WO2005046020A2 - Elektromotor, sowie verfahren zur herstellung eines solchen - Google Patents

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WO2005046020A2
WO2005046020A2 PCT/EP2004/052720 EP2004052720W WO2005046020A2 WO 2005046020 A2 WO2005046020 A2 WO 2005046020A2 EP 2004052720 W EP2004052720 W EP 2004052720W WO 2005046020 A2 WO2005046020 A2 WO 2005046020A2
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lead frame
motor
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Wolfgang Feiler
Thomas Raica
Stefan Hornung
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01L2924/09701—Low temperature co-fired ceramic [LTCC]

Definitions

  • the invention relates to an electric motor, in particular for moving movable
  • a power semiconductor module has become known from DE 34 06 528 A1, at least one semiconductor component being arranged between two parallel substrates and being contacted with a metallization on the substrates. Ceramic plates are used as substrates, on which all line connections are applied in the form of metallic conductor tracks.
  • the power semiconductor module can be inserted into a housing that is at least partially filled with a sealing compound.
  • Such a semiconductor module If such a semiconductor module is to be used to control an electric motor, it forms a separate electronics unit due to the use of the two metallized ceramic substrates, which cannot be integrated directly into the installation space of the motor housing, since they are only contacted electrically with the electric motor via an electronic connector can.
  • the electric motor according to the invention with the features of the independent claims has the advantage that by designing a substrate as a lead frame with projections that protrude from the molded plastic body, the electronic unit directly provides electrical and mechanical connections that are designed to be so stable that further components of the electric motor can be connected directly to the electronic unit. This has the advantage that the electronics module in the
  • the method according to the invention for producing an electric motor with an electronic control unit has the advantage that, by connecting a mechanically stable lead frame with a ceramic substrate in a sandwich construction, very powerful and compact control electronics in a cost-effective and easily variable process can be manufactured.
  • the direct connection of motor components to the control unit eliminates additional process steps, because together with the assembly of the electronics unit, further motor components such as brush holders, shielding surfaces, connector pins and connections to external electrical components are fully assembled.
  • the logic and power sections are usually structurally separate from one another.
  • the logic today is implemented either on printed circuit boards or ceramic substrates such as LTCC.
  • components with housings such as TO220 PowerMOS transistors can be used on the circuit board for the power section, but require additional heat sinks.
  • high-current applications such as electric power steering, the
  • AVT assembly and connection technology
  • This inventive technology of double-sided soldering of power components between two substrates to form a sandwich is used here to connect a plurality of power transistors, which have both a solderable chip rear side and a solderable chip front side, between two substrates (eg DBC), which have an application-specific wiring, to solder.
  • the solderability of the front side of the chip is achieved by applying solder bumps.
  • DBC substrates Both substrates perform functions of mechanical stabilization, heat dissipation and electrical wiring as well as electrical insulation from cooling surfaces, the DBC substrates also preferably being suitable for high ones
  • the technology according to the invention offers approaches to miniaturization or integration by combining power, logic and sensor technology in one module, which can result in potential for further reduction of costs, in particular system costs.
  • the object of the invention is to present window electronics with the aim of direct integration into the motor and reducing the costs, the installation space and the weight in comparison to electronics which correspond to the prior art.
  • the core is a mechatronic module based on sandwich technology, which combines all electrical and mechanical functions, ie it contains power, logic, sensors and the substrates required for the sandwich as well as the housing. Thanks to the concept of sandwich technology and the multifunctional use of, for example, the lead frame (first substrate), additional elements for wiring, in particular bonds, can be dispensed with.
  • power components for example power MOSFETs
  • a first substrate preferably a lead frame (alternatively also DBC, Direct Bond Copper)
  • a second substrate preferably a ceramic substrate
  • the two substrates are contacted in parallel to the contacting of the power components between the first and the second substrate, as a result of which all electrical and mechanical connections are made within the module.
  • the sandwich structure created in this way is used to protect against environmental influences and against mechanical damage
  • An advantage for the direct integration of the electronics in the motor is the reduction in installation space and weight through the use of sandwich technology and the use of bare die components for the power and active logic components, i.e. Avoidance of space-intensive prepacked components. Furthermore, the sandwich structure and the use of bare die
  • the first substrate preferably a lead frame, combines a number of functions. It is primarily used for electrical contacting of the power components and together with the second substrate for their electrical connection, i.e. to represent the electr. Function of the power section.
  • the lead frame cools the power components, so the geometry of the assembly area is the
  • an appropriate surface such as nickel
  • additional functions such as connector pins can be implemented, which are used for standardized connector systems.
  • the interfaces for the external components can be designed in the construction of the lead frame so that the components can be contacted, for example insulation displacement technology, using inexpensive joining methods, i.e. it can be cost-intensive thermal processes such as
  • the contact between the leadframe and the logic substrate can be achieved without the need for additional components if the leadframe is shaped appropriately, if, for example, embossing and punching increases or increases in the manufacturing process by means of appropriate shape-related manufacturing processes
  • Depressions are generated.
  • spring elements which in turn are suitable for electrical contacting, can also be produced, for example, by embossing and thus reducing the material thickness with a suitable shape.
  • the manufacturing processes are suitable for generating contours that mechanically stabilize the lead frame or for sealing the module in
  • DamBar has the advantage that, firstly, several individual parts can be connected to form an easily manageable part, which also significantly reduces the complexity of the workpiece carriers and joining aids Injection molding tool can also be made easier.
  • a logic substrate which is a further development of a ceramic substrate, is preferably used as the second substrate.
  • This substrate has several advantages that make this substrate technology particularly attractive for module technology.
  • the substrate is suitable for high currents, i.e. This means that the technology can be scaled across various performance ranges and can also be manufactured more cost-effectively.
  • the universal surface which is both adhesive and solderable, is particularly advantageous on this logic substrate.
  • the use of standard technology for assembly on the logic side is particularly advantageous for cost reasons, since the assembly of the substrate as a large card is possible, which means that a number of production steps, such as printing the conductive adhesive, can be carried out in parallel at low cost.
  • the substrate is not populated in the large card, but rather as a single substrate. This variant is necessary if the substrate is first to be connected to the power unit and the first substrate and then to be equipped with the logic components.
  • the use of a ceramic substrate is advantageous because the coefficient of expansion of the ceramic is significantly better than that of silicon and
  • Mold packaging is adapted as other substrates, for example printed circuit board (FR4). Since it is possible in this substrate material to implement so-called vias for representing electrical connections between the front and back of the substrate, additional elements and processes can result in additional costs cause and require installation space, are waived. Among other things, this enables a very compact design of the electronics.
  • FR4 printed circuit board
  • a symmetrical structure is particularly advantageous in the case of thermomechanical loads, since it can be assumed that the resulting forces are distributed evenly and thus improve reliability, i.e. the lifespan is increased.
  • a symmetrical structure and short conductor lengths should also improve the EMC (electro-magnetic compatibility behavior).
  • EMC electro-magnetic compatibility behavior
  • any necessary interference suppression components into the module is advantageous since components are available on the market, for example X2Y, which take over the interference suppression function and as SMD components in the
  • Standard assembly process of the logic substrate can be integrated.
  • external interference suppression components usually consisting of inductance and capacitance
  • additional cost-intensive process steps such as welding to contact the wired components, are not required outside the module.
  • welding to contact the wired components are not required outside the module.
  • the housing can also represent storage points for external connections (e.g. plug pins or spring clips for carbon brushes) and components, as well as mounting points of the module in the application.
  • the housing can advantageously be shaped in such a way that geometric boundary conditions result from the installation space and functional requirements (for example distance from Hall sensors in the module)
  • Ring magnet in the application resulting in the application can be taken into account.
  • the entire module i.e. the logic and power section
  • additional electrically insulating elements such as foils can be dispensed with during assembly are saved, which saves both the cost of the insulation material and the cost of its assembly
  • Power components connected by means of bond connections that is, a sequential manufacturing process.
  • this can be achieved by parallel soldering or gluing of the power components respectively.
  • the transistors are first placed on a first substrate (lead frame) and then a second substrate (logic substrate) is placed on the transistors.
  • first substrate lead frame
  • second substrate logic substrate
  • both the wiring of the power components and the connection process of all electrical contacts of the power components and of the first and second substrates take place in parallel.
  • the prerequisite for this type of assembly is that the power components have a solderable or adhesive surface on both sides.
  • the gate and source connections are provided with a so-called UBM (under-bump metalization) and, in the case of contacting by means of soldering, additionally provided with solder deposits, so-called bumps.
  • UBM under-bump metalization
  • bumps solder deposits
  • This technique of double-sided soldering aims to solder power transistors between two DBC (Direct-Bonded-Copper) substrates.
  • Parallelization on the logic substrate can be achieved for active components by using flip-chip technology instead of bond technology, which may furthermore reduce the substrate area required, which has an advantageous effect on the module size and the space required in the application.
  • the assembly in flip chip technology can take place both in the form of a soldering or adhesive flip chip, but preferably as an adhesive connection, since this process can be integrated more easily into the standard assembly of the substrate.
  • an additional stabilization of the module can be advantageous. This can be implemented in different embodiments, two of which are described in more detail below.
  • the module can be overmolded a second time with another plastic, which is characterized by different mechanical properties compared to the low-pressure epoxy molding compound.
  • the alternative of overmolding is particularly advantageous when the process of overmolding plastic is required for the application anyway, for example when producing a housing cover, and the overmolding of the module can be integrated into this process. In this case, no additional processes and tools are required that cause additional costs would.
  • the module can be encapsulated both partially and completely.
  • the module represents an independently testable unit. This is particularly advantageous in the production flow of the application, since in this case no further assembly processes on the Module are required, which could damage the module. This means that no further cost-intensive intermediate tests are required as part of the production of the application
  • Production of the application can be completed with a functional test.
  • the module can be connected via riveted or welded connections, for example.
  • the approaches shown can also be transferred to high-current modules, in particular the substitution of the so-called DBC cover substrate by a
  • Logic substrate preferably that described under c
  • Providing housings and being electrically easy to contact allows, in principle, easier external marketing than electronics based on ceramic substrates that correspond to the state of the art.
  • components - e.g. the lead frame - the number of joining process steps can be reduced, which at the same time eliminates potential failure points in use, which means that better quality with regard to shaking stress can be expected.
  • the description of the invention is explained below by way of example with the aid of a module in sandwich technology consisting of a power and logic part for controlling an electric motor.
  • the power section contains an H-bridge consisting of power transistors and the logic section a microprocessor with its external shading and sensors.
  • a lead frame is used as the first substrate and a hybrid ceramic is used as the second substrate.
  • the basic principles as well as the core and advantages of the invention are scalable and Adaptation of the design to any circuit topologies of the power section and functions of the logic section can be transferred.
  • the assembly of the logic substrate precedes the actual structure of the module.
  • the logic substrate is populated as a large card, onto which conductive adhesive is first applied using screen or stencil printing. Then the
  • the assembly of the module begins with the lead frame.
  • the solder preforms, the pre-soldered power transistors and the pre-assembled one after the other in a joining device (soldering mold) one after the other
  • Logic substrate single substrate stacked.
  • the entire stack is then joined in a soldering step using lead-free solder, for example SnAgCu.
  • solder paste or other joining methods for example gluing, is also conceivable.
  • the arrangement of the joints is to be chosen in such a way that the structure is as symmetrical as possible, so that the joining process does not cause the transistors and the substrate to tilt, which can lead to short circuits in the chip area or generally to unevenly thick joints, which on the one hand reduce the yield manufacturing and on the other hand reduce the reliability of the module.
  • the leadframe is used to cool the transistors, the transistors are preferably soldered to the leadframe on the drain side in order to achieve an optimum
  • the elements provided in the lead frame for fastening the module in the application - for example bores - can be used in the manufacturing process to hold or to fix the lead frame in the joining device. After soldering, the component is encapsulated using transfer molding
  • the component is encapsulated with plastic in the cavity of a mold, which creates the housing of the module.
  • the molding tool consists of an upper and lower part, which are closed after the component has been inserted and seal the cavity on the lead frame, in particular the so-called dam bar. Then the actual spraying process takes place, which is carried out at elevated temperature and high pressure. As soon as the plastic is cross-linked in the tool, the mold is opened and the component is ejected or removed.
  • post-curing as a so-called PMC (post-mold-cure) is optionally possible in one oven step.
  • the individual functional elements or areas of the lead frame are connected to one another by means of the dam bar, as a result of which the lead frame can be handled as part of the assembly process.
  • This connection means that all electrical contacts are short-circuited, that is to say, in order to produce the electrical function, these connection points are separated, for example by a stamping process. If necessary, a bending process can be combined with the punching process for the application-specific design of the electrical and mechanical interfaces for the application.
  • the module is equipped with wired components as part of the final assembly, if necessary, separate carbon brackets are installed and the carbon brushes are connected to the carbon brackets. If carbon brushes with strands are used, the strand must also be connected to the corresponding connections on the module. The final assembly is completed with the electrical test, the unit that can be fully tested at this time.
  • the module can be installed in the drive unit in different ways, but a special orientation may be required when integrating sensors, e.g. that the logic part points in the direction of the motor axis if, for example, Hall sensors have to be positioned above a pole wheel. In this case, the positioning of the sensors within the module and the
  • the distance requirements for example in the case of Hall sensors, can result in the housing in the area of the sensors having contours which allow the required distances to be maintained and at the same time to install components of greater thickness compared to the Hall sensors.
  • the module is installed directly in the application without any further measures, for example by screwing or pressing. But it is also conceivable that the module, for example, only in part of the housing of the application is inserted and fixed by mounting the cover of the application by clamping.
  • the module can be provided with further functional elements which, due to the mechanical properties of the low-pressure epoxy molding compound, cannot be implemented with the latter, for example plug collars.
  • the module can be partially or completely extrusion-coated with a suitable plastic in an additional step prior to assembly in the application, which is preferably integrated into an anyway necessary process, for example the manufacture of a housing cover.
  • the module is installed together with the housing cover.
  • the module can first be mounted on a separately manufactured carrier, which creates an assembly with an extended function that is installed as part of the manufacturing process of the application. If the functional scope of the module is expanded, it may be advantageous to introduce an additional intermediate check before final assembly in the application.
  • a spring element can be produced from one of the external connections, which takes over the contacting of a shielding plate, the shielding plate being part of the motor housing.
  • the shielding plate serves to shield the brush fire arising on the commutator.
  • the contacting of the baffle plate is preferably carried out when the module is being assembled, and thus on others
  • Joining processes can be dispensed with.
  • Electric motor shown with a control unit and explained in more detail in the following description. Show it
  • Figure 1 is a perspective view of an electric motor according to the invention with the open
  • FIG. 2 shows a schematic section through an electronic unit
  • FIG. 3 shows the schematic floor plan of the control unit
  • FIGS. 4 and 5 the top and side views through a further exemplary embodiment of a control unit
  • FIGS. 6 and 7 a further exemplary embodiment with a shielding element as shown in FIGS. 4 and 5, and
  • FIGS. 8 and 9 show a further variation of an electronics unit as shown in FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 1 shows a transmission drive unit 11 in which an electric motor 10 with an armature shaft 12 is mounted in a first housing part 14 over its entire length.
  • a first gear element 16 is mounted on the armature shaft 12 and is coupled to a second gear element 18 of a separate worm shaft 20.
  • the worm shaft 20 meshes with a worm wheel 22, which transmits the drive torque via a damping device 24 to an output pinion 26, which drives a window pane or a sunroof in a motor vehicle, for example.
  • a rotor 28 is arranged on the armature shaft 12 and can be freely rotated within a stator 30 fixed to the housing.
  • the stator 30 has permanent magnets 32 which are connected to one another by means of a two-part magnetic yoke element 34. to
  • Power supply to the armature shaft 12 has a commutator 36 which is in frictional connection with carbon brushes 38 which are connected to an electronics module 70 via spring clips 40.
  • the electronics module 70 has a conductive lead frame 44, the free ends of which protrude as extensions 97 from an injection-molded plastic body 95 and form the spring clips 40, as well as electrical connections 46 for the housing connector 48 and electrical and mechanical contacting to a shielding plate 104 (not shown).
  • the spring clips 40 are made as sheet springs 52 from copper sheet, in one piece with the lead frame 44.
  • the spring clips 40 extend from the lead frame 44 tangentially to the collector 36 and have receptacles 54 into which the carbon brushes 38 are firmly inserted.
  • the electronics module 70 has in addition to the Lead frame 44, 71 on a second substrate 72 on various electronic components 56, such as a microprocessor 58 or a position detection sensor 60, which interacts with a position transmitter 62 on the armature shaft 12.
  • various electronic components 56 such as a microprocessor 58 or a position detection sensor 60, which interacts with a position transmitter 62 on the armature shaft 12.
  • the electronics module 70 is shown in FIG. 1 with an opening.
  • the electrically conductive lead frame 44 with the integrated spring clips 40 is mounted radially to the armature shaft 12 in the first housing part 14 after the gear components 16, 18, as well as the armature shaft 12 and the stator 30 have been mounted radially in the housing part 14.
  • a cover, not shown, which closes the first housing part 14 is then mounted radially as the second housing part.
  • FIG. 2 shows the schematic structure of an electronic unit 70 embodied as an electronic module 70 in sandwich technology.
  • a stamped grid 44 is formed as a first lower substrate 71, for example from a copper sheet by means of stamping, bending and stamping with different segments 73.
  • Power components 75 are electrically connected to the lead frame 44 diodes 69 or transistors 77, for example power MOSFETs 79.
  • the power components 75 have at their lower
  • Further electronic components 56 such as a microprocessor 58, a position sensor 60 and SMD components 59, are arranged on the substrate 72, which together form the logic part 57 for controlling the electric motor 10.
  • the second substrate 72 is connected to the first substrate 71 by means of soldering or by means of a conductive adhesive, in an alternative embodiment on the lead frame 44
  • FIG. 3 shows the plan view of the lead frame 44, the individual segments 73 being connected to one another by means of a dam bar 93 in such a way that the lead frame 44 can be connected as a coherent part to the second substrate 72 and then encapsulated with a plastic body 95.
  • plastic molding compound also runs in gaps 113 and cavities 113 between the two substrates
  • the plastic body 95 is dimensioned such that after it has been molded on, the dam bar 93 can be removed by means of punching, so that the individual segments 73 are no longer conductively connected to one another.
  • Various extensions 97 of the lead frame 44 protrude from the plastic body 95 and form electrical and mechanical interfaces 98 with further motor components 99. Some of the extensions 97 are designed as plug pins 88 for the current and signal connection, other extensions 97 have a receptacle 100 for connecting elements 102 with which the electronics unit 70 can be fixed on the motor housing 14. Other extensions 97 are designed as electrical contact points 101 for external electrical components or for carbon strands 76.
  • Two further extensions 97 are designed as spring clips 40, on which the carbon brushes 38 are arranged, which cooperate with the collector 36 of the armature shaft 12, as shown in FIG. 9.
  • the spring clips 40 are bent, for example, when the dam bar 93 is cut off in such a way that the carbon brushes 38 arranged thereon bear against the collector 36 under tension after the electronics unit 70 has been installed.
  • Another extension 97 is designed as an electrical and mechanical connecting link 103 to a shielding element 104 against electromagnetic interference.
  • the power components 75 or other electronic components, not shown here, are arranged on the individual segments 73 in the interior of the plastic body 95.
  • FIG. 4 shows a plan view of the plastic body 95, which completely encloses the electronic components 56, the power components 75 and the second substrate 72 (as a molded housing 95).
  • the extensions 97 protrude from the plastic body 95 as electrical and mechanical interfaces 98 for the motor components 99.
  • the spring clips 40 formed in one piece with the extensions 97, separate spring clips 40, for example made of spring steel, are mechanically connected to the extensions 97, for example soldered, welded or pressed.
  • the spring clips 40 serve not only for the mechanical, resilient mounting of the carbon brushes 38, but also for their current supply.
  • carbon strands 76 are arranged, which electrically connect the carbon brushes 38 directly to an extension 97 designed as a contact point 101 for supplying power to the carbon brushes 38 (shown in dashed lines on the upright side).
  • Other contact points 101 form an interface 98 to additional external electrical components 74, such as a capacitor 80 designed as an electrolytic capacitor (ELKO) 80.
  • ELKO electrolytic capacitor
  • FIG. 5 shows a corresponding section through the electronics unit 70, the spring clips 40 extending essentially perpendicular to the plane of the first substrate 71.
  • the electronics unit 70 shows that mounted on the armature shaft 12
  • the plastic body 95 with the spring clips 40 receiving the carbon brushes 38 is pushed radially to the armature shaft 12 over the collector 36 until the carbon brushes 38 bear against the collector 36 under prestress.
  • the electronics unit 70 is then fixed to the housing 14 by means of the extensions 97 which are designed as fastening elements 100 and which, for example, interact with the connecting means 102.
  • a shielding plate 104 for shielding against electromagnetic interference is arranged around the collector 36 and the electronics unit 70.
  • the extension 97 designed as a connecting member 103 is designed, for example, as a spring element 105, which is connected to the shielding element 104 when the electronics unit 70 is assembled.
  • further housing parts 14 made of metal, such as a pole pot as shielding elements 104, can be contacted with the connecting member 103, or the shielding bodies 104 - like the spring clips 40 or cooling surfaces 96 - can also be formed in one piece with the extensions 97 of the lead frame 44 his.
  • the plastic body 95 is arranged radially directly opposite the position sensor 62 at a short distance.
  • the plastic body 95 has a recess 107 in which the rotating magnetic ring 62 engages, as a result of which the overall height of the
  • the plastic body 95 is extrusion-coated with a further plastic part 109, which is used here as a plug collar 111 for the Connector pins 88 is formed.
  • a further plastic part 109 which is used here as a plug collar 111 for the Connector pins 88 is formed.
  • further receptacles 100 for connecting means 102 are formed in the outer circumference of the plug collar 111 as fastening elements 100, in which plug 111 and thus the electronics unit 70 can be fixed in the housing part 14.
  • the electronic module 70 is not limited to the use of a brush motor, but can also be used for EC motors and other actuators, for example for valve controls.

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Abstract

Elektromotor (10), insbesondere zum Verstellen beweglicher Teile im Kraftfahrzeug, mit einer Elektronikeinheit (70) in Sandwich-Bauweise, welche ein erstes elektrisch leitfähiges Substrat (71) und ein zweites elektrisch leitfähiges Substrat (72) aufweist, zwischen denen Leistungsbauelemente angeordnet und mit beiden Substraten (71, 72) elektrisch verbunden sind, und das zweite Substrat (72) auf einer dem ersten Substrat (71) abgewandten Seite (84) mit weiteren elektronischen Bauteilen (56) bestückt ist, wobei das erste Substrat (71) als ein leitfähiges Stanzgitter (44) ausgebildet ist, das mit dem zweiten Substrat (72) derart mit einem Kunststoffkörper (95) umspritzt ist, dass aus dem Kunststoffkörper (95) Fortsätze (97) des Stanzgitters (44) ragen, die eine elektrische und/oder mechanische Schnittstelle (98) zur Anbindung weiterer Motorbauteile (99, 38, 40, 104, 102, 80) bilden.

Description

Elektromotor, sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere zum Verstellen beweglicher
Teile im Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Elektromotors nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Mit der DE 34 06 528 AI ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt geworden, wobei mindestens ein Halbleiterbauelement zwischen zwei parallelen Substraten angeordnet ist und mit einer Metallisierung auf den Substraten kontaktiert ist. Als Substrate werden keramische Platten verwendet, auf denen sämtliche Leitungsverbindungen in Form von metallischen Leiterbahnen aufgebracht sind. Das Leistungshalbleitermodul kann dabei in ein Gehäuse eingesetzt sein, dass zumindest teilweise mit einer Vergussmasse ausgefüllt ist.
Soll ein solches Halbleitermodul für die Ansteuerung eines Elektromotors verwendet werden, so bildet dieses aufgrund der Verwendung der beiden metallisierten Keramiksubstrate eine separate Elektronikeinheit, die nicht unmittelbar in den Bauraum des Motorgehäuses integriert werden kann, da sie lediglich über einen Elektronikstecker elektrisch mit dem Elektromotor kontaktiert werden kann.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Elektromotor mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass durch die Ausbildung eines Substrats als Stanzgitter mit Fortsätzen, die aus dem angespritzten Kunststoffkörper ragen, die Elektronikeinheit direkt elektrische und mechanische Anschlüsse zur Verfügung stellt, die so stabil ausgebildet sind, dass weitere Bauteile des Elektromotors direkt an die Elektronikeinheit angeschlossen werden können. Dies hat den Vorteil, dass das Elektronikmodul im
Motorbauraum unmittelbar an der Ankerwelle in den Motor integriert werden kann, wodurch zusätzliche elektrische Verbindungen und mechanische Halterungen für bestimmte Motorbauteile entfallen. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 genannten Merkmale.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Elektromotors mit einer elektronischen Steuereinheit nach den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 21 hat den Vorteil, dass durch die Verbindung eines mechanisch stabilen Stanzgitters mit einem Keramiksubstrat in Sandwich-Bauweise eine sehr leistungsstarke und kompakte Steuerelektronik in einem kostengünstigen und leicht variierbaren Prozess hergestellt werden kann. Durch die direkte Anbindung von Motorbauteilen an die Steuereinheit entfallen zusätzliche Prozessschritte, da zusammen mit der Montage der Elektronikeinheit auch weitere Motorbauteile, wie Bürstenhalter, Abschirmflächen, Steckerpins und Verbindungen zu externen elektrischen Komponenten fertig montiert sind.
In heutigen Steuergeräten sind Logik- und Leistungsteil zumeist baulich voneinander getrennt. Die Logik wird heute entweder auf Leiterplatten oder Keramiksubstraten wie LTCC realisiert. Für den Leistungsteil können bei Anwendungen mit niedriger Leistungsaufnahme Bauteile mit Gehäuse wie TO220-PowerMOS-Transistoren auf der Leiterplatte eingesetzt werden, benötigen aber zusätzliche Kühlkörper. Bei Hochstromanwendungen wie der elektrischen Servolenkung werden die
Leistungstransistoren als Bare-Die auf DBC-Substrate gelötet. Stand der Technik ist die Kontaktierung der Chip-Oberseite mittels Dickdrahtbonds. Der hohe Flächenbedarf der Bondfüße und die begrenzte Stromtragfähigkeit limitieren zusammen mit Zuverlässigkeitsproblemen diese Technik, insbesondere für Hochstromapplikationen. Weitere Nachteile der Bondtechnik sind ein schlechtes Schaltverhalten durch
Streuinduktivitäten und fehlende Prüfkonzepte paralleler Bondloops. Leistungs- und Logiksubstrat werden in Steuergeräten über zusätzliche Stanzgitter und Bondtechnologie verdrahtet. Diese Konzepte sind sehr platzintensiv. Die Montage der Elektronik, insbesondere des Leistungsteils auf Kühlkörpern, wie dem Gehäuse des Steuergerätes oder dem Lagerschild des Motors mittels Wärmeleitkleber oder -folie ist für das thermische Management nicht optimal.
Die Forderung nach höherer Integrationsdichte und Zuverlässigkeit sowie verbessertem thermischen Management führt zu einem neuen Konzept in der Aufbau- und Verbindungstechnologie. Ziel ist es einerseits Logik- und Leistungsteil miteinander zu kombinieren und gleichzeitig die Systeme in Hinblick auf Zuverlässigkeit zu optimieren. Daher wird erfϊndungsgemäß eine geeignete Aufbau- und Verbmdungstechnik (AVT) verwendet, die z.B. durch beidseitige Lötung der Leistungsbauelemente zwischen geeignete Verdrahtungsträger und direkte großflächige Kontaktierung an Wärmesenken sowohl die elektrische als auch die thermische und thermomechanische Performance verbessern. Diese erfindungsgemäße Technologie des beidseitigen Lötens von Leistungsbauelementen zwischen zwei Substraten zu einem Sandwich wird hierbei verwendet, um mehrere Leistungstransistoren, die sowohl eine lötbare Chiprückseite als auch eine lötbare Chipvorderseite besitzen, zwischen zwei Substrate (z.B. DBC), die eine der Applikation entsprechende Verdrahtung aufweisen, zu löten. Die Lötbarkeit der Chipvorderseite wird mittels des Aufbringens von Lotkugehα sogenannten Lotbumps erzielt.
Beide Substrate übernehmen Funktionen der mechanischen Stabilisierung, Wärmeableitung und der elektrischen Verdrahtung sowie elektrischer Isolierung gegenüber Kühlflächen, wobei sich die DBC-Substrate auch vorzugsweise für hohe
Ströme eignen.
Für Applikationen mit kleineren Strömen bietet die erfindungsgemäße Technologie Ansätze zur Miniaturisierung bzw. Integration durch Kombination von Leistung, Logik und Sensorik in einem Modul, wodurch sich Potenziale zur weiteren Reduzierung der Kosten, insbesondere der Systemkosten ergeben können.
Aufgabe der Erfindung ist die Darstellung einer Fensterheberelektronik mit den Zielen direkter Integration in den Motor und Reduzierung der Kosten, des Bauraums sowie des Gewichts im Vergleich zu Elektroniken die dem Stand der Technik entsprechen. Kern ist ein mechatronisches Modul auf Basis einer Sandwichtechnologie, das alle elektrischen und mechanischen Funktionen in sich vereinigt, d.h. es beinhaltet Leistung, Logik, Sensorik und die für den Sandwich erforderlichen Substrate sowie das Gehäuse. Durch das Konzept der Sandwichtechnologie und die multifunktionale Nutzung beispielsweise des Stanzgitters (erstes Substrat) kann auf zusätzliche Elemente zur Verdrahtung insbesondere Bonds verzichtet werden. Dies wird dadurch erzielt, dass zwischen einem ersten Substrat, vorzugsweise einem Stanzgitter (alternativ auch DBC, Direct Bond Copper) und einem zweiten Substrat, vorzugsweise ein Keramiksubstrat Leistungsbauelemente (beispielsweise Power MOSFETs) geklebt oder gelötet werden und auf der Oberseite des zweiten Substrates die Ansteuerlogik des Leistungsteils und die Sensorik bestückt wird. Parallel zur Kontaktierung der Leistungsbauelemente zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat erfolgt die Kontaktierung der beiden Substrate, wodurch alle elektrischen und mechanischen Verbindungen innerhalb des Moduls hergestellt werden. Der in dieser Weise entstandene Sandwichaufbau wird zum Schutz vor Umwelteinflüssen und vor mechanischer Beschädigung mittels eines
Kunststoffspritzprozesses mit einem Gehäuse versehen.
Vorteile der Erfindung sind im Einzelnen:
a) Miniaturisierung des Aufbaus
Vorteilhaft für die direkte Integration der Elektronik in den Motor ist die Reduzierung des Bauraums und Gewichts durch den Einsatz der Sandwichtechnologie und der Verwendung von Bare-Die-Bauelementen für die Leistungs- und die aktiven Logikbauelemente, d.h. Vermeidung von platzintensiven vorverpackten Bauelementen. Des weiteren lassen sich durch den Sandwichaufbau und den Einsatz von Bare-Die-
Bauelementen die Abmessungen der Substrate im Vergleich zu Standard-Technologien kleiner gestalten, wodurch sich trotz Verwendung eines, im Vergleich zur Leiterplatte teureren Logiksubstrates Kostenvorteile ergeben.
b) Multifunktionales Stanzgitter als erstes Substrat
Das erste Substrat, vorzugsweise ein Stanzgitter vereinigt eine Reihe von Funktionen in sich. Primär dient es zur elektrischen Kontaktierung der Leistungsbauelemente und zusammen mit dem zweiten Substrat zu deren elektrischen Verschaltung, d.h. zur Darstellung der elektr. Funktion des Leistungsteils. Daneben übernimmt das Stanzgitter die Kühlung der Leistungsbauelemente, daher ist die Geometrie des Montagebereichs der
Leistungsbauelemente so gewählt, dass eine optimale Entwärmung erfolgen kann. Aus diesem Grund sind vor allem Materialen mit guten elektrischen und thermischen Eigenschaften vorteilhaft, vorzugsweise Cu-Legierungen oder Werkstoffe mit ähnlichen Eigenschaften. Da als Fügeprozess zwischen den Leistungsbauelementen und dem Stanzgitter vorzugsweise ein Löt- oder Klebeprozess eingesetzt wird, ist eine für die
Prozesse geeignete Oberfläche bereitzustellen, d.h. bei Verwendung von Cu-Legierungen kann bei entsprechender Maßnahmen in der Herstellung des Stanzgitters auf eine zusätzliche, d.h. mit Kosten verbunden Oberfläche wie beispielsweise Nickel verzichtet werden. Neben der geeigneten Materialauswahl können durch eine geeignete Wahl der Materialdicke wiederum zusätzliche Funktionen wie beispielsweise Steckerpins realisiert werden, die für genormte Stecksysteme Verwendung finden.
Weitere Elemente die in das Stanzgitter integriert werden können sind beispielsweise Federbügel zur Montage der Kohlebürsten sowie Bohrungen zur Aufnahme des Moduls in der Applikation und Schnittstellen zum Anschluss externer Bauelemente oder zur
Kontaktierung des Motors. Die Schnittstellen für die externen Bauelemente, beispielsweise bedrahtete Kapazitäten, Induktivitäten oder Litzen von Kohlebürsten, können in der Konstruktion des Stanzgitters so gestaltet werden, dass die Bauelemente mittels kostengünstiger Fügeverfahren beispielsweise Schneidklemmtechnik kontaktiert werden, d.h. es lassen sich kostenintensive thermische Prozesse wie beispielsweise
Schweißen vermeiden.
Die Kontaktierung zwischen Stanzgitter und Logiksubstrat kann bei entsprechender Formgebung des Stanzgitters im Bereich der Kontaktstellen ohne zusätzliche Komponenten erzielt werden, wenn im Herstellprozess durch entsprechende formgebundene Fertigungsverfahren beispielsweise Prägen und Stanzen Erhöhungen oder
Vertiefungen erzeugt werden. Prinzipiell lassen sich beispielsweise durch Prägen und damit einer Reduzierung der Materialdicke bei geeigneter Formgebung auch Federelemente herstellen, die wiederum zur elektrischen Kontaktierung geeignet sind. Des weiteren sind die Fertigungsprozesse dazu geeignet, Konturen zu erzeugen, die das Stanzgitter mechanische stabilisieren oder zur Abdichtungen des Moduls in
Zusammenhang mit dem Gehäuse beitragen. Bei diesen Konturen handelt es sich um sogenannte U- oder V-Grooves und „anker holes" sowie Hinterschnitte, die gleichzeitig zur mechanische Stabilisierung des Moduls dienen und damit dessen Zuverlässigkeit sicherstellen. Ein weiteres Funktionselement ist die sogenannte Dam-Bar, die die einzelnen Bereiche des Stanzgitters vor dem Löten bzw. Spritzgussprozess miteinander verbindet. Die Dam- Bar hat den Vorteil, dass erstens mehrere Einzelteile damit zu einem leicht handhabbaren Teil verbunden werden, wodurch auch die Werkstückträger bzw. Fügehilfen deutlich in ihrer Komplexität reduziert werden. Zweites kann damit das Spritzgusswerkzeug ebenfalls einfacher gestaltet werden.
Die vorstehend beschrieben Funktionen können parallel bei der Herstellung des Stanzgitters realisiert werden, da für die Herstellung des Stanzgitters formgebundene Prozesse wie Stanzen, Prägen und Biegen zum Einsatz kommen, sind die entstehenden Kosten im wesentlichen durch Werkzeuge verursacht, die gewöhnlich eine hohe Ausbringung bei gleichbleibender Qualität haben. Das heißt, zur Erreichung der Gesamtfunktion des Stanzgitters sind im Vergleich zu dem Stand der Technik entsprechenden Aufbautechnologien keine weiteren Fertigungsschritte erforderlich, die zusätzliche Kosten verursachen würden.
c) Logiksubstrat als zweites Substrat
Als zweites Substrat wird vorzugsweise ein Logiksubstrat, bei dem es sich um eine Weiterentwicklung eines keramischen Substrates handelt, eingesetzt. Dieses Substrat weist mehrere Vorteile auf, die diese Substrattechnologie für die Modultechnik besonders attraktiv machen. Im Gegensatz zu Keramik-Substraten, die dem Stand der Technik entsprechen, ist das Substrat hochstromtauglich, d.h. damit ist die Technik über verschiedene Leistungsbereiche skalierbar und kann darüber hinaus auch noch kostengünstiger hergestellt werden. Besonders vorteilhaft an diesem Logiksubstrat ist die universelle Oberfläche, die sowohl kleb- als auch lötbar ist. Damit ist es möglich auf der Vorderseite (Logikseite) die Logikbauelemente in Form von Bare-Die und SMD in der dem Stand der Technik entsprechende Leitklebetechnik zu bestücken, um die vorbestückte Baugruppe anschließend zusammen mit den Leistungsbauelementen und dem ersten Substrat sowohl mechanisch als auch elektrisch in einem Fügeschritt vorzugsweise Lötschritt zu verbinden. Prinzipiell sind auch Klebeprozesse als Fügetechnik denkbar.
Die Verwendung der Standardtechnik zur Bestückung auf der Logikseite ist insbesondere aus Kostengründen vorteilhaft, da die Bestückung des Substrates als Großkarte möglich ist, wodurch eine Reihe von Fertigungsschritten wie beispielsweise der Druck des Leitklebers kostengünstig parallel erfolgen kann. Prinzipiell ist es auch denkbar, dass das Substrat nicht in der Großkarte, sondern als Einzelsubstrat bestückt wird. Diese Variante ist in dem Fall erforderlich, wenn das Substrat zunächst mit dem Leistungsteil und erstem Substrat verbunden und anschließend mit den Logikbauelementen bestückt werden soll.
Aus technischer Sicht ist der Einsatz eines Keramik-Substrates vorteilhaft, da der Ausdehnungskoeffizient der Keramik deutlich besser an Silizium und die
Moldverpackung angepasst ist, als andere Substrate beispielsweise Leiterplatte (FR4). Da es in diesem Substratmaterial möglich ist, sogenannte Vias zur Darstellung von elektrischen Verbindungen zwischen der Substratvorder- und Substratrückseite zu realisieren, kann auf zusätzliche Elemente und Prozesse, die zusätzliche Kosten verursachen und Bauraum benötigen, verzichtet werden. Damit wird unter anderem eine sehr kompakte Bauweise der Elektronik möglich.
d) Symmetrischer Aufbau Vorzugsweise sind die Leistungsbauelemente sowie die Fügestellen zwischen den
Leistungsbauelementen bzw. Stanzgitter und Logiksubstrat so anzuordnen, dass ein möglichst symmetrischer Aufbau entsteht. Ein symmetrischer Aufbau ist besonders bei thermomechanischen Belastungen vorteilhaft, da davon ausgegangen werden kann, dass sich die entstehend Kräfte gleichmäßig verteilen und damit die Zuverlässigkeit verbessert, d.h. die Lebensdauer erhöht wird. Weiterhin sollte ein symmetrischer Aufbau und kurze Leiterbahnlängen auch das EMV(ElektroMagnetische Verträglichkeit- Verhalten verbessern. Insbesondere eine symmetrische Leitungsführung der Leistungsabgänge und dem Anschluss an das Abschirmbleche ist vorteilhaft, um eine optimale Funktion von im Modul integrierbaren Entstörbauelementen sicherzustellen. Ein derartiger Aufbau kann mit der erfindungsgemäßen Technologie dargestellt werden.
e) Integration Entstörbauelement in das Modul
Die Integration von gegebenenfalls erforderlichen Entstörbauelementen in das Modul ist vorteilhaft, da auf dem Markt Bauelemente verfügbar sind, beispielsweise X2Y, die die Entstörfunktion übernehmen und als SMD-Bauelemente in den
Standardbestückungsprozess des Logiksubstrates integriert werden können. Durch den Verzicht auf externe Entstörbauelemente (i.d.R. bestehend aus Induktivität und Kapazität), die üblicherweise bedrahtet sind, entfallen außerhalb des Moduls zusätzliche kostenintensive Prozessschritte, beispielsweise Schweißen zum Kontaktieren der bedrahteten Bauelemente. Daneben ergeben sich durch den Entfall der externen
Bauelemente, die in der Regel deutlich größere Abmessungen haben als SMD- Bauelemente Bauraumvorteile, die für die Gesamtintegration des Moduls in die Applikation aufgrund von Bauraumreduzierung vorteilhaft ist. Auch die Handhabung und die Montage des Moduls wird durch den Entfall externer Bauelemente vereinfacht, da die potenzielle Gefahr der Beschädigung dieser Komponenten entfällt.
f) Verwendung von Bare-Die-Bauelementen
Zur Erreichung der Zielsetzung in Bezug auf Miniaturisierung ist es vorteilhaft vorzugsweise Bare-Die Bauelemente einzusetzen, die deutlich weniger Bauraum beanspruchen als die gleichen Bauelemente in Standardgehäusen beispielsweise T0220. Da das gesamte Modul mit einem Gehäuse versehen wird, ist es sinnvoll eine kostenverursachende Doppelverpackung der Bauelemente zu vermeiden.
g) Gehäuse aus Niederdruck-Epoxidpressmasse
Die Ausführung des gesamtem Modulgehäuses in Form eines im Transfer-Moküng- Verfahrens hergestellten Gehäuses ist vorteilhaft, da die für dieses Verfahren eingesetzten umweltverträglichen sogenannten Green Compounds Niederdruck-Epoxidmassen geeignet sind, die im Sandwich auftretenden Spalte blasenfrei zu füllen und die elektrischen Bauelemente insbesondere die Bare-Die-Bauelemente vor Umwelteinflüssen
(z.B. Flüssigkeiten, Staub) zu schützen. Des weiteren sind die Kunststoffe aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften gut geeignet die thermomechanischen Fehlanpassung der eingesetzten Komponenten auszugleichen. Damit verbunden ist auch die mechanische Stabilisierung des Sandwichaufbaus. Im Sinne der multifunktionalen Nutzung der im Modulaufbau eingesetzten Stoffe und Komponenten kann das Gehäuse auch Lagerstellen für externe Anschlüsse (z.B. Steckerpins oder Federbügel für Kohlebürsten) und Bauelemente, sowie Aufhahmepunkte des Moduls in der Applikation darstellen. Für die Integration des Moduls in die Applikation kann das Gehäuse vorteilhafter Weise so ausgeformt werden, dass geometrischen Randbedingungen die aus Bauraum und funktionalen Forderungen (beispielsweise Abstand Hall Sensoren im Modul zu
Ringmagnet in der Applikation) der Applikation resultieren berücksichtigt werden können. Da im Gegensatz zu Standard TO220-Gehäuse das gesamte Modul, das heißt Logik- und Leistungsteil, vollständig ummantelt wird und somit elektrisch isoliert ist, kann bei der Monatage, im Gegensatz zu Standardgehäusen (TO220), auf zusätzliche elektrisch isolierende Elemente wie beispielsweise Folien verzichtet werden, wodurch sowohl die Kosten des Isolationsmaterials als auch die Kosten dessen Montage eingespart werden
h) Parallelisierte Fertigungsprozesse In dem Stand der Technik entsprechenden Fertigungsprozessen werden die
Leistungsbauelemente mittels Bondverbindungen angeschlossen, das heißt einem sequentielle Fertigungsverfahren. Zur Reduzierung der Fertigungskosten ist es vorteilhaft, sequentielle Verfahren durch parallele Verfahren zu ersetzten. Dies kann insbesondere für den Leistungsteil durch das parallele Löten oder Kleben der Leistungsbauelemente erfolgen. Im Falle des Moduls werden z.B. die Transistoren zunächst auf ein erstes Substrat (Stanzgitter) bestückt und anschließend wird ein zweites Substrat (Logiksubstrat) auf die Transistoren bestückt. Mit der Bestückung des zweiten Substrates und dem nachfolgenden Löt- oder Klebeprozess findet parallel sowohl die Verschaltung der Leistungsbauelemente als auch der Verbindungsvorgang aller elektrischen Kontakte der Leistungsbauelemente sowie des ersten und zweiten Substrates statt. Voraussetzung für diese Art der Montage ist, dass die Leistungsbauelemente beidseitig über eine löt- oder klebbare Oberfläche verfügen. Daher werden beispielsweise bei Leistungstransistoren die Gate- und Source-Anschlüsse mit einer sogenannten UBM (Under-Bump-Metalüsierung) versehen und im Falle der Kontaktierung mittels Löten zusätzlich mit Lotdepots, sogenannten Bumps, versehen. Diese Technik des beidseitigen Lötens zielt darauf ab, Leistungstransistoren zwischen zwei DBC (Direct-Bonded- Copper) Substrate zu löten. Parallelisierung auf dem Logiksubstrat kann für aktive Bauelemente durch den Einsatz der Flip-Chip-Technik statt Bondtechnik erzielt werden, wodurch weiterhin unter Umständen eine Reduzierung der benötigten Substratfläche mögüch ist, die sich vorteilhaft auf die Modulbaugröße und den beanspruchten Bauraum in der Applikation auswirkt. Die Bestückung in Flip Chip Technik kann sowohl in Form eines Löt- oder Klebe- Flip-Chip erfolgen, vorzugsweise allerdings als Klebeverbindung, da dieser Prozess einfacher in die Standardbestückung des Substrates integriert werden kann.
i) Mechanische Stabilisierung Modul
Je nach Applikation und ein Einbau (Kräfte auf Steckerpins bzw. Steckerkragen) der
Elektronik kann eine zusätzliche Stabilisierung des Moduls vorteilhaft sein. Dies kann in verschieden Ausführungsformen realisiert werden, von denen zwei nachfolgend ausführlicher beschrieben werden.
Prinzipiell kann das Modul ein zweites Mal mit einem weiteren Kunststoff umspritz werden, der sich durch andere mechanische Eigenschaften gegenüber der Epoxid- Niederdruckpressmasse auszeichnet. Die Alternative der Umspritzung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Prozess des Kunststoffumspritzens für die Applikation sowieso erforderlich ist, beispielsweise bei der Herstellung eines Gehäusedeckels, und die Umspritzung des Moduls in diesen Prozess integriert werden kann. In diesen Fall sind keine weiteren Prozesse und Werkzeuge erforderlich, die zusätzliche Kosten verursachen würden. Die Umspritzung des Moduls kann sowohl teilweise als auch vollständig erfolgen. Sofern kein weiterer Umspritzprozess vorgesehen ist oder die Umspritzung des Moduls aus technischen Gründen beispielsweise zu hoher Komplexität des Spritzprozess zum Anstieg der Kosten durch Ausbeuteverluste führen würde, ist es vorteilhaft die mechanische Stabilisierung und die Realisierung von Zusatzfunktion beispielsweise Steckerkragen oder Montageelemente zur Fixierung des Moduls in der Applikation in einem separaten Modulträger zu realisieren. Dieses Teil kann so ausgeführt sein, dass es kostengünstig herzustellen ist und das Modul anschließend auch einfach in dieses Teil montiert werden kann, beispielsweise durch eine Clip-Verbindung. Durch dieses
Vorgehen können die durch das zusätzliche Teil und die zusätzlichen Prozesse entstehenden Kosten minimiert werden.
j) Separat prüfbare Einheit Durch die Integration aller elektrischen und mechanischen Funktionen zur Ansteuerung und Kontaktierung des Motors in das Modul, stellt das Modul eine eigenständig prüfbare Einheit dar. Dies ist insbesondere im Fertigungsfluss der Applikation von Vorteil, da in diesem Fall keine weitere Montagevorgänge am Modul erforderlich sind, die zur Beschädigung des Moduls führen könnten. Damit sind im Rahmen der Fertigung der Applikation auch keine weiteren kostenintensive Zwischenprüfungen erforderlich und die
Fertigung der Applikation kann mit einer Funktionsprüfung abgeschlossen werden.
k) Ausfülirungsformen
Durch die Möglichkeit der flexiblen Gestaltung des Stanzgitters können Forderungen aus der Applikation bezüglich der mechanischen und elektrischen Schnittstellen, beispielsweise Lage der Steckerpins oder Ausführung der Federbügel berücksichtigt werden. Dies ist insbesondere im Bereich der Leistungsanschlüsse von Vorteil, wenn die Motorkontaktierung nicht mittels der aus dem Stanzgitter erzeugten Federbügeln erfolgt, sondern durch zusätzlich Komponenten, die die Funktion des Federbügels und die Aufnahme der Bürsten übernehmen. Die Verbindung der Federbügel mit den
Anschlüssen des Moduls kann beispielsweise über Niet- oder Schweißverbindungen erfolgen.
1) Geräuschreduzierung Die Integration der Bürsten zu Motorkontaktierung in das Modul ist in Bezug auf die Geräuschentwicklung des Motors vorteilhaft, da die Schwingungen der Federbügel nicht wie bei dem den Stand der Technik entsprechenden Elektroniken in das als Resonanzraum wirkende Motorgehäuse eingeleitet werden. Durch die Gestaltung des Moduls oder des Modulgehäusen und der Aufnahmen des Moduls im Motorgehäuse können die Schwingungen entkoppelt werden.
m) Erweiterung Modulbaukasten
Prinzipiell können die dargestellten Ansätze auch auf Hochstrommodule übertragen werden, insbesondere die Substitution des sogenannten DBC-Deckel-Substrates durch ein
Logiksubstrat. Die Verwendung eines Logiksubstrates, vorzugsweise das unter c) beschriebene ist vorteilhaft, da es die Integration der Ansteuerelektronik für den Leistungsteil ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist die Kombination verschiedener Technologien für die Herstellung der erfindungsgemäßen Elektronikeinheit, wie die vorzugsweise Verwendung des unter c) beschriebenen Substrats, sowie der Einsatz der Sandwichtechnologie, die vorbelotete Leistungsbauelemente erfordert, und die direkte Integration der Elektronik in den Motor, das ein entsprechendes Schnittstellen-Rnow-How zwischen Motor und Elektronik, insbesondere im Falle des Moduls mit Bürstenfedern voraussetzt. Elektroniken die in Form von Modulen ausgeführt werden, das heißt mit einem eigenen
Gehäuse versehen und elektrisch einfach zu kontaktieren sind, erlauben prinzipiell eine einfachere externe Vermarktung als Elektroniken die auf keramischen Substrate basieren, die dem Stand der Technik entsprechen. Durch die multifunktionelle Verwendung von Komponenten - z.B. dem Stanzgitter - kann die Anzahl an Fügeprozeß-Schritten reduziert werden, womit gleichzeitig potentielle Versagensstellen im Einsatz ausgeschlossen werden, wodurch eine bessere Qualität bezüglich Schüttelbeanspruchung zu erwarten ist.
Die Beschreibung der Erfindung wird im folgenden exemplarisch anhand eines Moduls in Sandwichtechnologie bestehend aus einem Leistungs- und Logikteil zur Ansteuerung eines Elektromotors erläutert. Dabei beinhaltet der Leistungsteil eine H-Brücke bestehend aus Leistungstransistoren und der Logikteil einen Mikroprozessor mit dessen externen Beschattung sowie Sensorik. Des weiteren wird beispielhaft als erstes Substrat ein Stanzgitter und als zweites Substrat eine Hybridkeramik eingesetzt. Die grundsätzlichen Prinzipien sowie Kern und Vorteile der Erfindung sind jedoch durch Skalierung und Anpassung des konstruktiven Aufbaus auf beliebige Schaltungstopologien des Leistungsteils und Funktionen des Logikteils übertragbar.
Dem eigentlichen Aufbau des Moduls ist die Bestückung Logiksubstrates vorgeschaltet. Die Bestückung des Logiksubstrates erfolgt als Großkarte, auf der zunächst mittels eines Sieb- oder Schablonendrucks Leitkleber aufgebracht wird. Anschließend erfolgt die
Bestückung der Großkarte mit den aktiven und passiven Bauelementen; bei passiven Bauelementen in Standard SMD Technik und bei aktiven mit Standard Die Attach (Rückseite auf das erste Substrat). Nach dem Aushärten des Leitklebers in einem Ofenprozess werden die aktiven Bauelemente gebondet. Prinzipiell ist es auch möglich die aktiven Bauelemente in Flip-Chip-Technik zu bestücken. Abschließend erfolgt das
Vereinzeln der Großkarte in Einzelsubstrate die im weiteren Modulaufbau verarbeitet werden.
Der Aufbau des Moduls beginnt mit dem Stanzgitter. Auf dieses werden bei der Montage des Moduls gegebenenfalls in einer Fügevorrichtung (Lötform) nacheinander die Lotpreforms, die vorbeloteten Leistungstransistoren und das vorbestückte
Logiksubstrat(Einzelsubstrat) gestapelt. Anschließend wird der ganze Stapel in einem Lötschritt unter Verwendung von bleifreiem Lot beispielsweise SnAgCu gefugt. Grundsätzlich ist auch der Einsatz von Lotpaste oder anderen Fügeverfahren beispielsweise Kleben denkbar. Die Anordnung der Fügestellen ist so zu wählen, dass ein möglichst symmetrischer Aufbau entsteht, damit es im Fügeprozess nicht zur Verkippung der Transistoren und des Substrates kommt, die im Chipbereich zu Kurzschlüssen bzw. generell zu ungleichmäßig dicken Fügestellen führen können, die einerseits die Ausbeute in der Fertigung und anderseits die Zuverlässigkeit des Moduls reduzieren. Da das Stanzgitter zur Kühlung der Transistoren Verwendung findet, erfolgt die Lötung der Transistoren vorzugsweise mit der Drainseite auf das Stanzgitter, um eine optimale
Entwärmung der Transistoren zu gewährleisten.
Die für die Befestigung des Moduls in der Applikation vorgesehenen Elemente im Stanzgitter - beispielsweise Bohrungen - können im Fertigungsprozess zur Aufnahme oder zur Fixierung des Stanzgitters in der Fügevorrichtung genutzt werden. Nach dem Löten erfolgt die Verkapselung des Bauteils mittels des Transfer -Molding
Verfahrens, bei dem das Bauteil in der Kavität einer Moldform mit Kunststoff umspritzt wird, wodurch das Gehäuse des Moduls entsteht. Das Moldwerkzeug besteht aus einem Ober- und Unterteil, die nach dem Einlegen des Bauteils geschlossen werden und die Kavität auf dem Stanzgitter insbesondere der sogenannten Dam-Bar abdichten. Anschließend erfolgt der eigentliche Spritzprozess, der mit erhöhter Temperatur und hohem Druck durchgeführt wird. Sobald der Kunststoff im Werkzeug vernetzt ist, wird die Moldform geöffnet und das Bauteil ausgestoßen bzw. entnommen. Je nach eingesetztem Kunststoff und Anforderungen an die Verpackung ist optional das Nachhärten als sogenanntes PMC (post-mold-cure) in einem Ofenschritt möglich.
Bis nach dem Molden sind die einzelnen Funktionselemente bzw. -bereiche des Stanzgitters mittels der Dam-Bar miteinander verbunden, wodurch sich das Stanzgitter als ein Teil im Montageprozess handhaben lässt. Diese Verbindung bedingt, dass alle elektrischen Kontakte kurzgeschlossen sind, das heißt zur Herstellung der elektrischen Funktion werden diese Verbindungsstellen beispielsweise durch einen Stanzprozess aufgetrennt. Gegebenfalls kann mit dem Stanzprozess ein Biegeprozess zur applikationsspezifischen Gestaltung der elektrischen und mechanischen Schnittstellen zur Applikation kombiniert werden. Abhängig von der Ausfuhrungsform des Moduls erfolgt im Rahmen der Endmontage die Bestückung des Moduls mit bedrahteten Bauelementen, gegebenenfalls die Montage separater Kohlebügel und die Verbindung der Kohlebürsten mit den Kohlebügeln. Im Falle der Verwendung von Kohlebürsten mit Litzen ist zusätzlich noch die Litze mit den entsprechenden Anschlüssen am Modul zu verbinden. Abgeschlossen wird die Endmontage mit der elektrischen Prüfung, der zu diesem Zeitpunkt vollständig prüfbaren Einheit.
Je nach Applikation kann das Modul in unterschiedlicher Weise in die Antriebs-Einheit montiert werden, bei der Integration von Sensorik kann jedoch eine spezielle Orientierung erforderlich sein , z.B. dass der Logikteil in Richtung Motorachse zeigt, wenn beispielsweise Hall-Sensoren über einem Polrad positioniert werden müssen. In diesem Fall ist die Positionierung der Sensoren innerhalb des Moduls und die
Positionierung des Moduls in der Applikation abzustimmen. Dabei können insbesondere die Abstandsforderungen, beispielsweise bei Hall-Sensoren dazu fuhren, dass das Gehäuse im Bereich der Sensoren Konturen aufweist, die es erlauben, die geforderten Abstände einzuhalten und gleichzeitig Bauelemente mit größerer Dicke, im Vergleich zu den Hall-Sensoren, zu verbauen.
Im einfachsten Fall wird das Modul ohne weitere Maßnahmen direkt in die Applikation montiert, dies kann beispielsweise durch Schrauben oder Einpressen erfolgen. Denkbar ist aber auch, dass das Modul beispielsweise nur in ein Teil des Gehäuse der Applikation eingelegt wird und durch die Montage des Deckels der Applikation durch Klemmen fixiert wird.
In anderen Fällen kann es erforderlich sein, dass das Modul mit weiteren Funktionselementen versehen ist, die sich aufgrund der mechanischen Eigenschaften der Epoxid-Niederdruck-Pressmasse nicht mit dieser realisieren lassen, beispielsweise Steckerkragen. Dazu kann das Modul vor der Montage in der Applikation in einem zusätzlichen Schritt mit einem geeigneten Kunststoff teilweise oder vollständig umspritzt werden, was vorzugsweise in einen sowieso erforderlichen Prozess beispielsweise der Herstellung eines Gehäusedeckels integriert wird. Die Montage des Moduls erfolgt für diesen Fall zusammen mit dem Gehäusedeckel. Alternativ kann das Modul zunächst auf einem separat hergestellten Träger montiert werden, wodurch eine Baugruppe mit erweiterter Funktion entsteht, die im Rahmen des Fertigungsprozesses der Applikation montiert wird. Sofern der Funktionsumfang des Moduls erweitert wird, kann es vorteilhaft sein vor der abschließenden Montage in der Applikation eine zusätzliche Zwischenprüfung einzuführen.
In weiteren Ausfuhrungsformen des Moduls kann aus einem der externen Anschlüsse ein Federelement erzeugt werden, das die Kontaktierung eines Abschirmblechs übernimmt, wobei das Abschirmblech Bestandteil des Motorgehäuses ist. Das Abschirmblech dient zur Abschirmung des am Kommutator entstehenden Bürstenfeuers. Die Kontaktierung des Abschinnblechs erfolgt vorzugsweise bei der Montage des Moduls, damit auf weitere
Fügeprozesse verzichtet werden kann.
Zeichnungen
In den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen
Elektromotors mit einer Steuereinheit dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit geöffnetem
Gehäuse,
Figur 2 einen schematischen Schnitt durch eine Eektronikeinheit, Figur 3 den schematischen Grundriss der Steuereinheit,
Figur 4 und 5 die Drauf- und Seitenansicht durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Steuereinheit,
Figur 6 und 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Abschirmelement gemäß der Darstellung in Figur 4 und 5, und
Figur 8 und 9 eine weitere Variation einer Elektronikeinheit gemäß der Darstellung aus Figur 4 und 5.
Beschreibung
In Figur 1 ist eine Getriebe-Antriebseinheit 11 dargestellt, bei der ein Elektromotor 10 mit einer Ankerwelle 12 über deren gesamten Länge in einem ersten Gehäuseteil 14 gelagert ist. Auf der Ankerwelle 12 ist ein erstes Getriebeelement 16 gelagert, das mit einem zweiten Getriebeelement 18 einer separaten Schneckenwelle 20 gekoppelt ist. Die Schneckenwelle 20 kämmt mit einem Schneckenrad 22, das das Antriebsmoment über eine Dämpfungsvorrichtung 24 an ein Abtriebsritzel 26 weiterleitet, das beispielsweise eine Fensterscheibe oder ein Schiebedach in einem Kraftfahrzeug antreibt. Auf der Ankerwelle 12 ist ein Rotor 28 angeordnet, der innerhalb eines gehäusefesten Stators 30 frei drehbar ist. Der Stator 30 weist Permanentmagnete 32 auf, die mittels eines zweiteiligen magnetischen Rückschlusselements 34 miteinander verbunden sind. Zur
Bestromung weist die Ankerwelle 12 einen Kommutator 36 auf, der in Reibverbindung mit Kohlebürsten 38 steht, die über Federbügel 40 mit einer Elektronikmodul 70 verbunden sind. Das Elektronikmodul 70 weist ein leitfahiges Stanzgitter 44 auf, dessen freie Enden als Fortsätze 97 aus einem angespritzten Kunststoffkörper 95 ragen und die Federbügel 40, sowie elektrische Verbindungen 46 für den Gehäusestecker 48 und eine elektrische sowie mechanische Kontaktierung zu einem nicht näher dargestellten Abschirmblech 104 bilden. Die Federbügel 40 sind dabei als Blattfedern 52 aus Kupferblech, einstückig mit dem Stanzgitter 44 hergestellt. Die Federbügel 40 erstrecken sich von Stanzgitter 44 tangential zum Kollektor 36 und weisen Aufnahmen 54 auf, in die die Kohlebürsten 38 fest eingesteckt sind. Das Elektronikmodul 70 weist neben dem Stanzgitter 44, 71 auf einem zweiten Substrat 72 verschiedene elektronische Bauelemente 56 auf, wie beispielsweise ein Mikroprozessor 58 oder einen Positionserfassungssensor 60, der mit einem Positionsgeber 62 auf der Ankerwelle 12 zusammenwirkt. Um den Kollektor 36 und den als Ringmagnet 64 ausgebildeten Positionsgeber 62 sichtbar darzustellen, ist in Figur 1 das Elektronikmodul 70 mit einem Durchbruch dargestellt.
Das elektrisch leitende Stanzgitter 44 mit den integrierten Federbügeln 40 ist radial zur Ankerwelle 12 in das erste Gehäuseteil 14 montiert, nachdem die Getriebebauteile 16, 18, sowie die Ankerwelle 12 und der Stator 30 radial in das Gehäuseteil 14 montiert wurden. Anschließend wird als zweites Gehäuseteil ein nicht dargestellter Deckel radial montiert, der das erste Gehäuseteil 14 abschließt.
In Figur 2 ist der schematische Aufbau einer als Elektronikmodul 70 ausgebildeten Elektronikeinheit 70 in Sandwich-Technologie näher dargestellt. Als ein erstes unteres Substrat 71 ist ein Stanzgitter 44 beispielsweise aus einem Kupferblech mittels Stanzen, Biegen und Prägen mit unterschiedlichen Segmenten 73 geformt. Als
Leistungsbauelemente 75 sind auf dem Stanzgitter 44 Dioden 69 oder Transistoren 77, beispielsweise Power-MOSFETs 79 elektrisch verbunden. Als ein zweites oberes Substrat 72 ist über den Leistungsbauelementen 75 ein Keramiksubstrat 81 mit einer beidseitigen metallischen Beschichtung 83, 84, die hier als Leiterbahnen 78 aus Silber ausgebildet sind, angeordnet. Die Leistungsbauelemente 75 weisen an ihrer unteren
Oberfläche 85 und oberen Oberfläche 86 elektrisch leitende Kontaktflächen 87 (z. B. mittels lot bumps 90) auf, mit denen sie jeweils mit den beiden Substraten 71, 72 leitend verbunden sind. Die Leistungsbauelemente 75 sind als sogenannten Bare-Die-Elemente 89, ohne Kunststoffgehäuse ausgebildet, um einen kompakten Schichtaufbau zu ermöglichen. Auf der dem Stanzgitter 44 abgewandten Beschichtung 84 des zweiten
Substrats 72 sind weitere elektronische Bauelemente 56, wie beispielsweise ein Mikroprozessor 58, ein Positionssensor 60 und SMD-Bauteile 59 angeordnet, die zusammen den Logikteil 57 zur Ansteuerung des Elektromotors 10 bilden. Das zweite Substrat 72 ist mit dem ersten Substrat 71 mittels Löten oder mittels eines leitfähigen Klebstoffs verbunden, wobei in einer alternativen Ausführung am Stanzgitter 44
Halteelemente 91 angeformt sind, mittels denen die Leistungsbauelemente 75 und/oder das zweite Substrat 72 elektrisch kontaktiert und mechanisch auf dem ersten Substrat 71 fixiert werden. Figur 3 zeigt den Grundriss des Stanzgitters 44, wobei die einzelnen Segmente 73 mittels einer Dam-Bar 93 derart miteinander verbunden sind, dass das Stanzgitter 44 als ein zusammenhängendes Teil mit dem zweiten Substrat 72 verbunden und anschließend mit einem Kunststoffkörper 95 umspritzt werden kann. Beim Spritzvorgang läuft dabei auch Kunststoff-Pressmasse in Spalte 113 und Hohhäume 113 zwischen den beiden Substraten
71, 72 und den Leistungsbauelementen 75. Der Kunststoffkörper 95 ist dabei derart bemessen, dass nach dessen Anspritzen die Dam-Bar 93 mittels Stanzen entfernt werden kann, damit die einzelnen Segmente 73 nicht mehr leitend miteinander verbunden sind. Aus dem Kunststoffkörper 95 ragen verschiedene Fortsätze 97 des Stanzgitters 44, die elektrische und mechanische Schnittstellen 98 mit weiteren Motorbauteile 99 bilden. So ist ein Teil der Fortsätze 97 als Steckerpins 88 für die Strom- und Signalverbindung ausgebildet, andere Fortsätze 97 weisen eine Aufnahme 100 für Verbindungselemente 102 auf, mit der die Elektronikeinheit 70 am Motorgehäuse 14 fϊxierbar ist. Andere Fortsätze 97 sind als elektrische Kontaktstellen 101 für externe elektrische Komponenten oder für Kohlelitzen 76 ausgebildet. Zwei weitere Fortsätze 97 sind als Federbügel 40 ausgebildet, an denen die Kohlebürsten 38 angeordnet sind, die mit dem Kollektor 36 der Ankerwelle 12 zusammenwirken, wie in Figur 9 dargestellt ist. Die Federbügel 40 werden beispielsweise mit dem Abtrennen der Dam-Bar 93 derart gebogen, dass die darauf angeordneten Kohlebürsten 38 nach der Montage der Elektronikeinheit 70 unter Vorspannung auf dem Kollektor 36 anliegen. Ein weitere Fortsatz 97 ist als elektrisches und mechanisches Verbindungsglied 103 zu einem Abschirmelement 104 gegenüber elektromagnetischer Störung ausgebildet. Auf den einzelnen Segmenten 73 im Innern des Kunststoffkörpers 95 sind die hier nicht dargestellten Leistungsbauelemente 75 oder andere Elektroniklcomponenten angeordnet.
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf den Kunststoffkörper 95, der die elektronischen Bauelemente 56, die Leistungsbauelemente 75 und das zweite Substrat 72 komplett umschließt (als angespritztes Gehäuse 95). Aus dem Kunststoffkörper 95 ragen die Fortsätze 97 als elektrische und mechanische Schnittstellen 98 für die Motorbauteile 99. Anstelle der einstückig mit dem Fortsätzen 97 ausgebildeten Federbügel 40 sind hier separate Federbügel 40, beispielsweise aus Federstahl mechanisch mit den Fortsätzen 97 verbunden, zum Beispiel verlötet, geschweißt oder verpresst. Die Federbügel 40 dienen dabei nicht nur der mechanischen, federnden Halterung der Kohlebürsten 38, sondern auch deren Stromzufuhr. In einer alternativen Ausführung sind entlang der Federbügel 40 zusätzlich Kohlelitzen 76 angeordnet, die die Kohlebürsten 38 elektrisch direkt mit einer als Kontaktstelle 101 ausgebildetem Fortsatz 97 zur Stromversorgung der Kohlebürsten 38 verbunden (aufrechter Seite gestrichelt dargestellt). Andere Kontaktstellen 101 bilden eine Schnittstelle 98 zu zusätzlichen externen elektrischen Komponenten 74, wie bei- spielsweise einem als Elektrolytkondensator (ELKO) 80 ausgebildeten Kondensator 80.
Figur 5 zeigt einen entsprechenden Schnitt durch die Elektronikeinheit 70, wobei sich die Federbügel 40 im wesentlichen senkrecht zur Ebene des ersten Substrats 71 erstrecken.
In Figur 6 und 7 zeigt die Elektronikeinheit 70 in auf die Ankerwelle 12 montiertem
Zustand in dem nicht dargestellten Motorgehäuse 14. Dabei wird der Kunststoffkörper 95 mit den die Kohlebürsten 38 aufnehmenden Federbügel 40 radial zur Ankerwelle 12 über den Kollektor 36 geschoben, bis die Kohlebürsten 38 unter Vorspannung am Kollektor 36 anliegen. Die Elektronikeinheit 70 wird dann mittels der Befestigungselemente 100 ausgebildeten Fortsätze 97, die beispielsweise mit Verbindungsmittel 102 zusammenwirken, am Gehäuse 14 fixiert. Im Bereich des Bürstenfeuers ist um den Kollektor 36 und die Elektronikeinheit 70 ein Abschirmblech 104 zur Abschirmung vor elektromagnetischen Störungen angeordnet. Dazu ist das als Verbindungsglied 103 ausgebildete Fortsatz 97 beispielsweise als Federelement 105 gestaltet, das bei der Montage der Elektronikeinheit 70 mit dem Abschirmelement 104 verbunden wird. In einer Variation der Ausführung können auch weitere Gehäuseteile 14 aus Metall, wie beispielsweise ein Poltopf als Abschirmelemente 104 mit dem Verbindungsglied 103 kontaktiert werden oder die Abschirmkörper 104 können - wie die Federbügel 40 oder Kühlflächen 96 - auch einstückig mit den Fortsätzen 97 des Stanzgitters 44 ausgebildet sein. Um einen mimmalen Abstand zwischen dem im Kunststoftkörper 95 eingegossenen
Positionssensor 60 und dem auf der Ankerwelle 12 angeordneten Positionsgeber 62 - beispielsweise ein Magnetring - zu erzielen, ist der Kunststoffkörper 95 mit geringem Abstand unmittelbar radial gegenüber dem Positionsgeber 62 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel weist hierzu der Kunststoffkörper 95 eine Aussparung 107 auf, in die der rotierende Magnetring 62 eingreift, wodurch die gesamte Bauhöhe des
Elektromotors 10 reduziert wird.
In einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 8 und 9 ist der Kunststoffkörper 95 mit einem weiteren Kunststoffteil 109 umspritzt, dass hier als Steckerkragen 111 für die Steckerpins 88 ausgebildet ist. Hierbei sind im äußeren Umfang des Steckerkragens 111 als Befestigungselemente 100 weitere Aufnahmen 100 für Verbindungsmittel 102 ausgebildet, in der Stecker 111 und damit die Elektronikeinheit 70 in dem Gehäuseteil 14 fixiert werden kann.
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in allen Figuren gezeigten Ausfuhrungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann die Auswahl der einzelnen Motorbauteile 99, der externen elektrischen Komponenten 74 oder der elektronischen Bauelemente 56 der Elektronikeinheit 70 der entsprechenden Anwendung angepasst werden. Anstelle der als Schnittstellen 98 ausgebildeten Fortsätze 97 können diese auch einstückig mit den entsprechenden Motorbauteilen 99 oder den externen Elektrikkomponenten 74 ausgebildet sein. Die Herstellung des leitfähige Stanzgitters 44 ist beispielsweise auch nicht auf Stanzen beschränkt, sonder kann mittels jeden Verfahren hergestellt werden, das einen leitfähigen Schaltungsträger 44 zur Verfügung stellt. Bevorzugt findet die erfindungsgemäße
Vorrichtung Anwendung bei elektrischen Versteilantrieben, insbesondere von Fensterscheiben und Schiebedächern. Das erfindungsgemäße Elektronikmodul 70 ist jedoch nicht auf die Anwendung eines Bürstenmotors beschränkt, sondern kann auch für EC-Motoren und andere Aktuatoren, beispielsweise für Ventilsteuerungen eingesetzt werden.

Claims

Ansprüche
1. Elektromotor (10), insbesondere zum Verstellen beweglicher Teile im Kraftfahrzeug, mit einer Elektronikeinheit (70) in Sandwich-Bauweise, welche ein erstes elektrisch leitfähiges Substrat (71) und ein zweites elektrisch leitfähiges Substrat (72) aufweist, zwischen denen Leistungsbauelemente (75) angeordnet und mit beiden Substraten (71, 72) elektrisch verbunden sind, und das zweite Substrat (72) auf einer dem ersten Substrat (71) abgewandten Seite (84) mit weiteren elektronischen Bauelementen (56) bestückt ist, wobei das erste Substrat (71) als ein Stanzgitter (44) ausgebildet ist, das zusammen mit dem zweiten Substrat (72) derart mit einem Kunststoffkörper (95) umspritzt ist, dass aus dem Kunststoffkörper (95) Fortsätze (97) des Stanzgitters (44) ragen, die eine elektrische und/oder mechanische Schnittstelle (98) zur Anbindung weiterer Motorbauteile (99, 38, 40, 104, 102, 80) bilden.
2. Elektromotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fortsätze (97) als Befestigungselemente (100) der Elektronikeinheit (70) - insbesondere als Bohrungen (100) - ausgebildet sind.
3. Elektromotor (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fortsätze (97) als Steckeφins (88), oder Kontaktstellen (101) zu externen elektrischen
Komponenten (74), wie einem Kondensator (80) oder einer Induktivität oder einer Litze (76) ausgebildet sind, und insbesondere aus kupferhaltigem Material gefertigt sind.
4. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorbauteile (99) Federbügel (40) zur Aufnahme von
Kohlebürsten (38) sind.
5. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorbauteile (99) elektromagnetische Abschirmköφer (104) sind, die insbesondere einteilig mit den Fortsätzen (97) ausgebildet sind.
6. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Stanzgitter (44) Halteelemente (91) angeformt sind, in die die Leistungsbauelemente (95) und/oder das zweite Substrat (72) einfügbar sind, um eine elektrische und/oder mechanische Verbindung zum Stanzgitter (44) herzustellen.
7. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen (101) als Schnittstellen (98) in Schneid-Klemm-
Technik ausgebildet sind.
8. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem zweiten Substrat (72) als elektronische Bauelemente (56) ein Mikroprozessor (58) und/oder eine Ansteuerlogik (58) und eine Positions-Sensorik
(60) für eine Ankerwelle (12) des Elektromotors (10) angeordnet sind.
9. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Substrat (72) mindestens eine elektrisch leitfähige Oberfläche (83, 84) aufweist, und die elektronischen Bauelemente (56) variabel mittels
Löten oder leitfähigem Kleben - insbesondere in Flip-Chip-Technik - bestückbar sind.
10. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Substrat (72) eine Keramikplatte (81) und auf ihrer Oberseite und Unterseite jeweils mindestens eine Leiterbahnebene (83, 84) aufweist, die - insbesondere mittels Vias-Löcher - elektrisch miteinander verbunden sind.
11. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsbauelemente (75) und/oder die Bauelemente (56) als Bare-Die-Elemente ohne Gehäuse ausgebildet sind.
12. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsbauelemente (75) eine beidseitig lötbare oder leitfahig klebbare Oberfläche (85, 86) aufweisen, die insbesondere für die Löttechnik auf der dem zweiten Substrat (72) zugewandten Seite (86) mit Lotbumps (90) versehen ist.
13. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsbauelemente (75) als Power-MOSFETS (79) ausgebildet sind.
14. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsbauelemente (75) zur besseren Wärmeableitung auf dem ersten Substrat (71) symmetrisch angeordnet sind.
15. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Substrate (71, 72) als Kühlköφer ausgebildet sind, wobei insbesondere mindestens ein Fortsatz (97) des Stanzgitters (44) als Kühlfläche (96) außerhalb des Kunststoffköφers (95) ausgebildet ist.
16. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffköφer (95) mittels eines Transfer-Molding- Verfahren angeformt ist, wobei insbesondere Epoxid-Pressmasse in einen Spalt (113) zwischen den beiden Substraten (71, 72) fließt.
17. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffköφer (95) mit einem weiteren Kunststoffeines Gehäuseteils (14) und/oder eines Steckerkragens (111) umspritzt ist.
18. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffköφer (95) auf einem separaten Modulträger angeordnet, und insbesondere mittels einer Clipsverbindung fixiert ist.
19. Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (70) radial zur Ankerwelle (12) montierbar und unmittelbar gegenüber einem Kommutator (36) und/oder einem Positionsgeber (62, 64) der Ankerwelle (12) angeordnet ist, und der Kunststoffköφer (95) insbesondere eine Ausformung (107) zur Anpassung an die Motorgeometrie aufweist.
20. Elektronil nodul (70) in Sandwich-Bauweise, insbesondere nach einer der vorhergehenden Ansprüche, welches ein erstes elektrisch leitfahiges Substrat (71) und ein zweites elektrisch leitfahiges Substrat (72) aufweist, zwischen denen Leistungsbauelemente (75) angeordnet und mit beiden Substraten (71, 72) elektrisch verbunden sind, und das zweite Substrat (72) auf einer dem ersten Substrat (71) abgewandten Seite (84) mit weiteren elektronischen Bauelementen (56) bestückt ist, wobei das erste Substrat (71) als ein Stanzgitter (44) ausgebildet ist, das zusammen mit dem zweiten Substrat (72) derart mit einem Kunststoffköφer (95) umspritzt ist, dass aus dem Kunststoffköφer (95) Fortsätze (97) des Stanzgitters (44) ragen, die eine elektrische und mechanische Schnittstelle (98) zur Anbindung weiterer Motorbauteile (99, 38, 40, 104, 102, 80) bilden.
21. Verfahren zum Herstellen eines Elektromotors (10) mit einer elektronischen Steuereinheit (70), gekennzeichnet durch folgende Schritte: - ein einteiliges leitfahiges Stanzgitter (71, 44) wird ausgestanzt, wobei ein Dam-Bar (93) die einzelne Segmente (73) miteinander verbindet auf dem Stanzgitter (44) werden vorbelotete Leistungsbauelemente (75) und darüber ein Keramik-Substrat (72, 81) mit weiteren Bauteilen (56) zu einem Sandwich geschichtet - mittels Fügeverfahren - beispielsweise Löten oder Kleben - werden die einzelnen Schichten (71, 75, 72) elektrisch miteinander verbunden mittels Transfer-Molding- Verfahren wird um das Sandwich (70) ein Modulköφer (95) aus Kunststoff derart angespritzt, dass das Dam-Bar (93) außerhalb des Modulköφers (95) angeordnet ist - das Dam-Bar (93) wird abgetrennt und die aus dem Modulköφer (95) ragenden Fortsätze (97) des Stanzgitters (44) werden mechanisch mit Motorbauteilen (99) - wie Kohlebürsten (38) oder elektromagnetische Abschirmelemente (104) oder Verbindungsmittel (102) - oder mit externen elektrischen Komponenten (74) verbunden.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Keramik- Substrat (72) ein magnetischer Positionssensor (60) derart angeordnet und mit Kunststoff (95) umspritzt wird, dass der Positionssensor (60) nach der Montage der Steuereinheit (70) unmittelbar gegenüber einem auf einer Ankerwelle (12) des Elektromotors (10) angeordneten magnetischen Positionsgebers (62, 64) angeordnet ist und mit diesem zusammenwirkt.
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