DE10007868B4

DE10007868B4 - Elektronische Steuerschaltung

Info

Publication number: DE10007868B4
Application number: DE10007868A
Authority: DE
Inventors: Marcus Meyer; Stefan Reck; Stefan Kotthaus; Joerg Dr. Wolf; Michael Soellner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-21
Filing date: 2000-02-21
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2020-02-22
Also published as: DE10007868A1; WO2001063210A1; EP1173728A1; US20020179987A1

Abstract

Elektronische Steuerschaltung (10) mit einer Leiterplatte (12), auf der mehrere elektronische Bauelemente (14, 16, 18, 20, 22) angeordnet sind, von denen mindestens in einem (18) ein Hallsensor (20, 22) mit einem zur Steuerelektronik gehörenden Schaltungsteil (18) zusammengefasst ist, wobei der Hallsensor (20, 22) auf einem Siliziumchip (48, 50) und seine aktive Fläche (52) in einem geringen Abstand (68) zu einem relativ zum Hallsensor (20, 22) bewegbaren Magnetflussgeber (38) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliziumchip (50) als Flip-Chip auf der Leiterplatte (12) kontaktiert ist, wobei die aktive Fläche (52) des Hallsensors (20, 22) an der Kontaktierungsseite des Siliziumchips (50) angeordnet ist und vom Magnetflussgeber (38) weg weist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer elektronischen Steuerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
Im Automobilbereich werden elektrisch betätigte Stellmotoren für vielfältige Anwendungsmöglichkeiten eingesetzt. Insbesondere beim Einsatz als Fensterheber oder Schiebedachmotor ist eine elektronische Steuerschaltung mit einem Drehwinkelsensor, z. B. Hallsensor, vor Ort notwendig, um Funktionen wie z. B. den Schutz gegen Einklemmen zu realisieren. Durch gesetzliche Vorschriften werden in Zukunft höhere Anforderungen an die Sensorik gestellt, um den Fall des Einklemmens sicher zu erkennen und zu vermeiden. Hierfür ist eine höhere Polzahl eines als Ringmagneten ausgebildeten Magnetflusswandlers erforderlich. Eine höhere Polzahl führt jedoch dazu, dass das Magnetfeld schwächer wird und schwieriger von den Sensoren zu erfassen ist.
Aus der DE 195 25 292 A1 ist eine Vorrichtung zum Erfassen des Drehwinkels, der Drehzahl und/oder der Drehrichtung eines Drehantriebs bekannt. Ein Permanentmagnet ist auf einer Leiterplatte im Elektronikraum eines Elektromotors angeordnet. Die beiden Pole des Magneten sind mit Magnetflussleitern verbunden, die zu der von dem Elektronikraum entfernt angeordneten Ankerwelle des Elektromotors geführt sind, wo je ein Endabschnitt der Magnetflussleiter in einem geringen Abstand von einem mit Ankerwelle bewegten Magnetflussgeber angeordnet ist. Der Magnetflussgeber umfasst ferromagnetische und diamagnetische Abschnitte, die auf einem Rotationskörper angeordnet sind. Er rotiert mit der Ankerwelle, wodurch sich der magnetische Fluss in dem durch den Permanentmagneten, die Magnetflussleiter und den Magnetflussgeber gebildeten Magnetkreis ändert. Ein auf der Leiterplatte über dem Permanentmagneten angeordneter Hallsensor erfasst die Magnetfeldänderung des sich verändernden Streufelds und erzeugt in Abhängigkeit von der Änderung ein elektrisches Ausgangssignal. Dieses wird einer Steuereinheit zugeführt, z. B. einem Mikrocontroller. Die bekannte Steuerschaltung beansprucht viel Bauraum und beinhaltet auf Grund der zahlreichen Einzelteile und der Anordnung dieser zueinander viele Fertigungstoleranzen, die die Sicherheit und Regelgüte negativ beeinflussen.
Aus der DE 197 39 682 A1 ist ferner eine Sensoreinrichtung bekannt, die einen als Hallsensor ausgebildeten, ortsfest angeordneten Magnetfeldsensor umfasst, der magnetisch mit wenigstens einem ortsfesten Magnetflussleiter gekoppelt ist, welcher ein variables Magnetfeld erfasst und dem Hallsensor zuführt. Dieser erzeugt ein von der Magnetfeldänderung abhängiges, elektrisches Ausgangssignal für eine elektronische Steuereinrichtung. Es können zwei im Abstand voneinander angeordnete Hallsensoren vorgesehen sein, von denen wenigstens einer mit wenigstens einem Teil einer elektronischen Steuerschaltung zu einem anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis zusammengefasst in einem elektronischem Bauelement angeordnet ist. Dieses Bauelement ist auf einer vom Magnetflussgeber entfernten Leiterplatte positioniert und zwischen den Endabschnitten wenigstens zweier Magnetflussleiter angeordnet. Zwar weisen die Leiterplatte und die auf ihr angeordneten Bauelemente eine größere Integrationsdichte auf, jedoch ergeben sich auch hierbei zahlreiche Fertigungstoleranzen.
Mit der DE 196 52 988 C2 ist ein Winkelsensor bekannt geworden, bei dem eine Drehlage eines Rotors mittels eines Hallsensors ermittelt wird. Dabei taucht der Hallsensor dem Magneten gegenüberliegend in eine am Lagerblock angeordnete Führung ein, wobei der Hallsensor elektrisch mit einer Leiterplatine verbunden ist.
Die DE 40 08 141 C2 zeigt einen Sensor mit einem Hallelement, das an einer Flusserzeugungseinrichtung befestigt ist. Dabei ist auf dem Magnetflussleiter ein Isolationsfilm und ein gedruckter Leiter angeordnet, auf dem das Hallelement aufgelötet ist.
Die EP 0 217 478 A1 offenbart einen Winkelsensor, bei dem auf einem magnetisch isolierenden Material zwei magnetisch leitende mittels Gasphasenepitaxi angeformt sind. Diese magnetisch leitfähigen Filme werden mit elektrischen Anschlüssen versehen und wirken als magnetisches Sensorelement.
In den Artikeln „Magnetic Sensor TLE 4921-3U: Integrated and Dynamic” Components, DE; Siemens Aktiengesellschaft, München, Vol. 31, No. 3, 1 May 1996 (1996-05-01), Page IV XP000623759 ISSN: 0945-1137” und Siemens Components 32 (1994) heft 3, S. 76–79 sind Magnetsensoren offenbart, die als Hall-ICs ausgebildet sind. Bei allen offenbarten Ausführungsbeispielen weist die aktive Fläche des Hallsensors zum Sensormagnet bzw. einem Magnetflussgeber hin und liegt damit auf der von der Leiterplatte abgewandten Fläche des Hall-ICs.
Vorteile der Erfindung
Nach der Erfindung ist ein Hallsensor auf einem Siliziumchip angeordnet, das einen zur Steuerelektronik gehörenden Schaltungsteil, z. B. eine Steuereinrichtung, enthält, wobei die aktive Fläche des Hallsensors in einem geringen Abstand zu einem relativ zum Hallsensor bewegbaren Magnetflussgeber angeordnet ist, z. B. zu einem Ringmagneten. Durch die Integration der Hallsensoren auf dem Siliziumchip der Steuereinrichtung kann auf externe Hallsensoren verzichtet werden, wodurch sich eine geringere Anzahl an Bauelementen und damit eine kleinere Leiterplatte ergibt. Ferner entfallen mit der Anordnung der kleinen Leiterplatte in unmittelbarer Nähe zum Magnetflussgeber Magnetflussleiter, wodurch ebenfalls die Anzahl der Bauelemente reduziert und weniger Bauraum beansprucht wird.
Der Siliziumchip kann zweckmäßigerweise in einem Gehäuse untergebracht sein und über Anschlussbeinchen mit Leiterbahnen der Leiterplatte durch Löten kontaktiert werden, wobei die aktive Fläche des Hallsensors in vorteilhafter Weise auf der dem Magnetflussgeber zugewandten Seite des Siliziumchips liegt, so dass der Abstand zwischen dem Magnetflussgeber und der aktiven Fläche des Hallsensors abgesehen von den Lagetoleranzen der Leiterplatte nur von den Toleranzen des Gehäuses des Bauelements und der Lotfuge zwischen der Leiterbahn und den Anschlußbeinchen bestimmt wird. Somit kann ein sehr geringer Abstand realisiert werden, der für das präzise und sichere Erfassen schwacher Magnetfelder besonders wichtig ist.
Nach der Erfindung ist der Siliziumchip als Flip-Chip auf der Leiterplatte kontaktiert, wobei die aktive Fläche des Hallsensors an der Kontaktierungsseite des Siliziumchips angeordnet ist und vom Magnetflussgeber weg weist. Da die Dicke des Siliziumchips kleiner ist als der normale Abstand zwischen der oberen Fläche der Gehäuseoberkante bei Gehäusebauformen, kann der Abstand zwischen der aktiven Fläche des Hallsensors und dem Magnetflussgeber weiter verringert werden. Ferner kann bei der Halbleiterherstellung die Dicke des Siliziumchips sehr genau bestimmt werden, und die Höhe der Lötverbindungen zwischen dem Siliziumchip und der Leiterbahn, der so genannten Bumps, unterliegt nur relativ geringen Streuungen, so dass in der Toleranzkette der Abstand der Leiterplattenoberfläche zur aktiven Fläche des Hallsensors wesentlich genauer bestimmt ist. Somit kann die aktive Fläche des Hallsensors näher und präziser an den Magnetflussgeber platziert werden und selbst schwächere magnetische Felder können mit größerer Sicherheit erfasst werden.
Außerdem wird bei der Flip-Chip-Technologie der Siliziumchip in einem Reflow-Lötprozess auf die Leiterplatte aufgebracht, wobei sich durch einen Einschwimmvorgang beim Aufschmelzen des Lots eine Selbstzentrierung ergibt. Damit wird sowohl die horizontale als auch die laterale Toleranz gegenüber einer Kontaktierung über Anschlußbeinchen verbessert. Da ferner ein Gehäuse entfällt, und das Siliziumchip mit den Lötverbindungen statt dessen in einer Unterfütterung eingebettet ist, beansprucht der Siliziumchip einschließlich der Unterfütterung deutlich weniger Bauraum als ein Bauelement mit Gehäuse, wodurch die Leiterplatte kleiner und preiswerter gestaltet werden kann.
Um die Drehrichtung zu erfassen, werden in der Regel zwei Hallsensoren benötigt, die im Abstand zueinander angeordnet sind. Da der Siliziumchip für die Steuereinheit ausreichend groß ist und größer als Siliziumchips für separate Hallsensoren, kann der Abstand zwischen den Hallsensoren relativ groß gewählt werden, ohne dass eine zusätzliche Siliziumfläche erforderlich ist. Der Abstand kann dadurch zweckmäßigerweise dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 einen elektrischen Stellmotor nach dem Stand der Technik in einer schematischen Explosionsdarstellung,
2 einen teilweisen Querschnitt durch den Bereich eines Hallsensors nach 1,
3 einen Querschnitt entsprechend 2 durch eine erfindungsgemäße Steuerschaltung und
4 eine Variante zu 3.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein Stellmotor 46 nach dem Stand der Technik umfasst ein Polgehäuse 40 mit mehreren Magneten 42, einen Anker 32, dessen Ankerwelle 34 über Lager 44 im Polgehäuse 40 drehbar gelagert ist und an seinem freien Ende eine Getriebeschnecke 36 trägt, eine Bürstenhalterung 24 mit Bürsten 26, die durch Federn 28 gegen einen Kommutator 30 des Ankers 32 gedrückt werden, und eine Steuerschaltung 10. Die Steuerschaltung 10 besitzt eine Leiterplatte 12, die diskrete Bauelemente in Form einer Endstufe 14, einer Steuereinheit 18 und/oder in Form von Hallsensoren 20, 22 und sonstigen Bauelementen 16 trägt. Die Hallsensoren 20, 22 besitzen auf einem Siliziumchip 50 aktive Flächen 52, die mit einem Magnetflussgeber in Form eines Ringmagneten 38 zusammenwirken, der auf der Ankerwelle 34 zwischen dem Kommutator 30 und der Getriebeschnecke 36 sitzt.
Bei der bekannten Steuerschaltung nach 1 ist der Hallsensor 20 auf dem Siliziumchip 50 angeordnet, das sich in einem separaten Gehäuse 60 befindet und über Anschlussbeinchen 58 mit einer Leiterbahn 54 der Leiterplatte 12 in einer Lötfuge 56 verlötet ist. Eine solche Steuerschaltung 10 ist sehr aufwändig und beansprucht viel Bauraum, insbesondere sind große Leiterplatten 12 erforderlich. Ferner können auf dem Siliziumchip 50 mehrere Hallsensoren 20, 22 nur in einem geringen Abstand zueinander angeordnet werden, wenn nicht der Bauraum zusätzlich vergrößert werden soll.
Bei den erfindungsgemäßen Ausführungen nach 3 und 4 sind die Hallsensoren 20, 22 auf dem Siliziumchip 48 einer Steuereinheit 18 angeordnet. Durch die Integration entfallen separate Hallsensoren, so dass die Leiterplatte 12 kleiner ausfallen kann. Ferner können auf dem Siliziumchip 48 die Hallsensoren 20, 22 in einem größeren Abstand 70 voneinander angeordnet werden, weil der Siliziumchip 48 für die Steuereinheit 18 von Hause aus relativ groß ist, so dass der Abstand 70 in weiten Grenzen dem konkreten Anwendungsfall angepasst werden kann, ohne zusätzliche Siliziumfläche zu beanspruchen.
Bei einer Bauelementausführung nach 3 mit einem Gehäuse 62 sind die Hallsensoren 20, 22 auf der dem Magnetflussgeber 38 zugewandten Seite des Siliziumchips 48 angeordnet. Dadurch kann beim einem kleinen Luftspalt 68 zwischen der Oberfläche des Gehäuses 62 und dem Magnetflussgeber 38 ein geringer Abstand zwischen der aktiven Fläche 52 der Hallsensoren 20, 22 und dem Ringmagneten 38 eingehalten werden, wobei lediglich die Toleranzen der Lötfuge 56 und des Gehäuses 62 zu den Lagetoleranzen der Leiterplatte 12 zu berücksichtigen sind.
Bei der Ausführung nach 4 entfällt das Gehäuse 62 und der Siliziumchip 48 ist als Flip-Chip auf der Leiterplatte 12 über Lötverbindungen 64 kontaktiert. In diesem Fall sind die Hallsensoren 20, 22 an der Kontaktierungsseite des Siliziumchips 48 angeordnet, wobei die aktiven Flächen 52 vom Ringmagneten 38 weg weisen. Der Abstand der aktiven Flächen 52 vom Ringmagneten 38 wird durch die Dicke des Siliziumchips 48 und den Luftspalt 68 bestimmt, wobei die Dicke des Siliziumchips 48 in der Halbleiterfertigung mit sehr geringen Toleranzen gefertigt werden kann. Der Luftspalt 68 wird insbesondere durch die Lagetoleranzen der Leiterplatte 12 und der Dickentoleranzen der Lötverbindungen 64 bestimmt.
Das Siliziumchip 48 ist mit seinen Lötverbindungen 64 in einer isolierenden Unterfütterung 66 eingebettet. Auf Grund des bei der Flip-Chip-Herstellung angewendeten Reflow-Lötprozesses wird beim Aufschmelzen des Lots eine Selbstzentrierung erzielt, wodurch sowohl in horizontaler Richtung als auch in lateraler Richtung die Lagetoleranzen zwischen dem Siliziumchip 48 und der Leiterplatte 12 sehr gering sind.

10: Steuerschaltung
12: Leiterplatte
14: Endstufe
16: Bauelement
18: Steuereinheit
20: Hallsensor
22: Hallsensor
24: Bürstenhalterung
26: Bürsten
28: Feder
30: Kommutator
32: Anker
34: Ankerwelle
36: Getriebeschnecke
38: Ringmagnet
40: Polgehäuse
42: Magnet
44: Lager
46: Stellmotor
48: Siliziumchip
50: Siliziumchip
52: aktive Fläche
54: Leiterbahn
56: Lotfuge
58: Anschlussbeinchen
60: Gehäuse
62: Gehäuse
64: Lötverbindung
66: Unterfütterung
68: Luftspalt
70: Abstand

Claims

Elektronische Steuerschaltung (10) mit einer Leiterplatte (12), auf der mehrere elektronische Bauelemente (14, 16, 18, 20, 22) angeordnet sind, von denen mindestens in einem (18) ein Hallsensor (20, 22) mit einem zur Steuerelektronik gehörenden Schaltungsteil (18) zusammengefasst ist, wobei der Hallsensor (20, 22) auf einem Siliziumchip (48, 50) und seine aktive Fläche (52) in einem geringen Abstand (68) zu einem relativ zum Hallsensor (20, 22) bewegbaren Magnetflussgeber (38) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliziumchip (50) als Flip-Chip auf der Leiterplatte (12) kontaktiert ist, wobei die aktive Fläche (52) des Hallsensors (20, 22) an der Kontaktierungsseite des Siliziumchips (50) angeordnet ist und vom Magnetflussgeber (38) weg weist.
Steuerschaltung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliziumchip (48) in einem Gehäuse (62) untergebracht ist und über Anschlussbeinchen (58) mit Leiterbahnen (54) der Leiterplatte (12) kontaktiert ist, wobei die aktive Fläche (52) des Hallsensors (20, 22) auf der dem Magnetflussgeber (38) zugewandten Seite des Siliziumchip (48) liegt.
Steuerschaltung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötverbindungen (64) in einer Unterfütterung (66) eigebettet sind.
Steuerschaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Hallsensoren (20, 22) im Abstand voneinander auf dem Siliziumchip (48, 50) angeordnet sind.