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DE102007019098B4 - Modul für eine integrierte Steuerelektronik mit vereinfachtem Aufbau - Google Patents

Modul für eine integrierte Steuerelektronik mit vereinfachtem Aufbau Download PDF

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DE102007019098B4
DE102007019098B4 DE102007019098.2A DE102007019098A DE102007019098B4 DE 102007019098 B4 DE102007019098 B4 DE 102007019098B4 DE 102007019098 A DE102007019098 A DE 102007019098A DE 102007019098 B4 DE102007019098 B4 DE 102007019098B4
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Abstract

Modul (1) für eine integrierte Steuerungselektronik mit einem Deckel(3) und mindestens einer Leiterplatte (5) als elektrische Verbindung zwischen einem Elektronikraum (2) und peripheren Komponenten, wobei die Leiterplatte (5) zwei- oder mehrlagig ist, mit zwei oder mehr Leiterbahnebenen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (5) Grundträger für ein elektronisches Substrat (6) mit der zentralen Steuerungselektronik und gleichzeitig thermische Anbindung an eine Hydraulikplatte ist, wobei zumindest eine Außenkante der Leiterplatte (5) entlang der Dickenerstreckung der Leiterplatte (5)beschichtet, bevorzugt metallisiert ist, wobei Leiterbahnen der Leiterbahnebenen nicht berührt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Modul für eine integrierte Steuerelektronik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Moduls, insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen in der Automobilindustrie.
  • Stand der Technik
  • In der Kraftfahrzeugtechnik werden Komponenten wie Getriebe-, Motoren- oder Bremssysteme zunehmend vornehmlich elektronisch gesteuert. Hierbei gibt es eine Entwicklung hin zu integrierten mechatronischen Steuerungen, also zur Integration von Steuerelektronik und den zugehörigen elektronischen Komponenten wie Sensoren oder Ventile in das Getriebe, den Motor oder das Bremssystem. Steuergeräte weisen also im Allgemeinen eine Vielzahl an elektronischen Komponenten auf, welche in Verbindung mit anderen Komponenten außerhalb des Steuergerätes stehen. Bei solchen „Vorort-Elektroniken“ sind diese Steuerungen nicht mehr in einem separaten geschützten Elektronikraum untergebracht und müssen daher entsprechenden Umwelteinflüssen und mechanischen, thermischen sowie chemischen Beanspruchungen standhalten.
    Sie werden zu diesem Zweck normalerweise in spezielle Gehäuse eingesetzt. Zudem erfüllen die Gehäuse eine wichtige Abschirmfunktion. Um eine verlässliche Verbindung zu außerhalb des Gehäuses liegenden Komponenten zu ermöglichen, ist eine elektrische Verbindung von der Gehäuseinnenseite zur Gehäuseaußenseite notwendig.
  • Der übliche Aufbau für solche integrierten mechatronischen Anwendungen besteht aus einem keramischen Substrat, das die verschiedenen elektronischen Bauteile der zentralen Steuerungseinheit beinhaltet. Dieses keramische Substrat wird auf eine Bodenplatte aufgeklebt und mittels Bonden mit starren oder flexiblen Leiterplatten verbunden, um die Anbindung der peripheren Komponenten an die Zentraleinheit zu ermöglichen. Die Bodenplatte ist üblicherweise aus Aluminium und dient gleichzeitig der Wärmeabfuhr. Wie schon beschrieben sind zum Beispiel Getriebesteuerungsmodule im Getriebeölsumpf untergebracht und daher vollständig mit Öl und der darin enthaltenen leitenden Kontamination umgeben. Dies können zum Beispiel Kontaminationen aus Verzahnungsabrieb, Zerspanungsreste aus Fertigungsprozessen oder unzulänglichen Wasch- und Reinigungsprozessen des Getriebegehäuses und/oder der verbauten Komponenten sein. Zum notwendigen Schutz vor solcher Kontamination, vor Beschädigungen und Leiterbahn- oder Bondkurzschlüssen wird eine Verdeckelung, üblicherweise als metallischer oder metallisierter Gehäusedeckel, auf die Gehäusebodenplatte aufgebracht und hermetisch abgedichtet. Dieser Gesamtverbund aus keramischem Substrat, Leiterplatten und deren Anbindung zur elektronischen Verbindung der Peripherie sowie hermetisch dichtem Gehäuse ist ein signifikanter Kostentreiber. Bevorzugt werden als Schaltungsträger LTCCs (Low Temperature co-fired Ceramics) eingesetzt, die zur mechanischen Stabilität und thermischen Anbindung auf eine Grundplatte aufgebracht werden. Ihre elektronische Verbindung über flexible Leiterplatten oder Stanzgitter zu den außerhalb des abgedichteten Gehäuses liegenden Komponenten ist zudem aufwendig und daher kostenträchtig.
  • Module aus dem Stand der Technik sind beispielsweise aus DE 195 06 664 A1 , DE 295 13 950 U1 und DE 101 16 796 A1 bekannt.
  • Aufgabenstellung
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Modul für eine integrierte Steuerelektronik mit einem Gehäuse, einer darin untergebrachten zentralen Steuerungseinheit umfassend verschiedene elektronische Bauteile und einer elektronischen Verbindung zwischen dem Gehäuseinnenraum und dem Gehäuseaußenraum bereit zu stellen, welche eine einfache und flexible Verbindung zu außerhalb des Gehäuses liegenden Komponenten ermöglicht, wobei die elektronische Verbindung und die zentrale Steuerungseinheit einen vereinfachten und daher kostengünstigeren Aufbau aufweisen und gleichzeitig sicher vor Kurzschluss und/oder leitender Kontamination geschützt sind.
  • Dies wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung entsprechend des Patentanspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung gemäß Anspruch 10 erreicht.
  • Erfindungsgemäß wird ein Modul für eine integrierte Steuerungselektronik mit mindestens einem Deckel und einer Leiterplatte als elektrische Verbindung zwischen dem Innenraum und peripheren Komponenten vorgeschlagen, bei dem die Leiterplatte Grundträger für ein elektronisches Substrat mit der zentralen Steuerungselektronik und gleichzeitig thermische Anbindung an eine Hydraulikplatte ist.
  • Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß ein Leiterplattenaufbau als Signal- und Potentialverteilungskomponente eingesetzt, der ein Substrat mit den elektronischen Bauteilen der zentralen Steuerungseinheit trägt und gleichzeitig direkt mit einer Hydraulikplatte verbunden ist. Die Ableitung der durch die Leistungseinheiten erzeugten Wärme kann auf diese Weise zur Hydraulikplatte sichergestellt werden. Erfindungsgemäß ist keine weitere Grundplatte unter der Leiterplatte angeordnet.
  • Das elektronische Substrat kann beispielsweise ein LTCC (Low Temperature co-fired Ceramics) oder ein HTC (High Temperature Ceramics) sein. Durch die erfindungsgemäßen Module kann vorteilhaft die Trägerwirkung, die Signal- und Potentialverteilung und die thermische Anbindung an die Hydraulikplatte von einer einzigen Komponente, nämlich der Leiterplatte, übernommen werden. Auf diese Weise können signifikante Materialkosten des bisherigen Verbunds aus flexiblen Leiterplatten und der Bodenplatte vermieden werden. Es können erfindungsgemäß beispielsweise PCB-Leiterplatten (Printed Circuit Bords) eingesetzt werden. Bei thermisch anspruchsvollen Anwendungen können vorteilhafterweise Hochtemperatur PCBs eingesetzt werden, die ein hohe thermische Beständigkeit und chemische Widerstandsfähigkeit und einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Leiterplatte an den Kanten beschichtet, bevorzugt metallisiert sein kann, wobei die Leitungsbahnen nicht berührt werden. Hierdurch kann eine Abdichtung der Leiterplatte erreicht und beispielsweise ein Eindringen von Öl an den sensiblen Kanten verhindert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Leiterplatte verschiedene Oberflächen auf. Die verschiedenen Oberflächen können beispielsweise chemisch Zinn- und/oder Gold-Oberflächen umfassen. Es sind auch andere Oberflächen denkbar, die beispielsweise für bestimmte Kontaktierungsarten besonders geeignet sind oder auch andere Funktionen erfüllen können. Vorteilhafterweise kann dadurch eine variable Einstellung auf die jeweiligen Kontaktierungserfordernisse erfolgen. Es können zum Beispiel Dickdrahtbondungen aus Gold, Aluminium oder Pressfit Pins verwendet werden. Über Pressfit Pins kann eine einfache und sichere elektronische Verbindung zu peripheren Komponenten hergestellt werden. Gleichermaßen kann eine solche Verbindung auch mittels Laserschweißen hergestellt werden. Generell ist die Art der Verbindungsherstellung nicht kritisch und kann nach den jeweiligen Voraussetzungen der Komponenten und der vorhandenen Prozesseinrichtungen aus dem Fachmann bekannten Verfahren ausgewählt werden. So können die Verbindungen lösbar beispielsweise als Stecker oder nicht lösbar durch beispielsweise Löten oder Schweißen hergestellt werden, wobei die Oberfläche der Leiterplatte variabel auf die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden kann. Die Leiterplatte wird besonders bevorzugt direkt mit den Signalgebern und -empfängern (insbesondere Sensoren, Ventile, etc.) außerhalb des Gehäuses verbunden.
  • In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist die Leiterplatte zwei- oder mehrlagig. In solchen mehrlagigen leiterplatten sind verschiedene Vias (Vertical Interconnection Access) vorgesehen, die als Durchkontaktierung zwischen den Leiterbahnebenen angeordnet sind. Vorteilhafterweise zeigen durchkontaktierte mehrlagige Leiterplatten einen besseren Halt und eine zuverlässigere Verbindung bedrahteter elektronischer Bauteile. Sie sind daher auch bei einfachen Bauteilen hoher Qualität einsetzbar. Zur Verringerung der Leitungs-Induktivität oder zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit können für eine Verbindung auch parallel mehrere Durchkontaktierungen eingebracht werden. Mit Hilfe von Durchkontaktierungen ist es möglich, die Leiterbahnebenen in zwei- oder mehrlagigen Leiterplatten zu wechseln. Dies ist insbesondere hinsichtlich einer guten Entflechtung komplexer Schaltungen von großem Vorteil.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die zwei- oder mehrlagige Leiterplatte thermische Vias zur thermischen Anbindung an die Hydraulikplatte aufweist. Hierdurch wird beispielsweise die vertikale Wärmeableitung vom Substrat zur Hydraulikplatte hin verbessert. Die thermalen Vias können mit Wärmeleitpaste gefüllt sein, die den thermischen Widerstand nochmals reduzieren. Optional können die Vias überplattiert sein, um eine homogenere Leiterplattenoberfläche zu erhalten.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist auf der Leiterplatte eine umlaufende Dichtung zum Deckel angeordnet. Auf diese Weise wird eine hermetische Abdichtung des Elektronikraums, beispielsweise zum Getriebeöl hin erreicht. Der Schutz der elektronischen Bauteile kann so verbessert werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Deckel eine verschließbare Einfüllöffnung für eine Vergussmasse auf. Hierdurch ist das Substrat mit den elektronischen Bauteilen der zentralen Steuerungselektronik und deren Anbindung mit der Leiterplatte mit einer Vergussmasse vergießbar. Durch eine solche Vergussmasse wird der Schutz der empfindlichen Elektronik-Komponenten und deren Kontaktierungen vor mechanischen und chemischen Belastungen, wie zum Beispiel Vibration, Feuchtigkeit, Schmutz und Korrosion, nochmals deutlich verbessert. Außerdem wird durch den Verguss zusätzlich eine Spannungsisolation der Elektronik erreicht. Die Einfüllöffnung kann außerdem weitere Prüf- oder Produktionszwecke erfüllen. Zum Beispiel kann durch die Einfüllöffnung der Innenraum evakuiert werden, um dadurch die Blasenfreiheit die Vergussmasse sicherzustellen sowie anschließend oder gleichzeitig das Elektronikgehäuse auf Dichtheit zu überprüfen.
  • Als Vergussmasse können beispielsweise Harze, Polyurethanmassen oder Silikone eingesetzt werden. Diese Vergussmassen schützen die Elektronik-Komponenten vorteilhaft gegen die genannten mechanischen und/oder chemischen Beanspruchungen. Besonders bevorzugt werden erfindungsgemäß Silikone oder Silikongele eingesetzt. Diese ermöglichen zusätzlich zu den weiteren Vorteilen eine besonders einfache Verarbeitung und verhindern durch ein niedriges E-Modul thermomechanische Spannungen.
  • Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Moduls für ein elektronisches Steuergerät wird mindestens eine Leiterplatte mit einem elektronischen Substrat mit den elektronischen Bauteilen der zentralen Steuerungselektronik bestückt. Die Leiterplatte wird auf der Hydraulikplatte aufgebracht und der Deckel befestigt. Anschließend wird die Verbindung zu den peripheren Komponenten hergestellt. In der Abfolge kann die Bestückung der Leiterplatte entweder vor oder nach dem Aufbringen auf die Hydraulikplatte erfolgen. Es ist ebenso möglich, dass die Anbindung der Peripheren Komponenten vor der Befestigung des Deckels erfolgt.
  • Der Deckel kann aus jedem Material bestehen, das eine sichere Abdeckung der Oberfläche des Elektronikraums mit den Bauelementen der zentralen Steuerungseinheit erlaubt und gleichzeitig die notwendigen EMV-Abschirmwerte mitbringt. Beispielsweise kann ein metallisierter Kunststoff-Formkörper eingesetzt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Deckel jedoch aus einem metallischen Material wie beispielsweise Stahlblech oder Aluminium gefertigt. Dadurch ergeben sich eine erhöhte Langzeitstabilität und verbesserte Abschirmwerte über die gesamte Lebensdauer der elektronischen Steuervorrichtung. Zudem wird eine verbesserte Diffusionsdichte erzielt.
  • Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines vorstehend beschriebenen Moduls, bevorzugt für eine integrierte Getriebesteuerung eines Kraftfahrzeugs.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von einer Ausführungsvariante in Verbindung mit der Zeichnung erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.
  • In dieser zeigt:
    • 1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Moduls für eine integrierte Steuerungselektronik.
  • 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Moduls 1 für eine integrierte Steuerungselektronik mit einem Elektronikraum 2. Der Elektronikraum 2 wird durch einen Deckel 3 und eine Hydraulikplatte (nicht gezeigt) gebildet, auf der eine mehrlagige Leiterplatte 5 als elektrische Verbindung zwischen den im Elektronikinnenraum und den peripheren Komponenten aufgebracht ist. Auf der mehrlagigen Leiterplatte 5 ist erfindungsgemäß ein elektronisches Substrat 6 mit verschiedenen elektronischen Bauteilen 7 der zentralen Steuerungselektronik aufgebracht. Das Substrat 6 ist vorzugsweise mit einer Wärmeleitkleberschicht an der Leiterplatte 5 befestigt, die die Wärmeabführung von dem elektronischen Substrat 6 vorteilhaft unterstützt. Die Leiterplatte fungiert gleichzeitig als thermische Anbindung an die Hydraulikplatte (nicht gezeigt). Vorteilhafterweise werden erfindungsgemäß mehrere Funktionen durch eine einzige Leiterplatte 5 erfüllt, die vorher von verschiedenen Komponenten übernommen werden mussten. weiterhin kann die Leiterplatte 5 an ihren Kanten beschichtet, bevorzugt eine metallische Beschichtung 13 aufweisen. Die Wärmeableitung vom Substrat 6 kann über thermische Vias 8, realisiert werden, die durch die verschiedenen Schichten der Leiterplatte 5 geführt sein können. Die thermischen Vias 8 können mit Wärmeleitpaste gefüllt sein. Die elektrische Anbindung des Substrats 6 auf die Leiterplatte 5 kann durch Drahtbondungen 9 erfolgen. Dies können zum Beispiel Gold- oder Aluminium-Bonddrähte sein. Durch eine verschließbare Öffnung 10 im Deckel 3 kann eine Vergussmasse eingefüllt werden, die die mechanische Befestigung und den Schutz des Substrats 6 sowie der Bonddrähte 9 noch verbessert. Die hermetische Abdichtung des Elektronikraums mit den elektronischen Bauteilen 6 kann auf bekannte Arten, beispielsweise durch Einlegedichtungen 11, Vergusskleber und/oder Auflaminieren des Deckels 3 auf der Leiterplatte 5 realisiert werden.
    Die elektronische Anbindung von peripheren Komponenten kann zum Beispiel mit einer Pressfit-Verbindung durch Pressfit-Pins 12, durch einen Springfederkontakt 14 und/oder mittels Laserschweißen oder Löten erfolgen.
  • Zusammenfassend wird demnach ein Modul für eine integrierte Steuerungselektronik vorgeschlagen, bei dem die Trägerfunktion für das elektronische Substrat einerseits und gleichzeitig die elektronische Verbindung zu den peripheren Komponenten durch die Leiterplatte übernommen wird. Die Signal- und Potentialverteilung kann durch die Leiteplatte ebenso zuverlässig und langzeitstabil sichergestellt werden wie die thermische Anbindung an die Hydraulikplatte. Das somit bereitgestellte Modul ist leicht und variabel konfektionierbar und kann mit Standardprozessen gefertigt werden. Insbesondere die Entwicklung neuer Hochtemperatur-Materialien für Leiterplatten (PCBs) und elektronische Bauteile sowie der erfindungsgemäße Verzicht auf eine zusätzliche Bodenplatte des Elektronikgehäuses ermöglich eine stark verkleinerte Anordnung der Bauteile im Vergleich zu bisher eingesetzten PCB-Modulen und eine signifikante Materialersparnis. Die Montage ist leicht und kostengünstig in den Gesamtmontageprozess einer elektronischen Vorrichtung integrierbar.

Claims (9)

  1. Modul (1) für eine integrierte Steuerungselektronik mit einem Deckel(3) und mindestens einer Leiterplatte (5) als elektrische Verbindung zwischen einem Elektronikraum (2) und peripheren Komponenten, wobei die Leiterplatte (5) zwei- oder mehrlagig ist, mit zwei oder mehr Leiterbahnebenen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (5) Grundträger für ein elektronisches Substrat (6) mit der zentralen Steuerungselektronik und gleichzeitig thermische Anbindung an eine Hydraulikplatte ist, wobei zumindest eine Außenkante der Leiterplatte (5) entlang der Dickenerstreckung der Leiterplatte (5)beschichtet, bevorzugt metallisiert ist, wobei Leiterbahnen der Leiterbahnebenen nicht berührt sind.
  2. Modul (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (5) verschiedene Oberflächen aufweist.
  3. Modul (1) nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Oberflächen chemisch Zinn- und/oder Gold-Oberflächen umfassen.
  4. Modul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (5) Vias zur thermischen Anbindung an die Hydraulikplatte aufweist.
  5. Modul(1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatte eine umlaufende Dichtung (11) zum Deckel angeordnet ist.
  6. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) eine Einfüllöffnung (10) für eine Vergussmasse aufweist.
  7. Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (6) mit den elektronischen Bauteilen (7) der zentralen Steuerungselektronik und deren Anbindung mit der Leiterplatte (5) vergossen ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Moduls (1) mit den Merkmalen mindestens eines der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leiterplatte (5) mit einem elektronischen Substrat (6) verbunden wird, auf eine Hydraulikplatte aufgebracht wird, mit den peripheren Komponenten verbunden wird und der Deckel (3) befestigt wird.
  9. Verwendung eines Moduls (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 für eine integrierte Getriebesteuerung eines Kraftfahrzeugs.
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