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An Getrieben, insbesondere zum Einbau bei Kraftfahrzeugen kommen heute elektronische Steuergeräte zum Einsatz. Diese elektronischen Steuergeräte können zum einen als separates Steuergerät mittels eines Stahlgehäuses ausgebildet sein, oder ein Gehäuse aufweisen, welches aus einer Moldmasse gefertigt ist. Desweiteren besteht die Möglichkeit, das Steuergerät in ein Steuermodul für ein Getriebe voll zu integrieren, so dass es eines separaten Steuergeräts nicht mehr bedarf.
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DE 44 16 403 A1 bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für eine Leiterplatte sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kühlvorrichtung. Die Kühlvorrichtung ist für eine Leiterplatte vorgesehen, bei der mindestens auf einer Seite gedruckte Leiterbahnen ausgebildet sind und auf der eine Vielzahl elektronischer Festkörperbauelemente aufgebracht sind. Diese sind durch Lötverbindungen mit der Leiterplatte verbunden, um eine elektrische Schaltungsbaugruppe darzustellen. Die Kühlvorrichtung umfasst einen aus thermisch leitendem und vorzugsweise elektrisch isolierendem Kunststoff gefertigte Beschichtung. Auf eine oder beiden Oberflächen der Leiterplatte ist diese Beschichtung aus thermisch leitendem und vorzugsweise elektrisch isolierendem Kunststoff zumindest partiell aufgebracht.
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EP 1 728 277 B1 bezieht sich auf ein Gehäuse für eine elektronische Schaltung sowie ein Verfahren zur Abdichtung des Gehäuses. Das Gehäuse für die elektronische Schaltung, insbesondere geeignet für ein Steuergerät, umfasst die Schaltung, die eine Mehrzahl elektrischer Kontakte aufweist. Diese sind über individuelle elektronische Leiter aus dem Gehäuse heraus geführt, wobei das Gehäuse eine Bodenplatte und einen Deckel sowie mindestens eine Dichtung zwischen der Bodenplatte und dem Deckel umfasst. Die Dichtung ist einteilig ausgebildet zum Abdichten eines Zwischenraumes zwischen der Bodenplatte und dem Deckel, durch welchen die freiliegenden elektrischen Leiter geführt sind. Die freiliegenden Leiter sind in einem Rahmen geführt und fest zueinander positioniert. Der Rahmen ist zwischen der Bodenplatte und dem Deckel angeordnet und durch seine Ausgestaltung hinsichtlich der Positionen und/oder der Abstände von Bodenplatte und Deckel sowie den freiliegenden Leitern relativ zueinander bei geschlossenem Gehäuse definiert.
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Bei separat gefertigten Gehäusen treten in der Regel eine Fülle von anderen Anforderungen auf, die im Rahmen komplexer Zusatzprozesse hinsichtlich Fertigung und Verpackung zu lösen sind. Separate Gehäuse umfassen in der Regel größere Baumformen, die aus Gründen der Verdrahtung und der Unterbringung des Gehäuses von Nöten sind. Bei voll integrierten Lösungen, d. h. eines komplett in das Steuermodul eines Getriebes integrierten Steuergeräts, finden auswahlkritische Wertschöpfungsprozesse am Ende der Fertigung statt. Zu diesen auswahlkritischen Wertschöpfungsprozessen ist beispielsweise die Herstellung von Bondverbindungen zu zählen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das Steuergerät, insbesondere zum Einsatz an einem Steuermodul für ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs, derart auszubilden, dass sich eine möglichst geringe Bauhöhe ergibt. Das Steuergerät umfasst einen Verdrahtungsträger, der eine innen liegende Verdrahtung aufweist und zum Beispiel als eine einzelne Flexfolie oder eine Schichtanordnung aus mehreren Flexfolien ausgestaltet sein kann. Desweiteren kann der Verdrahtungsträger auch als Leiterplatte oder als Leadframe ausgebildet sein. Auf den Verdrahtungsträger wird ein Schaltungsträger stoffschlüssig aufgebracht, insbesondere vorzugsweise verklebt. Auf der Oberseite des Schaltungsträgers, der beispielsweise aus einer Keramik hergestellt sein kann, befindet sich eine Anzahl elektrischer oder elektronischer Bauelemente, die mit dem Verdrahtungsträger – sei es eine Flexfolie, eine Anordnung aus Flexfolien oder eine Leiterplatte oder ein Leadframe oder dergleichen – direkt elektrisch verbunden ist. Als elektrische Verbindung bietet sich beispielsweise eine Bondverbindung an, die aus einer Anzahl mehrerer Aluminiumbonds mit z. B. 300 μm Durchmesser hergestellt sein kann.
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Bevorzugt wird bei der Fertigung des Steuergerätes ein Trägerrahmen eingesetzt. Der Trägerrahmen wird ebenfalls, analog zum Schaltungsträger, der aus einer Keramik gefertigt ist, auf die Oberseite des Verdrahtungsträgers aufgebracht. Der Trägerrahmen dient zur Weiterverarbeitung der Anordnung im Getriebemodul, so z. B. zur mechanischen Befestigung des Steuergerätes im Gebtriebemodul. Der Trägerrahmen nimmt dabei insbesondere die mechanischen Kräfte auf.
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Der Trägerrahmen, der auf die Oberseite des Verdrahtungsträgers aufgebracht ist sowie die Rückseite des Verdrahtungsträgers, dienen als Dichtflächen (Dam-Bar) für das Moldwerkzeug. Dieses ist bevorzugt zweiteilig ausgebildet, so dass der Verdrahtungsträger mit innenliegend ausgebildeter Verdrahtung durch eine Hälfte des Moldwerkzeugs abgestützt ist, während die andere Hälfte des Moldwerkzeugs auf der oberen Planseite der Trägerrahmens aufliegt, der auf die Oberseite des Verdrahtungsträgers aufgebracht ist. Der Trägerrahmen umgrenzt den Schaltungsträger, auf den die Anzahl von elektrischen, beziehungsweise elektronischen Bauelementen aufgebracht ist und dient gleichzeitig als Begrenzung einer Wanne, die mit einer Moldmasse ausgegossen wird. Die Moldmasse wird einerseits durch die innenliegenden Seiten der Trägerrahmens und andererseits durch die Oberseite des Verdrahtungsträgers abgedichtet, auf der der Schaltungsträger samt seiner Anzahl elektrischer und elektronischer Bauelemente aufgebracht ist. Die Moldmasse umschließt sowohl die auf der Oberseite des Schaltungsträgers aus Keramik angeordneten elektrischen, beziehungsweise elektronischen Bauelemente, als auch die elektrischen Kontaktierungen, die bevorzugt als Aluminiumbondverbindungen ausgebildet sind. Der Wärmetransport beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuergerät erfolgt nun derart, dass die Moldmasse, bei der es sich um ein Duroplast handelt, die Wärme weg vom Schaltungsträger an eine Wärmesenke transportiert, die nach Ausbildung der Vergießung der Moldmasse innerhalb des Trägerrahmens oberhalb des Verdrahtungsträgers die Moldmasse kontaktiert. Demnach stellt sich ein vom Schaltungsträger weg gerichteter Wärmefluss an die oberhalb des Trägerrahmens angeordnete Wärmesenke ein. Die gewählte Anordnung vermeidet einen Wärmefluss durch den Schaltungsträger vollständig, indem die von den elektrischen beziehungsweise elektronischen Bauelementen produzierte Abwärme direkt über die Moldmasse an die Wärmesenke abgegeben werden kann.
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Desweiteren schützt die Moldmasse die relativ dünn ausgebildeten elektrischen Kontaktierungen, die bevorzugt in Form von Bondverbindungen hergestellt werden, zwischen Kontaktierungsbereichen an der Oberseite des Schaltungsträgers und der in den Verdrahtungsträger sei es eine Flexfolie, eine Anordnung aus Flexfolie, eine Leiterplatte oder ein Leadframe oder eine innenliegend angeordnete Verdrahtung.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Steuergerät wird zwar separat gefertigt, vereinigt jedoch die Vorteile einer Vollintegration eines Steuergerätes in ein Getriebemodul hinsichtlich der erzielbaren Bauhöhe der Anzahl elektrischer und thermischer Schnittstellen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich bei einem Verdrahtungsträger einer Dicke von etwa 0,6 mm einer Dicke des Schaltungsträgers d. h. des Keramiksubstrats von 0,5 mm, einem höchsten elektrischen beziehungsweise elektronischen Bauelement in der Höhe von 2,5 mm mit einer minimalen Überdeckung von Moldmasse von 1 mm, ein Steuergerät herstellen, welches in toto eine Höhe von wenigen Millimetern unterhalb von 5 mm aufweist. Während bei separat zu fertigenden Gehäusen relative komplexe Zusatzprozesse hinsichtlich Fertigung und Verpackung erforderlich sind und sich große Bauformen einstellen, kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung durch separate Fertigung des Steuergerätes ein Kompakt- und ein Flachbausteuergerät enthalten werden, das insbesondere mit einer Wärmesenke in der Position ausgestattet werden kann, an der die Wärme unter Vermeidung des Wärmeflusses durch den Schaltungsträger unmittelbar an die elektrischen beziehungsweise elektronischen Bauelementen abgeleitet werden kann. Eine Entwärmung des Steuergerätes über die Moldmasse erfolgt über einen wesentlich kürzeren Weg. Die Keramik weist in der Regel eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass eine Entwärmung über die Moldmasse vorteilhafter ist, insbesondere schneller erfolgen kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben. Es zeigt:
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1 den Aufbau des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuergeräts,
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2 die Darstellung eines geteilten Werkzeugs zum Einbringen der Moldmasse in einen Innenraum zwischen einem Verdrahtungsträger und der Innenseite eines Trägerrahmens,
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3 den sich einstellenden Wärmefluss von den elektronischen bzw. elektrischen Bauelementen auf der Oberseite des Schaltungsträgers an eine Wärmesenke und
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4 die Draufsicht auf den Aufbau des Steuergerätes ohne Darstellung der Moldmasse.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der Darstellung gemäß 1 ist ein Steuergerät, welches insbesondere an einem Getriebemodul eingesetzt werden kann, zu entnehmen, welches in separater Fertigung hergestellt wird.
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1 zeigt ein Steuergerät 10, insbesondere für ein Getriebemodul, welches einen Träger 12, insbesondere einen Verdrahtungsträger 12 aufweist. Der Verdrahtungsträger 12 umfasst eine innenliegende Verdrahtung 46, wie in 1 angedeutet. Bei dem Verdrahtungsträger 12, dessen Unterseite mit Bezugszeichen 8 identifiziert ist und dessen Oberseite mit Bezugszeichen 20 identifiziert ist, kann es sich um eine einzelne Flexfolie 16, um eine Anordnung einer Schicht aus mehreren Flexfolien 16, um eine Leiterplatte 14 oder auch um einen Lead-Frame oder dergleichen handeln. Aus der Darstellung des Aufbaus des erfindungsgemäßen Steuergerätes 10 gemäß der Darstellung in 1 geht hervor, dass auf die Oberseite 20 des Verdrahtungsträgers 12 ein Schaltungsträger 22 aufgebracht ist. Bevorzug wird der Schaltungsträger 22 als flaches Bauteil ausgebildet und aus Keramik hergestellt. Der Schaltungsträger 22 aus keramischem Material weist bevorzugt eine Höhe von wenigen Zehntelmillimetern, so zum Beispiel etwa 0,5 mm auf, während der Verdrahtungsträger 12 beispielsweise eine Dicke von nur 0,6 mm aufweisen kann.
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Aus der Darstellung gemäß 1 geht desweiteren hervor, dass sich auf der Oberseite des aus keramischen Material gefertigten Schaltungsträgers 22 eine Anzahl elektrischer bzw. elektronischer Bauelemente 26 befindet. Der Schaltungsträger 22 aus keramischem Material wird über elektrische Kontaktierungen 24 in Gestalt von Bonddrähten elektrisch kontaktiert. Die Bonddrähte können zum Beispiel als 300 μm-Aluminiumbonds ausgestaltet sein. Aus der Darstellung gemäß 1 geht desweiteren hervor, dass sich auf der Oberseite 20 des Verdrahtungsträgers 12 in Gestalt einer Flexfolie, einer Anordnung geschichteter Flexfolien 16, einer Leiterplatte 14 oder eines Lead-Frames, ein Rahmen 32 befindet. Dieser Rahmen 32 bildet zusammen mit der Oberseite 20 des Verdrahtungsträgers 12 einen wannenartig ausgebildeten Füllraum 28, der in der Darstellung gemäß 1 mit Moldmasse 30 vergossen ist. Bei der Moldmasse 30 handelt es sich bevorzugt um einen gute Wärmeleitfähigkeiten aufweisenden Duroplasten.
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Die Moldmasse 30 umgibt sowohl die elektrischen, beziehungsweise elektronischen Bauelemente 26, die an der Oberseite des Schaltungsträgers 22 aus keramischem Material angeordnet sind sowie die elektrischen Kontaktierungen 24, die sich an beiden Seiten des Schaltungsträgers erstrecken, die als Bondverbindungen ausgebildet sind, und die den Schaltungsträger 22 aus keramischem Material mit einer Verdrahtung 46 verbinden, die im Verdrahtungsträger 12 innenliegend ausgebildet ist.
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2 zeigt ein Moldwerkzeug mit zwei Werkzeughälften, einem oberen Werkzeugteil 34 und einem unteren Werkzeugteil 38. Eine erste Planseite 36 des oberen Werkzeugteils 34 liegt auf der Oberseite des Rahmens 32 auf, während der Verdrahtungsträger 12 in Gestalt einer Flexfolie 16, einer Leiterplatte 14 oder eines geschichteten Paketes von Flexfolien 16 durch eine zweite Planseite 40 des unteren Werkzeugteils 38 abgestützt ist. Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass der Füllraum 28 mit Moldmasse 30 verfüllt wird, was zum Beispiel wegen des Transfermoldens erfolgt. Die Innenseite des Trägers 32 auf der Oberseite 20 des Verdrahtungsträgers 12 einerseits sowie die Oberseite des Verdrahtungsträgers 12 andererseits bildet eine Dichtfläche 78 (Dam-Bar). In 2 ist ferner dargestellt, dass der Verdrahtungsträger 12, bei dem es sich um eine Leiterplatte, eine oder mehrere Flexfolien 16 sowie um ein Lead-Frame handeln kann, seitlich über die ineinander angestellten Werkzeugteile 34, 38 des zweiteiligen Moldwerkzeugs übersteht.
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Auch die elektrischen Kontaktierungen, die bevorzugt als Bondverbindungen ausgebildet werden, so zum Beispiel als Aluminiumbonds mit 300 μm Stärke sind von der Moldmasse 30, die in den Füllraum 28 eingebracht ist, umschlossen und gegen Beschädigung geschützt.
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3 zeigt einen sich einstellenden Wärmefluss im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuergerät. Aus 3 lässt sich entnehmen, dass der Schaltungsträger 22, der aus keramischem Material gefertigt ist, über elektrische Verbindungen, so zum Beispiel Bondverbindungen mit der Verdrahtung 46 im Verdrahtungsträger 12 elektrisch leitend verbunden ist. Die elektrischen Kontaktierungen 24 sind ebenso von der Moldmasse 30 innerhalb des Füllraums 28 umschlossen, wie auch die auf der Oberseite des Schaltungsträgers 22 aus keramischem Material angeordneten elektrischen, beziehungsweise elektronischen Bauelemente 26. Während des Betriebes des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuergeräts 10 stellt sich der durch die Pfeile 42 angedeutete Wärmefluss in vertikaler Richtung nach oben ein. Dies deshalb, weil aufliegend auf den oberen Planseiten des Rahmens 32, eine Wärmesenke 44 angebracht ist, bei der es sich beispielsweise um eine Trägerplatte aus metallischem Material eines Getriebemoduls handeln kann. Der Wärmefluss 42 ist in vertikaler Richtung auf die Wärmesenke 44 gerichtet. Dies bedeutet, dass der Abwärmefluss, der im Betrieb der elektronischen oder elektronischen Bauelemente 26 erzeugt wird, durch die Moldmasse 44 erfolgt, so dass kein Wärmefluss 42 über den Schaltungsträger 22 aus keramischem Material auftritt, das in der Regel ungünstige Wärmeleiteigenschaften aufweist. Eine Entwärmung über die Moldmasse erfolgt über einen viel kürzeren Weg und damit in wesentlich kürzerer Zeit.
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Der Darstellung gemäß 3 ist darüber hinaus zu entnehmen, dass das erfindungsgemäß vorgeschlagene Steuergerät unterhalb der Wärmesenke 44 eine Bauhöhe 68, 74 aufweist, die in der Größenordnung einiger Millimeter, bevorzugt unterhalb von 5 mm liegt. Berücksichtigt man die Dicke des Verdrahtungsträgers 12 von wenigen Zehntelmillimetern, so zum Beispiel 0,6 mm, ferner die Dicke des Schaltungsträgers 22 aus keramischem Material in der Größenordnung von etwa 0,5 mm sowie eine höchste Höhe eines elektrischen beziehungsweise elektronischen Bauelements von 2,5 mm und eine erforderliche Überdeckung durch die Moldmasse von 1 mm, so stellt sich eine maximale Bauhöhe 68, 74 des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuergeräts 10 von einigen Millimetern, bevorzugt unterhalb von 5 mm, ein. Damit baut das erfindungsgemäß vorgeschlagene Steuergerät, welches in separater Herstellung – d. h. nicht integriert in ein Getriebe – hergestellt wird, äußerst niedrig und vereint die Eigenschaften eines in ein Getriebemodul, beziehungsweise Getriebesteuergerät integrierten Steuergeräts mit den Vorteilen der Serienfertigung. Die Wärmesenke 44 kann zum Beispiel durch eine Hydraulikplatte eines Getriebes oder Getriebemoduls dargestellt sein.
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In der Darstellung gemäß 3 ist die Dicke des Verdrahtungsträgers 12 durch Bezugszeichen 70 gekennzeichnet, während die Dicke des Schaltungsträgers 22, der bevorzugt aus keramischem Material gefertigt ist, durch Bezugszeichen 72 identifiziert ist. Eine Dicke der Moldmasse 30 innerhalb der wannenförmigen Vertiefung, die durch den Trägerrahmen 32 und die Oberseite 20 des Verdrahtungsträgers gebildet ist, ist durch das Bezugszeichen 76 angedeutet und entspricht im Wesentlichen der Höhe des Rahmens 32.
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Wie aus der Darstellung gemäß 3 hervorgeht, ergibt sich die Kühlung des Steuergeräts 10 beziehungsweise die Abfuhr der Abwärme der elektrischen, beziehungsweise elektronischen Bauelemente 26 entsprechend des Wärmeflusses 42 durch das Slug-up-Verfahren an die Wärmesenke 44, wodurch kein Wärmefluss durch den Schaltungsträger 22, der insbesondere aus keramischem Material gefertigt ist, mehr auftritt.
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Mit Bezugszeichen 78 ist in der Darstellung gemäß 3 die bereits im Zusammenhang mit 2 erwähnte Dam-Bar, das heißt die Dichtfläche gegen die Moldmasse 30 bezeichnet. Zur Dam-Bar 78 ist im vorliegenden Zusammenhang auch die Innenseite des rechteckig oder quadratisch ausgebildeten Rahmens 32 hinzu zu zählen.
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4 zeigt eine Draufsicht auf den Aufbau des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuergeräts gemäß der Schnittdarstellung in 1 – jedoch ohne in den Füllraum eingebrachte Moldmasse.
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Aus der Draufsicht gemäß 4 geht hervor, dass der Trägerrahmen 32 einen im Wesentlichen rechteckförmiges Aussehen aufweist. Der Trägerrahmen 32 ist auf die Oberseite 58 des Verdrahtungsträgers 12, bei dem es sich um eine Flexfolie 16, eine geschichtete Anordnung von Flexfolien 16 oder auch um eine Leiterplatte 14 oder ein Lead-Frame handeln kann, aufgebracht. Der in der Draufsicht gemäß 4 rechteckig ausgebildete Trägerrahmen 32 weist eine Längsseite 52 auf sowie eine Querseite 54. Die außerhalb liegende Außenseite des Trägerrahmens 32 ist durch Bezugszeichen 50 identifiziert während der Schaltungsträger 22 im Innenbereich 48 des Rahmes 32 liegt. Die Bezugszeichen 64 beziehungsweise 66 identifizieren die Kontaktierungsbereiche für die elektrischen Kontaktierungen 34, die bevorzugt als Bondverbindungen ausgebildet sind, zwischen der Verdrahtung 46 des Verdrahtungsträgers 12 und dem Schaltungsträger 22 aus keramischem Material, dessen Oberseite je nach Anwendungszweck in unterschiedlichen Abständen zueinander die elektrischen beziehungsweise elektronischen Bauelemente 26 aufgebracht sind.
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Position 56 identifiziert eine Weiterkontaktierung zu einem Getriebestecker, einer Sensorik oder einer Aktuatorik, welche mit dem in 4 in der Draufsicht dargestellten erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steuergerät kontaktiert wird. In der Draufsicht gemäß 4 ist aus Gründen der besseren Darstellung die Moldmasse 30, die im Füllraum 28 des Steuergeräts 10 vorhanden ist und welche sowohl die elektrischen Kontaktierungen 24 als auch die auf der Oberseite des Schaltungsträgers aufgebachten elektrischen, beziehungsweise elektronischen Bauelemente 26 überdeckt, nicht dargestellt. Ebenso wie die in 3 dargestellte Wärmesenke 44, die sich oberhalb des Steuergeräts 10 befindet in 4 aus Gründen der besseren Darstellbarkeit fehlt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4416403 A1 [0002]
- EP 1728277 B1 [0003]