can lead to delamination on the circuit carrier.
  • the circuit carrier is connected to the heat sink in particular by means of a thermally conductive adhesive material, eg by means of a filled with inorganic particles
  • Another object of the invention is a method for producing a with
  • Plastic coated electronic module for use as a control unit in one
  • Electronic modules are initially provided with the following components:
  • an organic HDI circuit carrier suitable for a bare assembly, that is to say for the assembly of unhoused components, with at least one electronic component,
  • At least one electrically conductive conductor structure for electrically connecting the electronic circuit to electrical components outside the electronic module
  • At least one stamped grid, another printed circuit board or a flexible foil conductor or a combination thereof may be used as electrically conductive conductor structures.
  • the punched grid or the Flexfolie on the one hand directly on the
  • Circuit carrier for example, soldered, welded or glued.
  • These Direct electrically conductive connection is usually also used as a mechanical connection between the electronic circuit and the conductor structure.
  • connection can also indirectly, for example by means of a bonding wire, for example, gold, silver or copper between circuit carrier and
  • the circuit carrier is thermally conductively connected to the heat sink. This is advantageously carried out by means of a thermally conductive
  • Adhesive material eg. B. a thermal adhesive.
  • the order of the last two steps is arbitrary.
  • the plastic is preferably a thermosetting polymer such as silicone, epoxysilicone, epoxy or
  • Phenolic resin which may be filled with inorganic particles.
  • the electronic circuit and the heat sink are coated with plastic such that only the rear side of the heat sink opposite the circuit carrier is at least partially free of plastic.
  • the free surface of the back of the heat sink is then the dissipation of heat from the electronic module available.
  • transfer molding or else transfer molding
  • plastic is pressed into the injection mold and cured under heat and pressure.
  • This method offers over other methods, e.g. Compression molding the possibility also electronics with complex
  • thermoset injection molding injection molding
  • FIG. 1 shows an electronic module with a heat sink and a direct connection between the circuit carrier and the conductor structure
  • FIG. 2 shows an electronic module as in FIG. 1 with a heat sink with a graduation
  • FIG. 3 shows an electronic module as in FIG. 1 with a heat sink with a gradation and an undercut
  • Fig. 5 is an electronic module with a gradation on the heat sink and a bonding wire
  • FIG. 1 shows an electronic module for use as a control unit in a motor vehicle, with an electronic circuit 1 covered with plastic 2, which is arranged on a heat sink 3.
  • the electronic circuit 1 comprises an organic HDI (High Density Interconnect) circuit carrier 5, on which electronic components 4, 7 are mounted.
  • organic HDI High Density Interconnect
  • An HDI board 5 is a special multi-layer board.
  • the printed circuit board layers each have at least one on the electrically insulating base material
  • Glass fiber reinforced plastic applied heat conducting layer in particular of copper, on.
  • Several vias are provided in the z direction perpendicular to the printed circuit board layers.
  • Via Vertical Interconnect Access
  • layer changer a vertical via is referred to, which electrically and thermally connects at least two printed circuit board layers of a multilayer printed circuit board 5.
  • blind via a via is referred to, which is formed as a blind hole with a via, which connects in particular the uppermost or lowermost circuit board layer with at least one inner circuit board layer of a multilayer printed circuit board 5.
  • a via is referred to, which is arranged inside a multilayer printed circuit board 5, and connects at least two inner PCB layers.
  • Vias which are formed as plated through holes with a diameter smaller than about 150 ⁇ , are also referred to as microvias.
  • Vias which primarily serve to improve the heat transfer through a printed circuit board 5, are also referred to as thermal vias.
  • the vias connect the heat conducting layers of different printed circuit board layers in such a way that the vias and the heat conducting layers of the printed circuit board layers form a heat conducting bridge from the uppermost printed circuit board layer to the lowest printed circuit board layer.
  • the heat conducting layers simultaneously serve as electrical conductors.
  • an entire surface of all heat conducting layers is at least one
  • Circuit board location greater than a total surface area of all the heat conducting layers above it lying circuit board position.
  • the heat conduction bridge formed by the vias and heat conducting layers is thereby widened by at least one printed circuit board layer to an underlying printed circuit board layer, since the total surface area of all heat conducting layers of at least one printed circuit board layer is greater than an overall surface of all heat conducting layers of an overlying printed circuit board layer.
  • the surface effective for the heat transport is advantageously increased and the thermal resistance of the entire printed circuit board 5 is reduced, since the thermal resistance is at least approximately proportional to the reciprocal of the surface effective for the heat transfer.
  • the uppermost circuit board layer is at least partially connected to at least the inner circuit board layer next to the circuit board layers in the z-direction, with blind vias formed as microvias of small diameter.
  • blind vias formed as microvias of small diameter.
  • nickel, palladium and gold applied.
  • connection techniques for assembling the printed circuit board 5 with unhoused components 4 together with housed components 4 are possible.
  • the additional metallization is applied to the outer copper surface of the heat conducting layers, wherein the additional metallization simultaneously for assembly processes, in particular by means of soldering, Silberleitkleben etc. for unhoused active components 4 and
  • connection techniques such. B. wire bonding with gold wire and / or aluminum wire in particular for cased passive components 7, is suitable.
  • the heat conducting layers of the printed circuit board layers and the walls of the vias are coated with copper and additionally with a multifunctional one
  • NiPdAu Metallization of NiPdAu provided. This also contributes to the fact that the Current carrying capacity of this HDI board 5 up to 50 A and more. The maximum ampacity of thick-film ceramic PCBs, however, is about 25 A.
  • the thermal expansion coefficient CTE of a circuit carrier such as the HDI printed circuit board 5 is in the range of 18 - 20 ppm / ° C.
  • the copper CTE is 16 ppm / ° C and that of aluminum is 23 ppm / ° C.
  • Heat sink material for a ceramic circuit board with 5-7 ppm / ° C is suitable, have copper and aluminum compared to iron also has the advantage that their thermal
  • Thermal conductivity of 200 W / mK for aluminum and 400 W / mK for copper is 3-5 times higher than that of iron, which is 70 W / mK.
  • the conductor structure 6 can in particular as a stamped grid made of copper, with a CTE of 16 ppm / ° C, as an additional printed circuit board made of glass fiber reinforced plastic with a CTE of 18-20 ppm / ° C or a flexible film conductor of a composite of a polyimide and a Copper foil with a CTE in the range 16-18 ppm / ° C be executed.
  • a stamped grid made of copper with a CTE of 16 ppm / ° C
  • an additional printed circuit board made of glass fiber reinforced plastic with a CTE of 18-20 ppm / ° C or a flexible film conductor of a composite of a polyimide and a Copper foil with a CTE in the range 16-18 ppm / ° C be executed.
  • Conductor structure 6 is connected directly to the circuit carrier 5 in FIG. 1. This connection can be made by welding, soldering or gluing and has both the function of an electrical and a mechanical connection.
  • the enveloping plastic 2 consists in particular of a thermosetting polymer, such as silicone, epoxy silicone, epoxy resin or phenolic resin.
  • the CTE of these materials is here in the range of 14-19 ppm / ° C, whereby the range can be adjusted by different admixtures of the inorganic fillers, eg Si0 2 .
  • plastic materials are thus suitable because of their CTE, the circuit substrate 3, the conductor structure 6 and at least a part of the heat sink 3 to be wrapped so that it does not come to cracks in the plastic 2 itself with temperature fluctuations or the plastic 2 from the circuit substrate 5 or the heat sink 3 dissolves.
  • a thermoplastic polymer it would also be conceivable to use a thermoplastic polymer.
  • the cover with plastic 2 allows the same protection against harmful
  • the operating temperature of the plastic 2 is usually slightly higher than that of the
  • the glass transition point of the plastic 2 is preferably at least equal to or greater than that of the circuit substrate 5, wherein the glass transition point of a material is a measure of the maximum permissible operating temperature.
  • the plastic-free rear side of the heat sink 3 can be mounted for optimum heat dissipation on a part of the transmission, not shown here, prevail at the lower temperatures.
  • FIG. 2 shows an electronic module in which the heat sink 3 has a gradation 10 at the edge.
  • the gradation 10 may be circumferentially arranged on the edge of the heat sink 3, but does not have to.
  • the gradation 10 increases the contact area between the heat sink 3 and the enveloping plastic 2 and thus the creepage distance for liquids and gases which may penetrate from the outside into the electronics module, thereby reducing the likelihood of module failure.
  • the Kriechwegverinrung can alternatively be performed as grading 10 as an undercut 9, in the targeted plastic 2 can penetrate. Both creep extension measures may also occur in combination as shown in FIG.
  • the conductor structure 6 is electrically connected in FIG. 4 to the circuit carrier 5 indirectly with a bonding wire 12, for example a Cu bonding wire, whose CTE, as described above, lies in the region of the plastic 2 and is thus enveloped by the latter substantially free of stress.
  • a bonding wire 12 for example a Cu bonding wire, whose CTE, as described above, lies in the region of the plastic 2 and is thus enveloped by the latter substantially free of stress.
  • circuit carrier 5 shows an electronic module in which the conductor structure 6 is connected to the circuit carrier 5 in an electrically non-conductive manner, for example by gluing.
  • the electrically conductive connection between circuit carrier 5 and conductor structure 6 is produced by means of a bonding wire 12.
  • the electronic module according to the invention is largely insensitive to temperature fluctuations, thus substantially stress-free and thus reliably tight over its entire life.
  • the compact design of the electronic module guarantees a space-saving installation, in particular, by suitable shape of the heat sink, the electronic module can also be installed like a plug.
  • the same injection mold for different electronic circuits are used.
  • the complete encapsulation of the electronic module offers protection against plagiarism or protection against external manipulation.

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Abstract

Ein Elektronikmodul zur Verwendung als Steuergerät in einem Kraftfahrzeug umfasst eine mit Kunststoff (2) umhüllte elektronische Schaltung (1) mit mindestens einem organischen HDI Schaltungsträger (5) für Bare Die Montage, wobei die elektronische Schaltung (1) auf einem Kühlkörper (3) angeordnet ist, und elektrisch leitende Leiterstrukturen (6) zum elektrischen Verbinden der elektronischen Schaltung (1) mit elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls. Dabei ist der Schaltungsträger (5) mit dem Kühlkörper (3) thermisch leitend verbunden, und die elektronische Schaltung (1) und der Kühlkörper (3) sind derart mit Kunststoff (2) umhüllt, dass nur die dem Schaltungsträger (5) gegenüberliegende Rückseite des Kühlkörpers (3) zumindest teilweise, und mindestens die Kontaktenden (8) der Leiterstrukturen (6), die zur elektrischen Verbindung mit den elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls dienen, frei von Kunststoff sind. Es resultiert Elektronikmodul und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Description

Elektronikmodul mit einer mit Kunststoff umhüllten elektronische Schaltung und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Elektronikmodul mit einer mit Kunststoff umhüllten
elektronischen Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 12.
Im Kraftfahrzeugbau ist es mittlerweile üblich, Steuergeräte in die zu steuernde
Kraftfahrzeugbaugruppe, insbesondere Motor oder Getriebe, zu integrieren. Vor allem die Getriebesteuergeräte bilden als Vorortsteuergerät eine äußerst kompakte Einheit. Im
Vergleich zur konventionellen Verwendung externer Steuergeräte hat diese Anordnung enorme Vorteile im Bezug auf Qualität, Kosten, Gewicht und Funktionalität. Insbesondere resultiert daraus eine erhebliche Verringerung von Steckverbindungen und Leitungen, und somit von möglichen Ausfallursachen.
Die Integration des Steuergerätes in das Getriebe stellt hohe Anforderungen vor allem an seine thermische und mechanische Belastbarkeit. Die Funktionalität muss sowohl über einen breiten Temperaturbereich (etwa -40°C bis 150°C) als auch bei extremen mechanischen Vibrationen (bis zu 40g) gewährleistet sein. Da das Steuergerät von hochviskosem und chemisch aggressivem Getriebeöl umgeben ist, werden auch hohe Anforderungen an die Öldichtheit des Steuergerätes gestellt.
Die Patentschrift DE 197 51 095 C 1 beschreibt ein derartiges Vorortsteuergerät im
Getriebegehäuse eines Kraftfahrzeuges. Das Steuergerät umfasst zwei öldicht miteinander verbundene Gehäuseteile, durch die ein elektrisches Verbindungselement hindurchgeführt ist, wobei das Verbindungselement den Schaltungsträger im Gehäuse mit elektrischen Bauteilen außerhalb des Gehäuses verbindet.
Die US2008/0170372 AI beschreibt ein Steuergerät mit einem Schaltungsträger, auf den elektronischen Bauelemente angeordnet sind, und ein elektrisches Verbindungselement zum Verbinden des Schaltungsträgers mit seiner Peripherie. Der Schaltungsträger ist auf einer Grundplatte angeordnet, die als Wärmesenke dient und die Wärme vom Schaltungsträger abführt. Der Schaltungsträger, das Verbindungselement und die Grundplatte sind derart mit einem Kunststoff umgössen, dass der Schaltungsträger mit seinen Bauelementen ganz umschlossen ist, der größte Teil der Rückseite der Grundplatte und die äußeren Enden des elektrischen Verbindungselements jedoch frei von Kunststoff sind. Dieses Steuergerät kann ohne Gehäuse als Vorortsteuergerät zum Beispiel in einem Getriebe montiert werden.
Die Oberflächen des Schaltungsträgers und der Grundplatte sind zumindest teilweise aufgeraut. Durch diese Oberfiächenrauheit wird erreicht, dass der umschließende Kunststoff besser mit den Oberflächen des Schaltungsträgers und der Grundplatte verzahnt wird als bei glatten Oberflächen. Dadurch soll verhindert werden, dass sich bei Temperaturschwankungen, bedingt durch die verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten der Beteiligten Komponenten des Steuergerätes, insbesondere die Verbindung des elektrischen Bauelements zum
Schaltungsträger zerstört wird, oder, dass der Kunststoff Risse bekommt bzw. sich von dem Schaltungsträger oder der Grundplatte löst, und damit zum Beispiel Öl aus dem Getriebe bis zum Schaltungsträger vordringen kann und diesen beschädigt.
In der zitierten US2008/0170372 AI wird bei der Auswahl der beteiligten Komponenten des Steuergerätes die Bedeutung der einzelnen Materialkennzahlen betont. So wird zum Beispiel auf die Vorteile einer keramischen Leiterplatte gegenüber einer organischen Leiterplatte ausführlich eingegangen. So ist insbesondere die Wärmeleitfähigkeit einer keramischen Leiterplatte um eine Größenordnung höher als die einer organischen Leiterplatte. Dies ist wichtig im Hinblick auf das Abführen der Wärme, die beispielsweise von einem
Mikrokontroller auf dem Schaltungsträger erzeugt wird.
Ein Nachteil bei der Verwendung einer keramischen Leiterplatte ist vor allem der hohe Preis, der um einiges über dem einer organischen Leiterplatte liegt. Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Anordnung ist, dass die Herstellung der rauen Oberfläche sowohl beim
Schaltungsträger als auch bei der Grundplatte jeweils einen zusätzlichen Arbeitsschritt darstellt, der die Gesamtkosten des Steuergerätes erhöht. Die Verwendung einer keramischen Leiterplatte als Schaltungsträger hat darüber hinaus den Nachteil, dass die Auswahl der elektrischen Bauelemente, die auf ihr montiert werden können, eingeschränkt ist. Insbesondere können entweder nur Leistungsbauelemente wie zum Beispiel Leistungstransistoren als Schaltelemente auf dem keramischen Schaltungsträger angeordnet sein, oder es können nur Signal produzieren bzw. Signal verarbeitende
Bauelemente wie zum Beispiel Mikroprozessoren verbaut werden.
Ein Beispiel dafür ist die DE 100 13 255 AI, die eine harzgekapselte elektronische
Vorrichtung beschreibt, wobei der Mikroprozessor auf einer keramischen Leiterplatte und der Leistungshalbeiter auf einer separaten Vorrichtung angeordnet ist.
Die WO 2011/072629 AI beschreibt eine sogenannte HDI (High Density Interconnect)- Leiterplatte zum Einsatz in einem Gehäuse eines Vorortsteuergerätes in einem Kraftfahrzeug. HDI- Schaltungsträger sind spezielle organische Mehrlagenleiterplatten, die sich vor allem durch eine gute Wärmeableitung von der obersten Leiterplattenlage, auf der zum Beispiel ein Wärme generierendes aktives Bauelement angeordnet ist, zur untersten Leiterplattenlage, die thermisch leitend mit einem Kühlkörper verbunden ist, auszeichnet [unsere eigene HDI-] Anmeldung.
Ein HDI- Schaltungsträger weist vertikale Durchkontaktierungen von einer Leiterplattenlage zur nächsten auf, die sowohl eine elektrisch, als auch eine thermisch leitende Funktion haben. Diese Durchkontaktierungen werden als Vertical Interconnect Access, nachfolgend kurz als Via, bezeichnet. Vias, die als durchkontaktierte Löcher mit einem Durchmesser kleiner als etwa 150 μιη ausgebildet sind, werden auch als Mikrovias bezeichnet. Bedingt durch den kleinen Durchmesser der Mikrovias, ist eine relativ große Anzahl von Kontaktierungen auf relativ kleiner Fläche des Schaltungsträgers möglich, wodurch diese Art von
Schaltungsträger prädestiniert ist, für die Montage von ungehäusten Halbeiterbausteinen, sog. Bare Dies, die naturgemäß einen viel engeren Kontaktabstand haben, als Bauelemente mit Gehäuse.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein mit Kunststoff umhülltes Elektronikmodul zur Verwendung als Steuergerät in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, das sowohl niedrige Material- als auch niedrige Herstellungskosten und darüber hinaus während der gesamten Lebensdauer hohe Prozesssicherheit, insbesondere Öldichtheit, garantiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Elektronikmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Kern der Erfindung ist, dass mindestens ein organischer sogenannter HDI- Schaltungsträger mit einer elektronischen Schaltung, die mindestens ein elektronisches Bauelement umfasst, mit einem Kühlkörper thermisch leitend verbunden ist und die elektronische Schaltung und der Kühlkörper derart mit Kunststoff umhüllt sind, dass nur die dem Schaltungsträger gegenüberliegende Rückseite des Kühlkörpers zumindest teilweise, und mindestens die Kontaktenden der Leiterstrukturen , die zur elektrischen Verbindung mit den elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls dienen, frei von Kunststoff sind.
Die Umhüllung des Schaltungsträgers und eines Teils des Kühlkörpers und der
Leiterstrukturen mit Kunststoff, insbesondere einem duroplastischen Polymer, wie Silikon, Epoxysilikon, Epoxidharz oder Phenolharz ermöglicht denselben Schutz gegen schädigende Umgebungseinflüsse in der Vorortumgebung wie ein teueres Gehäuse. Zudem müssen die Leiterstrukturen zur elektrischen Verbindung der elektronischen Schaltung mit den elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls nicht wie bei einem Steuergerät mit Gehäuse separat abgedichtet werden und die kunststofffreie Rückseite des Kühlkörpers kann zur optimalen Wärmeabführung an einem Teil des Getriebes montiert sein, an dem niedrigere Temperaturen herrschen.
Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten insbesondere des Kunststoffs, des Schaltungsträgers, der Leiterstrukturen und des Kühlkörpers sind idealerweise derart aufeinander abgestimmt sind, dass sie im direkten Vergleich jeweils in der Größenordnung von +/- 15% liegen, so dass es bei Temperaturschwankungen innerhalb des
Betriebstemperaturbereichs von etwa -40°C bis 150°C zum Beispiel nicht zu Rissen im Kunststoff selbst kommt bzw. der Kunststoff sich von dem Schaltungsträger oder der
Grundplatte löst, und damit etwa Öl aus dem Getriebe bis zum Schaltungsträger vordringen und diesen beschädigen oder gar zerstören kann. Die Verwendung eines HDI- Schaltungsträgers mit seiner besonderen Anordnung und Kombination von Vias und Wärmeleitschichten der verschiedenen Leiterplattenlagen macht es möglich, auf der obersten Leiterplattenlage ein Leistungsbauelement mit hoher
Wärmeerzeugung und Betriebsstromstärken bis etwa 80 A und gleichzeitig ein Signal erzeugendes bzw. verarbeitendes Bauelement, wie einen ungehäusten Mikroprozessor mit sehr engen Kontaktabständen und vergleichsweise niedrigen Betriebsstromstärken, gleichzeitig zu verwenden. Auf keramischen Schaltungsträgern können dagegen in der Regel nur Stromstärken bis maximal 25 A realisiert werden.
Als Kühlkörpermaterial für eine organische HDI-Leiterplatte eignen sich auf Grund ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten (kurz CTE = Coefficient of Thermal Expansion) und ihrer Wärmeleitfähigkeit Aluminium oder Kupfer oder deren Legierungen besonders gut. Sie sind auch kostengünstiger als spezielle Verbundwerkstoffe wie z. B. AlSiC. Besonders gut als Kühlkörper eignet sich eine flache Platte, da diese eine große Fläche zur Wärmeabfuhr besitzt und leicht am Gehäuse zum Beispiel eines Getriebes montierbar ist.
Die Platte des Kühlkörpers kann auch eine Abstufung, insbesondere am Rand der Platte aufweisen. Durch die Abstufung wird die Kontaktfläche zwischen der Platte und dem umhüllenden Kunststoff und damit der Kriechweg für evtl. in das Elektronikmodul eindringende Flüssigkeiten und Gase vergrößert. Die Kriechwegverlängerung kann sowohl durch die Abstufung im Querschnitt des Kühlkörpers als auch als Hinterschneidung ausgeführt sein, in die gezielt Kunststoff eindringen kann, wobei die Hinterschneidung insbesondere so angeordnet ist, dass diese an das Formfüllverhalten des Kunststoffs optimal angepasst ist, um Lufteinschlüsse zu vermeiden. Beide Kriechweg verlängernden Maßnahmen können auch in Kombination auftreten.
Als elektrisch leitende Leiterstrukturen zum elektrischen Verbinden eines elektronischen Bauelements auf dem Schaltungsträger der elektronischen Schaltung mit elektrischen
Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls dienen, wie schon erwähnt, insbesondere mindestens ein Stanzgitter, eine weitere Leiterplatte oder ein flexibler Folienleiter. Dabei kann das Stanzgitter oder die Flexfolie direkt auf den Schaltungsträger zum Beispiel aufgelötet, aufgeschweißt oder aufgeklebt werden. Die elektrische Verbindung kann aber auch indirekt zum Beispiel mittels eines Bonddrahts zwischen Schaltungsträger und
Leiterstruktur hergestellt werden. Stanzgitter und Leiterplatte werden vor allem bei einfach strukturierten Umgebungen des Elektronikmoduls verwendet, die teuereren flexiblen Folienleiter können an komplexer angeordnete Umgebungen angepasst werden.
Die Mechanische Verbindung zwischen Schaltungsträger der Leiterstruktur ist in der Regel Stoff- oder kraftschlüssig. Diese Funktion kann insbesondere wie weiter oben im Zusammenhang mit der elektrischen Verbindung beschrieben, durch Auflöten, Aufschweißen oder Aufkleben, oder auch Sintern, Sinterkleben erfolgen.
Vorteilhafterweise ist der umhüllende Kunststoff mit nichtmetallischen, anorganischen Partikeln, wie zum Beispiel Si02 oder A1203 gefüllt, da diese einerseits elektrisch isolierend sind um Kurzschlüsse der elektronischen Schaltung zu vermeiden, andererseits eine gute thermische Leitfähigkeit besitzen, um zusätzlich zum Kühlkörper zur Abfuhr der aufgrund der Verlustleistung der elektronischen Bauelemente entstehenden Wärme beizutragen.
Andere Füllstoffe wie AIN, BN oder SiC wären grundsätzlich auch denkbar, da sie eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit als die genannten Oxide besitzen, aber aus Kostengründen und aufgrund ihrer hohen Härte, nur sehr unwahrscheinlich ökonomisch einsetzbar sind.
Da die Kontaktfläche von Kunststoff und Schaltungsträger in der Regel kleiner ist als die Kontaktfläche von Schaltungsträger und Wärme abführendem Kühlkörper, ist der
Glasübergangspunkt des Kunststoffs vorzugsweise zumindest gleich oder größer als der des Schaltungsträgers. Der Glasübergangspunkt eines Materials ist insbesondere bei Duroplasten auf Kohlenstoffbasis ein Maß für die maximal zulässige Betriebstemperatur. Insbesondere erhöht sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials ab der Glastemperatur um das vier- bis fünffache, was negative Auswirkungen auf den Aufbau des Elektronikmoduls hätte.
Grundsätzlich ist es von Bedeutung, dass die Glasübergangstemperatur des umhüllenden Polymers oberhalb der Einsatztemperatur der Elektronik ist. Da es durch die Änderung des CTE während dem thermischen Zyklus zu Delaminationen auf dem Schaltungsträger kommen kann. Um eine besonders gute thermische Anbindung des Schaltungsträgers zum Kühlkörper zu erreichen, ist der Schaltungsträgers mit dem Kühlkörper insbesondere mittels eines thermisch leitfähigen Adhäsivmaterials, z.B. mittels eines mit anorganischen Partikeln gefülltem
Wärmeleitkleber oder thermisch leitenden Folienmaterials durch Lamination verbunden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines mit
Kunststoff umhüllten Elektronikmoduls zur Verwendung als Steuergerät in einem
Kraftfahrzeug zu schaffen, das sowohl niedrige Material- als auch niedrige
Herstellungskosten und darüber hinaus während der gesamten Lebensdauer hohe
Prozesssicherheit, insbesondere Öldichtheit, garantiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Elektronikmoduls werden zunächst folgende Komponenten bereit gestellt:
- ein für eine Bare Die Montage, also für die Montage von ungehäusten Bauelementen geeigneter, organischer HDI-Schaltungsträger, mit mindestens einem elektronischen Bauelement,
- mindestens eine elektrisch leitende Leiterstruktur zum elektrischen Verbinden der elektronischen Schaltung mit elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls,
- ein Kühlkörper,
- eine Spritzform.
Anschließend wird eine elektrische Verbindung des mindestens einen elektronischen Bauelements der elektronischen Schaltung mit entsprechenden elektrisch leitenden
Leiterstrukturen hergestellt.
Als elektrisch leitende Leiterstrukturen kann insbesondere mindestens ein Stanzgitter, eine weitere Leiterplatte oder ein flexibler Folienleiter oder eine Kombination daraus verwendet werden. Dabei kann das Stanzgitter oder die Flexfolie zum einen direkt auf den
Schaltungsträger beispielsweise aufgelötet, aufgeschweißt oder aufgeklebt werden. Diese direkte elektrisch leitende Verbindung dient in der Regel auch als mechanische Verbindung zwischen elektronischer Schaltung und Leiterstruktur.
Die elektrische Verbindung kann aber auch indirekt zum Beispiel mittels eines Bonddrahts zum Beispiel aus Gold, Silber oder auch Kupfer zwischen Schaltungsträger und
Leiterstruktur hergestellt werden.
In einem weiteren Schritt wird der Schaltungsträger mit dem Kühlkörper thermisch leitend verbunden. Dies erfolgt vorteilhafterweise mittels eines thermisch leitfähigen
Adhäsivmaterials, z. B. eines Wärmeleitklebers. Die Reihenfolge der letzten beiden Schritte ist beliebig.
Danach wird die elektronische Schaltung mit dem Kühlkörper in eine Spritzform eingelegt und mit Kunststoff umspritzt. Bei dem Kunststoff handelt es sich vorzugsweise um ein duroplastisches Polymer, wie zum Beispiel Silikon, Epoxysilikon, Epoxidharz oder
Phenolharz, welches mit anorganischen Partikeln gefüllt sein kann.
Nach dem Umspritzen sind die elektronische Schaltung und der Kühlkörper derart mit Kunststoff umhüllt dass nur die dem Schaltungsträger gegenüberliegende Rückseite des Kühlkörpers zumindest teilweise frei von Kunststoff ist. Die freie Fläche der Rückseite des Kühlkörpers steht dann der Ableitung der Wärme aus dem Elektronikmodul zur Verfügung.
Neben einem Teil der Rückseite des Kühlkörpers bleiben beim Spritzvorgang auch die Kontaktenden der Leiterstrukturen , die zur elektrischen Verbindung mit den elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls dienen, frei von Kunststoff.
Als Spritzverfahren kann insbesondere das sogenannte Spritzpressen, oder auch Transfer Moulding genannt, zum Einsatz kommen, wobei Kunststoff in die Spritzform eingepresst, und unter Wärme und Druck aushärtet. Dieses Verfahren bietet gegenüber anderen Verfahren, z.B. Compression Moulding die Möglichkeit auch Elektroniken mit komplexen
Schaltungslayout und stark unterschiedlich großen Komponenten ohne Lufteinschlüsse zu ummoulden. Grundsätzlich wäre auch Duroplast- Injectionmoulding (Spritzgießen) denkbar. Bei diesem Verfahren entstehen aber deutlich höhere Drücke, die dazu führen können, dass insbesondere die feinen Gold-Bonddrähte verweht oder abgerissen werden.
In der nachfolgenden Beschreibung werden die Merkmale und Einzelheiten der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Elektronikmodul mit einem Kühlkörper und einer direkten Verbindung zwischen Schaltungsträger und Leiterstruktur,
Fig. 2 ein Elektronikmodul wie in Fig. 1 mit einem Kühlkörper mit einer Abstufung,
Fig. 3 ein Elektronikmodul wie in Fig. 1 mit einem Kühlkörper mit einer Abstufung und einer Hinterschneidung,
Fig. 4 ein Elektronikmodul mit einer Abstufung am Kühlkörper und einem Bonddraht zwischen Schaltungsträger und Leiterstruktur als indirekte elektrische Verbindung, und
Fig. 5 ein Elektronikmodul mit einer Abstufung am Kühlkörper und einem Bonddraht
zwischen Schaltungsträger und Leiterstruktur, wobei die Leiterstruktur elektrisch nicht leitend mit dem Schaltungsträger verbunden ist.
Fig. 1 zeigt ein Elektronikmodul zur Verwendung als Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, mit einer mit Kunststoff 2 umhüllten elektronischen Schaltung 1, die auf einem Kühlkörper 3 angeordnet ist. Die elektronische Schaltung 1 umfasst einen organischen HDI (High Density Interconnect)- Schaltungsträger 5, auf dem elektronische Bauelemente 4, 7 montiert sind.
Nachfolgend werden die bekannten konstruktiven Merkmale einer HDI-Leiterlatte näher erläutert. Eine HDI-Leiterplatte 5 ist eine spezielle mehrlagige Leiterplatte. Die Leiterplattenlagen weisen jeweils wenigstens eine auf das elektrisch isolierende Basismaterial aus
glasfaserverstärktem Kunststoff aufgebrachte Wärmeleitschicht, insbesondere aus Kupfer, auf. Dabei sind mehrere in z-Richtung senkrecht zu den Leiterplattenlagen verlaufende Vias vorgesehen.
Mit Via (= Vertical Interconnect Access), auch Lagenwechsler genannt, wird eine vertikale Durchkontaktierung bezeichnet, die wenigstens zwei Leiterplattenlagen einer mehrlagigen Leiterplatte 5 elektrisch und thermisch verbindet.
Als Blind Via wird ein Via bezeichnet, das als Sackloch mit einer Durchkontaktierung ausgebildet ist, die insbesondere die oberste oder unterste Leiterplattenlage mit wenigstens einer inneren Leiterplattenlage einer mehrlagigen Leiterplatte 5 verbindet.
Als Buried Via wird ein Via bezeichnet, das im Inneren einer mehrlagigen Leiterplatte 5 angeordnet ist, und wenigstens zwei innere Leiterplattenlagen verbindet.
Vias, die als durchkontaktierte Löcher mit einem Durchmesser kleiner als etwa 150 μιη ausgebildet sind, werden auch als Mikrovias bezeichnet.
Vias, die primär einer Verbesserung des Wärmetransportes durch eine Leiterplatte 5 dienen, werden auch als thermische Vias bezeichnet.
Die Vias verbinden die Wärmeleitschichten verschiedener Leiterplattenlagen derart, dass die Vias und die Wärmeleitschichten der Leiterplattenlagen eine Wärmeleitbrücke von der obersten Leiterplattenlage zur untersten Leiterplattenlage bilden. Die Wärmeleitschichten dienen dabei gleichzeitig als elektrischer Leiter.
Insbesondere ist eine Gesamtoberfläche aller Wärmeleitschichten wenigstens einer
Leiterplattenlage größer als eine Gesamtoberfläche aller Wärmeleitschichten einer darüber liegenden Leiterplattenlage. Die von den Vias und Wärmeleitschichten gebildete Wärmeleitbrücke wird dabei von wenigstens einer Leiterplattenlage zu einer darunter liegenden Leiterplattenlage verbreitert, da die Gesamtoberfläche aller Wärmeleitschichten wenigstens einer Leiterplattenlage größer als eine Gesamtoberfläche aller Wärmeleitschichten einer darüber liegenden Leiterplattenlage ist. Dadurch wird die für den Wärmetransport wirksame Fläche vorteilhaft vergrößert und der Wärmewiderstand der gesamten Leiterplatte 5 reduziert, da der Wärmewiderstand wenigstens näherungsweise proportional zum Kehrwert der für den Wärmetransport wirksamen Fläche ist.
Speziell bei einer HDI-Leiterplatte wird die oberste Leiterplattenlage mit wenigstens der in z-Richtung senkrecht zu den Leiterplattenlagen nächsten inneren Leiterplattenlage zumindest zum Teil mit als Mikrovias mit kleinem Durchmesser ausgebildeten Blind Vias verbunden. Dadurch ist eine höhere Anzahl an Vias pro Fläche möglich. Daraus resultiert neben einer erhöhten Stromtragfähigkeit insbesondere eine verbesserte Wärmeableitung, speziell von Wärme abgebenden aktiven elektronische Bauelementen 4, 7. Die höhere Anzahl an Vias pro Fläche durch den Einsatz von Mikrovias ermöglicht vor allem aber auch, dass auf der obersten Leiterplattenlage speziell ungehäuste elektronische Bauelemente 4, sogenannte Bare Dies, montiert werden können, deren Kontaktabstände um einiges kleiner sind als die von Bauelementen 7 mit Gehäuse.
Insbesondere ist zumindest auf die Wärmeleitschichten der Leiterplattenlagen eine multifunktionale Zusatzmetallisierung mit einer Schichtabfolge aus z. B. Nickel, Palladium und Gold aufgebracht. Dadurch sind Verbindungstechniken zur Bestückung der Leiterplatte 5 mit ungehäusten Bauelementen 4 zusammen mit gehäusten Bauelementen 4 möglich. Hierzu ist die Zusatzmetallisierung auf die äußere Kupfer-Oberfläche der Wärmeleitschichten aufgebracht, wobei die Zusatzmetallisierung gleichzeitig für Montageprozesse insbesondere mittels Löttechnik, Silberleitkleben etc. für ungehäuste aktive Bauelemente 4 und
Verbindungstechniken, wie z. B. Drahtbonden mit Gold-Draht und/oder Aluminium-Draht insbesondere für gehäuste passive Bauelemente 7, geeignet ist.
Wie schon erwähnt sind insbesondere die Wärmeleitschichten der Leiterplattenlagen und die Wände der Vias mit Kupfer beschichtet und zusätzlich mit einer multifunktionalen
Metallisierung aus NiPdAu versehen. Dies trägt auch vor allem dazu bei, dass die Stromtragfähigkeit dieser HDI- Leiterplatte 5 bis zu 50 A und mehr beträgt. Die maximale Stromtragfähigkeit von Dickschichtkeramikleiterplatten liegt dagegen bei etwa 25 A.
Bei der Verwendung des Elektronikmoduls aus mit Kunststoff 2 umhüllter elektronischer Schaltung 1 auf einem Kühlkörper 3 als Steuergerät in einem Kraftfahrzeug kommt es im wesentlichen darauf an, dass die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Komponenten
idealerweise derart aufeinander abgestimmt sind, dass sie im direkten Vergleich jeweils in der Größenordnung von +/- 15% liegen. Dadurch wird erreicht, dass es bei
Temperaturschwankungen nicht zu Rissen im Kunststoff selbst kommt bzw. der Kunststoff sich von dem Schaltungsträger 5 oder dem Kühlkörper 3 löst, und damit ewa Öl aus dem Getriebe bis zum Schaltungsträger 5 vordringen und diesen beschädigen oder gar zerstören kann.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE eines Schaltungsträgers wie der HDI- Leiterplatte 5 liegt im Bereich von 18 - 20 ppm/°C. Der CTE von Kupfer liegt bei 16 ppm/°C und der von Aluminium bei 23 ppm/°C. Diese beiden Materialien eignen sich daher besonders gut als Kühlkörper 3 für eine HDI- Leiterplatte 5 da sie nahezu spannungsfrei miteinander verbunden werden können
Verglichen, zum Beispiel mit Eisen, dessen CTE bei 12 ppm/° C, und somit eher als
Kühlkörpermaterial für eine Keramikleiterplatte mit 5-7 ppm/°C geeignet ist, haben Kupfer und Aluminium gegenüber Eisen zudem den Vorteil, dass ihre thermischer
Wärmeleitfähigkeit von 200 W/mK für Aluminium und 400 W/mK für Kupfer um das 3-5 fache höher ist als die von Eisen, die bei 70 W/mK liegt.
Die Leiterstruktur 6 kann insbesondere als Stanzgitter aus Kupfer, mit einem CTE von 16 ppm/°C, als zusätzliche Leiterplatte aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit einem CTE von 18-20 ppm/°C oder einem flexiblen Folienleiter aus einem Verbund aus einer Polyimid- und einer Kupferfolie mit einem CTE im Bereich 16-18 ppm/°C ausgeführt sein. Die
Leiterstruktur 6 ist in Fig. 1 mit dem Schaltungsträger 5 direkt verbunden. Diese Verbindung kann durch Schweißen, Löten oder Kleben hergestellt werden und hat sowohl die Funktion einer elektrischen als auch einer mechanischen Verbindung.
Der umhüllende Kunststoff 2 besteht insbesondere aus einem duroplastischen Polymer, wie Silikon, Epoxysilikon, Epoxidharz oder Phenolharz. Der CTE dieser Materalien liegt hier im Bereich von 14-19 ppm/°C, wobei der Bereich durch unterschiedliche Beimengungen der anorganischen Füllstoffe, z.B. Si02 eingestellt werden kann.
Diese Kunststoffmaterialien sind somit aufgrund ihres CTE geeignet, den Schaltungsträger 3, die Leiterstruktur 6 und zumindest einen Teil des Kühlkörpers 3 so zu umhüllen, dass es bei Temperaturschwankungen nicht zu Rissen im Kunststoff 2 selbst kommt bzw. der Kunststoff 2 sich von dem Schaltungsträger 5 oder dem Kühlkörper 3 löst. Denkbar wäre aber auch die Verwendung eines thermoplastischen Polymers.
Die Umhüllung mit Kunststoff 2 ermöglicht denselben Schutz gegen schädigende
Umgebungseinflüsse in der Vorortumgebung wie ein teureres Gehäuse. Ferner wird durch die Kapselung mit Kunststoff 2 der in Steuergerätgehäusen sonst übliche weiche Verguss der elektronischen Schaltung 1 mit Silikon-Gel und/oder Silikon-Lack als Schutz gegen beispielsweise eindringende schädliche Gase eingespart.
Zudem muss die Leiterstruktur 6 zur elektrischen Verbindung der elektronischen
Schaltung 1 mit den elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls nicht wie einem Steuergerät mit Gehäuse in der Gehäusewand separat abgedichtet werden.
Die Betriebstemperatur des Kunststoffs 2 ist in der Regel etwas höher als die des
Schaltungsträgers 5, da insbesondere die Kontaktfläche zwischen Kunststoff 2 und
Schaltungsträger 5 kleiner ist als die Kontaktfläche zwischen dem Schaltungsträger 1 und dem Wärme abführendem Kühlkörper 3. Daher ist der Glasübergangspunkt des Kunststoffs 2 vorzugsweise zumindest gleich oder größer als der des Schaltungsträgers 5, wobei der Glasübergangspunkt eines Materials ein Maß für die maximal zulässige Betriebstemperatur ist. Die kunststofffreie Rückseite des Kühlkörpers 3 kann zur optimalen Wärmeabführung an einem Teil des hier nicht gezeigten Getriebes montiert sein, an dem niedrigere Temperaturen herrschen.
Fig. 2 zeigt ein Elektronikmodul, bei dem der Kühlkörper 3 am Rand eine Abstufung 10 aufweist. Die Abstufung 10 kann am Rand des Kühlkörpers 3 umlaufend angeordnet sein, muss aber nicht. Durch die Abstufung 10 wird die Kontaktfläche zwischen dem Kühlkörper 3 und dem umhüllenden Kunststoff 2 und damit der Kriechweg für evtl. von außen in das Elektronikmodul eindringende Flüssigkeiten und Gase vergrößert und damit Wahr- scheinlichkeit eines Ausfalls des Moduls verringert.
Die Kriechwegverlängerung kann alternativ zur Abstufung 10 auch als Hinterschneidung 9 ausgeführt sein, in die gezielt Kunststoff 2 eindringen kann. Beide Kriechweg verlängernden Maßnahmen können auch in Kombination auftreten, wie in Fig. 3 gezeigt.
Die Leiterstruktur 6 ist in Fig. 4 mit dem Schaltungsträger 5 indirekt mit einem Bonddraht 12 elektrisch leitend verbunden, zum Beispiel einem Cu-Bonddraht, dessen CTE wie weiter oben beschrieben im Bereich des Kunststoffs 2 liegt und somit im wesentlichen spannungsfrei von diesem umhüllt wird.
Fig. 5 zeigt ein Elektronikmodul, bei dem die Leiterstruktur 6 mit dem Schaltungsträger 5 elektrisch nicht leitend verbunden ist, beispielsweise geklebt ist. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen Schaltungsträger 5 und Leiterstruktur 6 ist mittels eines Bonddrahts 12 hergestellt.
Durch geeignete Auswahl der Materialien seiner Einzelkomponenten ist das erfindungsgemäße Elektronikmodul in großem Maße unempfindlich gegen Temperaturschwankungen, somit im wesentlichen spannungsfrei und dadurch zuverlässig dicht über seine gesamte Lebensdauer. Der kompakte Aufbau des Elektronikmodul garantiert einen Platz sparenden Einbau, wobei insbesondere durch geeignete Form des Kühlkörpers das Elektronikmodul auch wie ein Stecker verbaut werden kann. Zusätzlich kann bei der Herstellung des Elektronikmoduls vorteilhafterweise dieselbe Spritzform für verschiedene elektronische Schaltungen verwendet werden. Zu guter letzt bietet die Komplettabkapselung des Elektronikmoduls einem Plagiatsschutz bzw. einen Schutz gegen Fremdmanipulation.
Bezugszeichenliste :
1 elektronischen Schaltung
2 Kunststoff
3 Kühlkörper
4 Ungehäust elektronisches Bauelement
5 Schaltungsträger
6 Elektrisch leitende Leiterstruktur
7 Gehäust elektronisches Bauelement
8 Offene Kontaktenden der Leiterstruktur
9 Hinterschneidung
10 Abstufung
11 Wärmeleitkleber
12 Bonddraht

Claims

Patentansprüche :
1. Elektronikmodul zur Verwendung als Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, mit einer mit Kunststoff (2) umhüllten elektronischen Schaltung (1) angeordnet auf einem Kühlkörper (3), wobei die elektronische Schaltung (1) umfasst
- mindestens einen organischen HDI (High Density Interconnect)- Schaltungsträger (5) für Bare Die Montage, auf dem mindestens ein elektronisches Bauelement (4) angeordnet ist
- elektrisch leitende Leiterstrukturen (6) zum elektrischen Verbinden des elektronischen Bauelements (4) der elektronischen Schaltung (1) mit elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schaltungsträger (5) mit dem Kühlkörper (3) thermisch leitend verbunden ist, und die elektronische Schaltung (1) und der Kühlkörper (3) derart mit Kunststoff (2) umhüllt sind, dass nur die dem Schaltungsträger (5) gegenüberliegende Rückseite des Kühlkörpers (3) zumindest teilweise, und mindestens die Kontaktenden (8) der Leiterstrukturen (6), die zur elektrischen Verbindung mit den elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls dienen, frei von Kunststoff sind.
2. Elektronikmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kunststoffs (2), des Schaltungsträgers (5), der Leiterstrukturen (6) und des Kühlkörpers (3) derart aufeinander abgestimmt sind, dass sie im Vergleich jeweils in der Größenordnung von +/- 15% liegen.
3. Elektronikmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anordnung von mehr als einem elektronischen Bauelement (4, 7) auf dem Schaltungsträger (5) ein Leistungsbauelement und ein Signal erzeugendes bzw. verarbeitendes Bauelement gleichzeitig montierbar ist.
4. Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (3) als flache metallische Platte z.B. aus Aluminium oder Kupfer ausgeführt ist.
5. Elektronikmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (3) als flache Platte mit mindestens einer Abstufung (10) ausgeführt ist.
6. Elektronikmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (3) als flache Platte mit mindestens einer Hinterschneidung (9) ausgeführt ist.
7. Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Leiterstrukturen (6) als Stanzgitter, Leiterplatte oder als Folienleiter ausgeführt sind.
8. Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (2) ein duroplastisches Polymer, wie zum Beispiel Silikon, Epoxysilikon, Epoxidharz oder Phenolharz ist.
9. Elektronikmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (2) mit anorganischen Partikeln, wie zum Beispiel Si02 gefüllt ist.
10 . Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasübergangspunkt des Kunststoffs (2) gleich oder größer ist als der des
Schaltungsträgers (5).
11. Elektronikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (5) mittels eines thermisch leitfähigen Adhäsivmaterials , z. B. eines Wärmeleitklebers (1 1), mit dem Kühlkörper (3) thermisch leitend verbunden ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Elektronikmoduls gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 mit den Schritten:
- Bereitstellen eines für eine Bare Die Montage geeigneten, organischen HDI- Schaltungsträgers (5), mit mindestens einem elektronischen Bauelement (4), - Bereitstellen von elektrisch leitenden Leiterstrukturen (6) zum elektrischen Verbinden des elektronischen Bauelements (4) der elektronischen Schaltung (1) mit elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls,
- Bereitstellen eines Kühlkörpers (3),
- Bereitstellen einer Spritzform,
- Herstellen einer elektrischen Verbindung des elektronischen Bauelements (4) der elektronischen Schaltung (1) mit der entsprechenden elektrisch leitenden Leiterstruktur (6),
- Herstellen einer thermisch leitenden Verbindung zwischen dem HDI-Schaltungsträger (5) und dem Kühlkörper (3),
- Einlegen der elektronischen Schaltung (1) mit dem Kühlkörper (3) in die Spritzform,
- Umspritzen der elektronischen Schaltung (1) mit dem Kühlkörper (3) mit Kunststoff , dass die elektronische Schaltung (1) und der Kühlkörper (3) derart mit Kunststoff (2) umhüllt sind, dass nur die dem Schaltungsträger (5) gegenüberliegende Rückseite des Kühlkörpers (3) zumindest teilweise, und mindestens die Kontaktenden (8) der Leiterstrukturen (6), die zur elektrischen Verbindung mit den elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls dienen, frei von Kunststoff sind,
- Aushärten des Kunststoffs.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der elektrischen Verbindung des elektronischen Bauelements (4) der elektronischen Schaltung (1) mit der elektrisch leitenden Leiterstruktur (6), direkt durch Auflöten, Aufschweißen oder Aufkleben der Leiterstruktur (6) auf den Schaltungsträger (5) erfolgt.
14. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der elektrischen Verbindung des elektronischen Bauelements (4) der elektronischen Schaltung (1) mit der elektrisch leitenden Leiterstruktur (6), indirekt mittels Drahtbonden erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das
Herstellen einer thermisch leitenden Verbindung zwischen dem HDI-Schaltungsträger (5) und dem Kühlkörper (3) mittels eines thermisch leitfähigen Adhäsivmaterials , z. B. eines Wärmeleitklebers (1 1) erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das
Umspritzen der elektronischen Schaltung (1) mit dem Kühlkörper (3) mit Kunststoff mittels Spritzpressen erfolgt.
EP13805754.2A 2012-12-20 2013-11-11 Elektronikmodul mit einer mit kunststoff umhüllten elektronische schaltung und verfahren zu dessen herstellung Withdrawn EP2936556A1 (de)

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DE102012112738.7A DE102012112738A1 (de) 2012-12-20 2012-12-20 Elektronikmodul mit einer mit Kunststoff umhüllten elektronische Schaltung und Verfahren zu dessen Herstellung
PCT/DE2013/200288 WO2014094754A1 (de) 2012-12-20 2013-11-11 Elektronikmodul mit einer mit kunststoff umhüllten elektronische schaltung und verfahren zu dessen herstellung

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EP2936556A1 true EP2936556A1 (de) 2015-10-28

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