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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer elektronischen Baugruppe nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Üblicherweise werden Logikmodule und Leistungsmodule einer Baugruppe im niedrigen schaltbaren elektrischen Leistungsbereich in einem Gehäuse angeordnet, das beispielsweise durch Umspritzen der Baugruppe mit einer Moldmasse hergestellt wird. Das Umspritzen kann in mehreren Stufen erfolgen, so kann beispielsweise zuerst ein erstes Modul und anschließend ein zweites Modul umspritzt werden, wobei zwischen dem ersten Spritzvorgang und dem zweiten Spritzvorgang mehrere Fertigungsschritte, wie beispielsweise Kontaktieren, Ausrichten usw. liegen können. Dadurch werden ein wärmeerzeugendes Modul, wie beispielsweise das Leistungsmodul, und ein wärmeempfindliches Modul, wie beispielsweise das Logikmodul, in einem Gehäuse angeordnet.
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Logikmodule und Leistungsmodule einer Baugruppe im mittleren bis hohen schaltbaren elektrischen Leistungsbereich werden üblicherweise nicht in einem gemeinsamen umspritzten Gehäuse angeordnet. Weit verbreitet ist das sogenannte Rahmenmodul, bei welchem das Leistungsmodul mit Einpresspins an eine Leiterplatte kontaktiert wird, welche das Logikmodul umfasst. In diesem Fall findet kein Molden, d.h. kein Umspritzen mit einem Duroplast statt.
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Des Weiteren sind Sensorbaugruppen mit Stapelaufbau bekannt. Hierbei wird ein Modul auf einem anderen Modul angeordnet, wobei die Module elektrisch und mechanisch miteinander verbunden werden. Bei den Modulen handelt sich beispielsweise um ein Sensormodul mit mindestens einem Sensorelement und um ein Steuermodul zur Ansteuerung und Auswertung des mindestens einen Sensorelements.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 001 545 wird beispielsweise eine elektrische Kontaktierung von Leistungsmodulen beschrieben. Das Leistungsmodul umfasst einen als Stanzgitter ausgeführten Schaltungsträger und mindestens ein elektronisches Bauteil. Diese sind ganz oder teilweise von einem Moldkörper umgeben. Der Schaltungsträger weist für eine elektrische Kontaktierung aus dem Moldkörper herausgeführte, freiliegende Schneidklemmverbindungen auf. Über die Schneidklemmverbindungen können passive Bauelemente, wie beispielsweise Kondensatoren, Drosseln oder Spulen kontaktiert werden.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 018 199 A1 wird beispielsweise eine elektrische Baugruppe beschrieben, welche zwei Module umfasst. Die beschriebene Baugruppe umfasst ein Trägermodul, welches ein Stanzgitter als elektrische Leiterstruktur, mindestens ein elektrisches Bauelement und eine Füllmasse aus nichtleitendem Material umfasst. Auf dem Stanzgitter ist das mindestens eine elektrische Bauelement angeordnet, welches von einer ersten Füllmasse bzw. Moldmasse umhüllt ist. Die erste Moldmasse weist zumindest eine Aussparung auf, in welche mindestens ein Sensormodul mit mindestens einem zweiten Bauelement eingesetzt ist, welches in einem Gehäuse angeordnet ist. Am Trägermodul sind Rasthaken zur Befestigung und/oder Positioniermittel zu exakten Ausrichtung des Sensormoduls vorgesehen. Nach dem Einsetzen des Sensormoduls wird die Baugruppe von einer zweiten Moldmasse umhüllt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektronische Baugruppe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass bei einer Stapelanordnung mit mindestens zwei Moldmodulen mindestens ein Moldmodul als Logikmodul ausgeführt ist, und mindestens ein weiteres Moldmodul als Leistungsmodul ausgeführt ist. Durch das erfindungsgemäße Konzept können Ansteuerungselektronik und Leistungselektronik in getrennten Gehäusen verpackt werden. Diese getrennten Gehäuse bleiben als solche eigenständig, zumindest in sofern, als das kein anschleißendes gesamtheitliches Umspritzen beispielsweise in Form eines Moldgehäuses vorgesehen ist. Dadurch, dass die Gehäuse des Logikmoduls und des Leistungsmoduls stofflich voneinander getrennt sind, können erst nachfolgende erfindungsgemäße Vorteil erreicht werden. In vorteilhafter Weise können Änderungen an einer ersten Schaltung bzw. an einem ersten Gehäuses durchgeführt werden könne, ohne dass dies Veränderungen an einer zweiten Schaltung bzw. einem zweiten Gehäuse nach sich ziehen. Dadurch kann ein Logikmodul der elektronischen Baugruppe in vorteilhafter Weise anwendungsspezifisch optimiert und angepasst werden, ohne dass das korrespondierende Leistungsmodul verändert werden muss, das beispielsweise unverändert für mehrere Anwendungen eingesetzt werden kann. So ist es beispielsweise möglich, eine Ausführungsform des Leistungsmoduls mit verschiedenen Ausführungsformen des Logikmoduls zu kombinieren. Weiter kann ein Logikmodul mehrere verschiedene Leistungsmodule ansteuern. So können die Stückzahlen für Leistungsmodule bzw. für Logikmodule, welche für mehrere verschiedene Anwendungen eingesetzt werden können vergrößert werden und mit einem speziell für eine Anwendung optimierten Logikmodul bzw. Leistungsmodul kombiniert werden, so dass eine größere Anzahl von Gleichteilen und damit eine Kostenreduzierung realisiert werden können. Dadurch, dass die mindestens zwei Moldmodule getrennt voneinander, d.h. einzeln an die Gegebenheiten angepasst werden können, kann die Zuverlässigkeit dieser Baugruppen in vorteilhafter Weise erhöht werden. Des Weiteren kann mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise die Flexibilität gegenüber elektronischen Baugruppen erhöht werden, in welchen das Leistungsmodul mit dem Logikmodul in einem Gehäuse angeordnet ist. Des Weiteren kann durch die Trennung der Funktionalitäten in vorteilhafter Weise die Integrationsdichte des Logikmoduls erhöht werden, ohne dass die Leistungsdichte des Leistungsmoduls verringert wird. Zudem kann durch die thermische Entkopplung der beiden Moldmodule verhindert werden, dass das Logikmodul durch die direkte Abwärme des Leistungsmoduls erwärmt wird. Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Konzept für alle Leistungsklassen von niedrig bis hoch angewendet werden. Erfindungsgemäß ist somit die Möglichkeit erreicht, standardisierte Gleichteile innerhalb einer Gesamtanordnung variiert einzusetzen und eine an eine definierte Anwendung angepasste Variante der Gesamtanordnung zu erhalten.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine elektronische Baugruppe mit mindestens zwei Moldmodulen zur Verfügung, welche elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind. Jedes Moldmodul umfasst mindestens ein elektronisches und/oder elektrisches Bauteil, welches zumindest teilweise von einer Moldmasse umgeben ist. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Moldmodul als Logikmodul mit mindestens einem aus der Moldmasse herausragenden ersten Kontaktbereich ausgeführt, und mindestens ein weiteres Moldmodul ist als Leistungsmodul ausgeführt, welches mindestens einen aus der Moldmasse herausragenden Leistungsanschluss und mindestens einen aus der Moldmasse herausragenden zweiten Kontaktbereich aufweist. Unter einem Logikmodul wird im Folgenden eine durch Transfermolden verpackte Ansteuerschaltung für einen oder mehrere Leistungsschaltelemente verstanden. Die Logikschaltung kann als Steuergerät mit AISIC und Kommunikationsschnittstelle ausgeführt werden, welche beispielsweise ein CAN-, SPI-Protokoll oder jedes andere serielle oder zumindest digitale Kommunikationsprotokoll verwendet. In einer alternativen Ausführungsform wird unter der Logikschaltung eine zumindest einfache Funktionen beinhaltende Ansteuerschaltung mit einer digitalen Kommunikationsschnittstelle verstanden, welche das Zusammenspiel zwischen einer übergeordneten Ansteuereinheit und dem Leistungsmodul vereinfacht und beispielweise als Gatetreiber ausgeführt ist. Unter einem Leistungsmodul wird im Folgenden ein eingemoldetes Leistungsschaltelement verstanden, welches beispielsweise in Treiberendstufen für bürstenlose Elektromotoren oder Motor-Start-Stopp-Systemen eingesetzt wird. Ein solches Leistungsschaltelement ist mit entsprechenden Lastund Batterieanschlüssen verbunden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen elektronischen Baugruppe.
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Besonders vorteilhaft ist, dass mindestens ein erster Kontaktbereich des Logikmoduls als Steuerausgang ausgeführt ist und mit mindestens einem als Steuereingang ausgeführten zweiten Kontaktbereich des Leistungsmoduls mechanisch und elektrisch verbunden werden kann. Diese Verbindung zwischen den beiden Moldmodulen kann bevorzugt über eine Schneid-Klemmverbindung, eine Lötverbindung, eine Einpressverbindung und/oder eine Schweißverbindung erfolgen. Durch die herausragenden Kontaktbereiche ist eine solche Verbindung leicht und kostengünstig umsetzbar. Des Weiteren sind diese Verbindungstechniken insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Baugruppe ohne weiteres schützendes Gehäuse betrieben werden soll. So kann die kombinierte Baugruppe zum Beispiel direkt an einem Elektromotor montiert werden. Die Robustheit des Moldgehäuses bezüglich mechanischer Anpressung kann genutzt werden, um die Schneid-Klemmverbindungstechnik oder die Einpresstechnik zum Einsatz zu bringen. Dabei werden die Kontakte der beiden Module durch die Reibung beim Einpressen miteinander verschweißt. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn das Fügen in baulich eingeschränkter Umgebung stattfinden muss bzw. blind gefügt werden muss.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baugruppe kann das Logikmodul elektrische Steuersignale an das Leistungsmodul ausgeben. Hierbei kann das Logikmodul zusätzliche Sensoren zur Erfassung einer physikalischen Größe umfassen. Die erfassten Sensorwerte können zur Verbesserung der Ansteuerung des Leistungsmoduls verwendet und/oder über die Kommunikationsschnittstelle an weitere verbundene Steuergeräte und/oder Logikmodule übermittelt werden. Da das Logikmodul direkt mit dem Leistungsmodul verbunden ist, werden in vorteilhafter Weise die Steuersignale zuverlässig übertagen. Des Weiteren kann eine Unterbrechung des Kontakts aufgrund der kurzen Distanz zwischen dem Logikmodul und dem Leistungsmodul nahezu ausgeschlossen werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baugruppe kann das Leistungsmodul direkt auf einen Kühlkörper aufgebracht werden. Dadurch kann die entstehende Wärme des Leistungsmoduls in vorteilhafter Weise direkt aufgenommen und abtransportiert werden, so dass sich die Baugruppe nicht weiter erwärmt und eine Zerstörung von wärmeempfindlichen Bauteilen vermieden werden kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baugruppe kann zwischen dem Leistungsmodul und dem Logikmodul eine Wärmesenke und/oder mindestens eine Isolationsschicht mit einer vorgegebenen Schichtdicke angeordnet werden. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine Übertragung der Wärme vom Leistungsmodul auf das Logikmodul verhindert werden. Des Weiteren kann die Wärmesenke mit dem Kühlkörperverbunden werden, so dass die Wärme effektiv abgeführt werden kann. Die Isolationsschicht mit der vorgegebenen Schichtdicke kann durch die Moldmasse des Leistungsmoduls und/oder durch die Moldmasse des Logikmoduls gebildet werden. Auf diese Weise werden in vorteilhafter Weise keine weiteren Materialien benötigt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baugruppe kann ein Abstand zwischen Leistungsbauteilen des Leistungsmoduls zu einer Ansteuerschaltung des Logikmoduls im Wesentlichen über die Schichtdicke der mindestens einen Isolationsschicht des korrespondierenden Moldmoduls vorgegeben werden. In vorteilhafter Weise können auf diese Weise sehr flache Stapel aus Leistungselektronik und Logik hergestellt werden, welche durch ihr jeweiliges Moldgehäuse gegen Umwelteinflüsse verkapselt sind. Hierbei bietet sich insbesondere die Möglichkeit der Einsparung von Bauraum im Produkt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baugruppe ist eine erste Schichtdicke der Moldmasse zwischen den Leistungsbauteilen des Leistungsmoduls und der dem Kühlkörper zugewandten Oberfläche des Leistungsmoduls geringer, als eine zweite Schichtdicke der Moldmasse zwischen den Leistungsbauteilen des Leistungsmoduls und der dem Logikmodul zugewandten Oberfläche des Leistungsmoduls. Das bedeutet, dass die Leistungselektronik nicht mittig in einem ersten Gehäuse angeordnet ist und auf diese Weise weiterer Platz eingespart werden kann, da die Wärme des Leistungsmodul durch den näheren Kühlkörper schneller abgeleitet wird. Durch die dickere Isolierschicht wird die Wärme schlechter vom Leistungsmodul auf das Logikmodul übertragen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baugruppe ist eine dritte Schichtdicke der Moldmasse zwischen der Ansteuerschaltung des Logikmoduls und der dem Leistungsmodul abgewandten Oberfläche des Logikmoduls geringer, als eine vierte Schichtdicke der Moldmasse zwischen der Ansteuerschaltung des Logikmoduls und der dem Leistungsmodul zugewandten Oberfläche des Logikmoduls. Das bedeutet, dass die Ansteuerschaltung nicht mittig im zweiten Gehäuse angeordnet ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Isolierschicht, welche der vierten Schichtdicke entspricht, maximiert werden und weiterer Bauraum eingespart werden. Des Weiteren kann die Ansteuerschaltung vor äußeren Einflüssen durch die dritte Schicht geschützt werden während sie vor der Abwärme durch die vierte Schicht geschützt werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die einzige Figur zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus der Figur ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe 1 mindestens zwei Moldmodule 20, 30, welche elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, wobei jedes Moldmodul 20, 30 mindestens ein elektronisches und/oder elektrisches Bauteil umfasst, welches zumindest teilweise von einer Moldmasse 24, 34 umgeben ist.
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Erfindungsgemäß ist mindestens ein Moldmodul als Logikmodul 30 mit mindestens einem aus der Moldmasse 34 herausragenden ersten Kontaktbereich 40 ausgeführt, und mindestens ein weiteres Moldmodul ist als Leistungsmodul 20 ausgeführt, welches mindestens einen aus der Moldmasse 24 herausragenden Leistungsanschluss 22 und mindestens einen aus der Moldmasse 24 herausragenden zweiten Kontaktbereich 26 aufweist. Dadurch können Ansteuerungselektronik und Leistungselektronik in getrennten Gehäusen verpackt und getrennt voneinander an die jeweiligen Anwendungsbedingungen angepasst werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe 1 ist das Leistungsmodul 20 in Rahmenmodulbauweise hergestellt und umfasst drei als Steueranschlüsse ausgeführte zweite Kontaktbereiche 26 für mindestens ein nicht dargestelltes Leistungsschaltelement. Des Weiteren weist das Leistungsmodul 20 zwei herausgeführte Leistungsanschlüsse 22 auf, welche beispielsweise elektrisch mit einer Last und/oder einer Batterie verbunden sind. Durch die Moldmasse 24 wird ein erstes Gehäuse 23 ausgebildet, in welchem unter anderem die zweiten Kontaktbereiche 26 für das Leistungsschaltelement angeordnet sind.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe 1 ist das Logikmodul 30 über dem Leistungsmodul 20 angeordnet, wobei das Logikmodul 30 eine Ansteuerschaltung 32 aufweist. Diese Ansteuerschaltung 32 weist mindestens eine Leiterplatte auf, auf welcher elektrische und/oder elektronische Bauelemente, wie beispielsweise Sensoren und/oder eine Recheneinheit und/oder eine Auswerteeinheit und/oder eine Sende/Empfangseinheit und/oder eine Schnittstelleinheit angeordnet sind.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Logikmodul 30 und das Leistungsmodul 20 in Form und Abmessungen nahezu identisch. Möglich sind aber auch Ausführungen bei denen das Logikmodul 30 kleiner und/oder schmaler und/oder dünner als das Leistungsmodul ausgeführt ist. Des Weiteren können die beiden Moldmodule 20, 30 unterschiedliche Formen aufweisen, solange diese in mindestens einem Bereich mechanisch und elektrisch miteinander verbunden werden können.
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Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, ragt mindestens ein Kontaktbereich 26, 40 aus dem jeweiligen Gehäuse 23, 33 der Moldmodule 20, 30 heraus. Hierbei ist mindestens ein erster Kontaktbereich 40 des Logikmoduls 30 mit mindestens einem zweiten Kontaktbereich 26 des Leistungsmoduls 20 mechanisch und elektrisch verbunden. Die einzelnen Verbindungen zwischen den Moldmodulen 20, 30 können beispielsweise als Lötverbindung und/oder Schneid-Klemmverbindung und/oder Schweißverbindung ausgeführt werden. Über diese Verbindungen sind das Leistungsmodul 20 und das Logikmodul 30 mechanisch und elektrisch miteinander verbunden, da diese Verbindungen 40 elektrisch leitend sind. Zudem können über diese Verbindungen Steuerbefehle vom Logikmodul 30 an das Leistungsmodul 20 ausgegeben werden. Die Steuerbefehle können beispielsweise ein Öffnen oder Schließen des Leistungsschaltelements bewirken.
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Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, ist das Leistungsmodul 20 auf einem Kühlkörper 50 aufgebracht. Des Weiteren ist zwischen dem Leistungsmodul 20 und dem Logikmodul 30 eine Wärmesenke 52 und/oder mindestens eine Isolationsschicht mit einer vorgegebenen Schichtdicke 54.2, 54.4 angeordnet. Hierbei bilden die Moldmasse 24 des Leistungsmoduls 20 und die Moldmasse 34 des Logikmoduls 30 die mindestens eine Isolationsschicht aus. Zudem umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel die Wärmesenke 52 eine wärmeleitende Verbindung zum Kühlblock 50. Diese Verbindung kann beispielweise eine Aluminiumfolie sein, welche zwischen den Modulen 20, 30 angeordnet und mit dem Kühlkörper 50 verbunden ist. Es sind auch andere wärmeleitende Stoffe denkbar. Ein Abstand 54 zwischen Leistungsbauteilen des Leistungsmoduls 20 und der Ansteuerschaltung 32 des Logikmoduls 30 kann im Wesentlichen über die Schichtdicke 54.2, 54.4 der mindestens einen Isolationsschicht des korrespondierenden Moldmoduls 20, 30 vorgegeben werden. Eine vorhandene Wärmesenke 52 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel so dünn ausgeführt, dass diese den Abstand 54 nicht wesentlich beeinflusst. Da die Isolationsschicht den einander zugewandten Schichtdicken 54.2, 54.4 der Moldmodule 20, 30 entspricht, kann diese variabel vorgegeben werden. So kann beispielsweise das Leistungsmodul 20 dicker als das Logikmodul 30 ausgeführt werden, während das Logikmodul 30 schmaler und kompakter als das Leistungsmodul 20 ausgeführt werden kann.
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Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, ist eine erste Schichtdicke 54.1 der Moldmasse zwischen den Leistungsbauteilen des Leistungsmoduls 20 und der dem Kühlkörper 50 zugewandten Oberfläche des Leistungsmoduls 20 geringer, als eine zweite Schichtdicke 54.2 des Leistungsmoduls 20 zwischen den Leistungsbauteilen 26 des Leistungsmoduls 20 und der dem Logikmodul 30 zugewandten Oberfläche des Leistungsmoduls 20. Des Weiteren ist eine dritte Schichtdicke 54.3 zwischen der Ansteuerschaltung 32 des Logikmoduls 30 und der dem Leistungsmodul 30 abgewandten Oberfläche des Logikmoduls 30 geringer, als eine vierte Schichtdicke 54.4 der zwischen der Ansteuerschaltung 32 des Logikmoduls 30 und der dem Leistungsmodul 20 zugewandten Oberfläche des Logikmoduls 30. Somit kann die Ansteuerschaltung 32 mit der Leiterplatte und den Bauelementen in Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen und von der vom Leistungsmodul 20 erzeugten Abwärme, an unterschiedlichen Positionen im zweiten Gehäuse 33 angeordnet werden.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Baugruppe mit mindestens zwei Moldmodulen zur Verfügung, welche elektrisch und/oder mechanisch miteinander verbunden sind: Hierbei ist mindestens ein Moldmodul als Logikmodul 30 und mindestens ein weiteres Moldmodul ist als Leistungsmodul ausgeführt. Durch die gehäusemäßige Trennung der beiden Moldmodule können das Logikmodul und das Leistungsmodul getrennt voneinander an die jeweilige Anwendung angepasst werden, ohne dass das andere Modul verändert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010001545 A [0005]
- DE 102008018199 A1 [0006]