DE102005003448B4

DE102005003448B4 - Systemkomponente eines Steuergerätes und Steuergerät mit einer solchen Systemkomponente

Info

Publication number: DE102005003448B4
Application number: DE102005003448.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Janisch; Johannes Mehler; Walther Seiwerth; Peter Stetter; Christian Weigert; Stefan Wiesinger
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2025-01-26
Also published as: US20070297152A1; CN101112136A; DE102005003448A1; WO2006079432A3; US7885080B2; KR101203078B1; KR20070100381A; WO2006079432A2; CN101112136B

Abstract

Systemkomponente (2) eines Steuergerätes (1), insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen eines Kraftfahrzeuges, aufweisend eine mit elektronischen Bauelementen (11) bestückte Hybridschaltung (10), welche in einer in der Mitte freigearbeiteten Aussparung der Leiterplatte (20) angeordnet ist, wobei – die Hybridschaltung (10) und die Leiterplatte (20) auf einem Bodenelement (30) angeordnet sind; – die Hybridschaltung (10) mit der Leiterplatte (20) über Kontaktelemente (12; 21) miteinander kontaktiert ist; und wobei – über der Hybridschaltung (10) und den Kontaktelementen (12; 21) ein Deckelelement (40) angeordnet ist, so dass die Hybridschaltung (10) von dem Bodenelement (30), dem Deckelelement (40) und der Leiterplatte (20) vollständig gekapselt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Systemkomponente eines Steuergerätes, insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen eines Kraftfahrzeuges, wenigstens umfassend eine mit elektronischen Bauelementen bestückte Hybridschaltung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Steuergerät mit einer solchen Systemkomponente.
Handlingsysteme für die Fertigung von Hybridschaltungen auf der Basis von Keramiksubstraten unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht von den Systemen für die Leiterplattenfertigung.
Leiterplatten sind häufig bis zu 600 × 600 mm groß, sind in gewissem Maße elastisch und vom Material her eher weich als hart. Keramiksubstrate (Dickschicht bzw. Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC's)) sind bis heute in der Regel noch kleiner als 200 × 200 mm, sind spröde, bruchempfindlich und von hoher Abrasivität. Dieser wesentliche Unterschied muss bei der Entwicklung und Konstruktion von Handlingsystemen für die Hybridfertigung berücksichtigt werden.
Der Produktionsablauf für die Herstellung von Keramikhybriden beinhaltet die folgenden Technologien: Siebdruck mit Trocknung und Einbrennen der gedruckten Pasten, Dick- und Dünndrahtbonden, Lasertrimmen von Schaltungen und SMD Bestückung. Ist der Großnutzen fertig erfolgt die Vereinzelung der Schaltungen durch Brechen der Substrate und Montage von Einzelschaltungen in Gehäuse oder auf Kühlkörper. Für diese Produktionsschritte bis zur Fertigung des Großnutzens gibt es jeweils verschiedene Prozessanlagen von unterschiedlichen Herstellern.
Die wenigen auf Steuergeräte mit Hybridschaltungen spezialisierten Hersteller konzentrieren sich bislang auf das automatische Be- und Entladen ihrer Prozessanlagen bzw. das Verketten dieser Maschinen zu einer vollautomatischen Produktionslinie.
Dabei werden die bestückten Keramiksubstrate z. B. auf einen Aluminiumträger aufgeklebt und mittels „Wire Bonden” mit der Leiterplatte (starr oder flexibel, hat hier die Funktion der Leitungsführung zu anderen Komponenten) oder/und den anderen Modulkomponenten (Sensoren, Steckern, ...) kontaktiert. Im Anschluss wird der Gehäuseraum mit Gel zum Schutz der LTCC und der Bondflächen auf dem LTCC und den Komponenten gefüllt. Die anderen Komponenten sind je nach Anwendungsfall innerhalb oder außerhalb des gelgefüllten LTCC-Gehäuses. Die außerhalb befindlichen Komponenten werden durch Stanzgitter oder durch flexible Leiterbahnen kontaktiert, die durch den hermetisch abgeschlossenen Raum gedichtet nach außen geführt werden.
Die DE 101 00 823 C1 offenbart einen dichten Elektronikraum eines Steuergeräts, das eine mit elektronischen Bauelementen bestückte Schaltung aufweist, wobei über der Schaltung eine Abdeckung angeordnet ist, die über eine Verklebung mit der flexiblen Leiterplatte an der Trägerplatte befestigt ist.
Die DE 101 10 620 A1 offenbart eine elektronische Baugruppe mit einem auf den Trägerkörper angeordneten Schaltungsträger, einer Leiterfolie sowie einem auf den Trägerkörper aufgebrachten Gehäusekörper. Dieser Gehäusekörper ist mit dem Trägerkörper verschraubt.
Im Rahmen der Globalisierung ist es jedoch zunehmend von Nachteil, derartige Steuergeräte vollständig an einem Standort zu fertigen. Insbesondere können einzelne Komponenten wie Gehäuse, Stecker, Sensoren, etc. des Steuersystems oftmals günstiger vor Ort bezogen und/oder montiert werden.
Der finanzielle Aufwand für den korrekten Transport einer bestückten LTCC ist bislang jedoch höher als die gesamthafte Fertigung an einem Standort: So müssen nicht nur die empfindlichen Wire-Bond-Pads vor Berührung geschützt werden. Auch dürfen die bestückten Keramiksubstrate wegen Oxidationsgefahr nicht über einen längeren Zeitraum der Umgebungsluft ausgesetzt werden. Der Transport auf dem Seeweg wäre wegen dem Salzwasser ein zusätzliches Risikopotential. Per Luftfracht sind die niedrigen Temperaturen und die daraus resultierenden Kondensatbildungen eine Gefahr für die Qualität der Teile. Schließlich sollte die Handhabung des bestückten Keramiksubstrats bis zum Vergießprozess nach wie vor bevorzugt automatisiert durchführbar sein, damit entsprechende Qualitäten zugesichert werden können. Dies alles macht für den Transport an den jeweiligen Standorten ein zusätzliches automatisiertes Verpacken und Entpacken ebenso notwendig wie zusätzliche Fertigungs-Entnahme- und Zuführungs-Systeme.
Andererseits scheidet eine vollständige Verlagerung der Fertigung „zum Kunden” ebenfalls aus, da zusätzlichen Fertigungslinien nicht ausgelastet wären.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hybridschaltung umfassende Systemkomponente eines Steuergerätes sowie ein Steuergerät mit einer solchen Systemkomponente bereitzustellen, welche ohne aufwendige Be- und Entpackungsmaßnahmen versandfähig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Systemkomponente eines Steuergerätes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß umfasst die Systemkomponente eines Steuergerätes eine mit elektronischen Bauelementen bestückte Hybridschaltung, welche in einer in der Mitte freigearbeiteten Leiterplatte derart eingebettet ist, dass die Hybridschaltung vollständig von der Leiterplatte umschlossen ist. Dabei sind die Hybridschaltung und Leiterplatte auf einem Bodenelement montiert und über Kontaktelemente miteinander kontaktiert. Ein Deckelelement schließlich ist über der Hybridschaltung und den Kontaktelementen so angeordnet, dass die Hybridschaltung von Bodenelement, Deckelelement und Leiterplatte vollständig gegen Umwelteinflüsse gekapselt ist.
Beispielsweise ist hierzu am Deckelelement eine Dichtung ausgebildet. Alternativ oder kumulativ hierzu ist der Hohlraum unter dem Deckelelement mit einem Medium wie einem Gel, einem Kleber oder dergleichen ausgegossen.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist zumindest die Leiterplatte mit dem Bodenelement dichtend verklebt und/oder laminiert.
Zwecks Vermeidung thermisch bedingter Spannungen enthält das Bodenelement zur Wärmeabfuhr Aluminium.
Demgegenüber haben sich Deckelelemente aus einem preiswerten Kunststoff bewährt.
Zur Erleichterung automatisierter Fertigungsprozesse sind als Kontaktelemente zweckmäßiger Weise Bond-Drähte vorgesehen.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind an der sich außerhalb des Deckelelements befindenden Leiterplatte Kontaktstellen ausgebildet, welche insbesondere Kontaktierungen mittels „Wire Bonden”, mittels „Press Fit”-Technologie, mittels „Card Edge”-Steckverbindungen, mittels Löten, mittels Schrauben und/oder mittels Nieten gestatten. Während die Bondflächen der anderen Modulkomponenten (Stecker, Sensoren, ...), welche mittels Wirebonden direkt mit einer Hybridschaltung kontaktiert werden sollten, bislang z. B. mit Nickel-Gold-Legierungen spezialbeschichtet werden mussten, benötigen die Kontakte der Modulkomponenten für z. B. Press Fit-Kontaktierungen nach der Erfindung deutlich preiswertere Oberflächenbeschichtung z. B. aus Nickel-Zinn-Legierungen.
Schließlich gestattet die vorliegende Erfindung eine ortsnahe Anordnung „großer” Bauelemente wie Kondensatoren, Spulen, Quarze oder dergleichen, welche insb. wegen ihrer Masse, Höhe, etc. auf der Hybridschaltung typischerweise nicht verbaut werden können, nämlich auf der Leiterplatte.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Steuergerät mit wenigstens einer zuvor beschriebenen Systemkomponente, wobei ein Steuergerätedeckel das Steuergerät gegenüber dem Bodenelement oder einem separaten Steuergeräteboden unter Beibehaltung einer Kontaktierungsmöglichkeit des Steuergeräts mit peripheren Sensoren und/oder Modulen des Kraftfahrzeuges gegen Umwelteinflüsse kapselt. Soweit mehrere erfindungsgemäße Systemkomponenten im Steuergerät verbaut werden, können diese gemeinsam und/oder (jeweils) einzeln wie beschrieben gegen Umwelteinflüsse gekapselt werden.
Die erfindungsgemäße Systemkomponente eignet sich – wie solche umfassende Gesamtsysteme – insbesondere für Anwendungen in Kraftfahrzeugen, beispielsweise für Getriebe- oder Motorsteuerungen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen erläutert.
Darin zeigen schematisch:
1 in einer perspektivischen Draufsicht eine Systemkomponente nach der Erfindung;
2 die Systemkomponente nach 1 in einer Explosionsdarstellung;
3 in einer perspektivischen Draufsicht ein Steuergerät nach der Erfindung; und
4 das Streuergerät nach 3 in einer Explosionsdarstellung.
Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt in einer perspektivischen Draufsicht eine Systemkomponente 2 nach der Erfindung; 2 die Systemkomponente 2 nach 1 in einer Explosionsdarstellung. Deutlich erkennbar ist, wie die Systemkomponente 2 dergestalt ausgeführt ist, dass alle Arbeitsschritte an einer mit elektronischen Bauelementen 11 bestückten Hybridschaltung 10, insbesondere einer LTCC 10, dergestalt abgeschlossen sind, dass diese 10 kapselbar ist.
Hierzu wird eine Leiterplatte 20 (z. B. PCBs wie FR4) so in der Mitte freigearbeitet, dass die bestückte LTCC 10 in der PCB 20 derart eingebettet werden kann, dass diese von der PCB 20 vollständig umschlossen ist.
Anschließend werden die LTCC 10 und die PCB 20 auf einem vorzugsweise Aluminium enthaltenden Steuergeräte-Gehäuseboden 30 aufgebracht und mittels Wire Bond Drähten 12 miteinander kontaktiert 21.
Zumindest die PCB 20 wird auf dem Steuergeräte-Gehäuseboden 30 dichtend montiert (z. B. verklebt und/oder laminiert, etc.) und dient dem „Wire Bonden” 12 der LTCC 10 als Gegenpartner.
Zusätzlich wird die PCB 20 dazu genutzt, die Kontaktbahnen aus dem später gekapselten, also einem geschlossenen System herauszuführen und für die Leitungsfortführung geeignet enden zu lassen.
Am LTCC-Deckel 40 sind vorzugsweise Rastmittel 45 ausgebildet, welche mit in der PCB 20 ausgebildeten Rastnuten 26 zusammenwirken. Umgekehrte Anordnungen der Rastelemente 26 und 45 sind ebenfalls denkbar.
Über eine Dichtung 41 beispielsweise wird der Deckel 40 zur PCB 20 hin abdichtet. Alternativ oder kumulativ hierzu ist im Deckel 40 ein Stutzen 42 ausgebildet, über welchen der Hohlraum unter dem Deckel 40 zum Schutz gegen Umwelteinflüsse mit einem Gel, einem Kleber (nicht dargestellt) oder dergleichen ausgegossen werden kann. Der Stutzen 42 ist bevorzugt als Presssitz für eine Verschlusskugel 43 ausgebildet, welche den Hohlraum dauerhaft verschließt. Alternativ oder kumulativ kann ein Medium Verwendung finden, dass nach Befüllung aushärtet.
Der Steuergeräte-Gehäuseboden 30, die PCB 20 und der LTCC-Deckel 40 bilden ein hermetisch dichtes System 2 für das LTCC 10, 11 und der Bond-Kontakte 12. Auf diese Weise entsteht eine geschlossene Systemkomponente (2) für ein Steuergerät (1), welches vorteilhaft erstmals ohne aufwendige Verpackungsmaßnahmen etc. versandfähig ist.
Je nach Bedarf und Situation kann dieses versandfähige Teil-Modul 2 mit weiteren Komponenten (Steckern, Sensoren, ...) vormontiert oder zur Endmontage versendet werden. Am Endmontage-Standort wird das Teil-Modul 2 mit den noch zu montierenden Komponenten zu einem Steuergerät 1 komplettiert.
3 zeigt in einer perspektivischen Draufsicht, 4 in einer Explosionsdarstellung, ein solches Steuergerät 1, insb. für Getriebe- oder Motorsteuerungen eines Kraftfahrzeuges, wenigstens umfassend eine Systemkomponente 2 wie zuvor beschrieben.
Deutlich erkennbar ist, wie ein weiterer Steuergerätedeckel 50 die gesondert gekapselte Systemkomponente 2 nebst weiterer Bauelemente 25 gegenüber dem Bodenelement 30 oder einem separaten Steuergeräteboden (nicht dargestellt) unter Beibehaltung einer Kontaktierungsmöglichkeit 23, 24, 25 des Steuergeräts 1 mit peripheren Sensoren und/oder Modulen (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeuges gegen Umwelteinflüsse kapselt.
Für das Design des Gesamtsystems 1 gibt es – ebenso wie für die Systemkomponente 2 – keinerlei Einschränkungen. Es kann genauso hermetisch dicht (oder auch nicht) konstruiert und ausgeführt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Systemkomponente 2 ist es erstmals möglich, die Hybrid-Fertigung an einen Standort zu zentralisieren und dennoch die Vorteile wie niedrige Lohn-Teilkosten, geringere Einfuhrzölle, etc. anderer Standorte zu nutzen.
Bei der Verlagerung bzw. Aufteilung bedarf es keiner neuen oder vollständigen Qualifizierung des Gesamtsteuergeräts 1, da die Komponenten nicht verändert, sondern nur an anderen Orten gefertigt bzw. endmontiert werden.
Darüber hinaus wird keine weitere bzw. neue Technologie notwendig, um das Vormontageprodukt 2 herzustellen. Insbesondere lassen sich bereits eingeführte Fertigungsprozesse nutzten, um die bestückte LTCC 10 versandfähig zu machen.
Das bestückte LTCC 10 wird nach den Gesichtspunkten der Prozess- und Qualitätsthematik korrekt verarbeitet und geschützt.
Die notwendige Anbindung der LTCC 10 z. B. auf einem Aluminiumträger 30 (Stichworte: Wärmeausdehnung und Wärmeabfuhr) ist ebenso umsetzbar, wie dieser Träger 30 weiterhin zugleich als Steuergeräte-Gehäuseboden 30 ein Bestandteil des Endproduktes 1 ist.
Die zusätzlich notwendigen Komponenten (der LTCC-Deckel 40 mit Dichtung 41 und die PCB 20) sind finanziell betrachtet wenig aufwendige Teile.
Auch können sich in vorteilhafter Weise mehrlagige Leiterplatten 20 genutzt werden, um das LTCC 10 weiter zu entflechten bzw. um Kontaktstellen 22, 23, 24 außerhalb des geschlossenen Moduls 2 an gewünschte, besser geeignete Positionen zu führen.
An der Leiterplatte 20 kann mit einfachen und verschiedenen Verfahren die weitere Kontaktierung 22, 23, 24 fortgeführt werden, zum Beispiel mit „Wire Bonden” 22, mit „Press Fit”-Technologie 23, mit Card Edge”-Steckverbindungen 24, mittels Löten, mittels Schrauben, mittels Nieten, etc. (letztere nicht dargestellt).
Wenn eine weitere flexible Leiterbahn 27 (sog. Flexfolie) eingesetzt werden sollte, kann dies mit einzelnen Streifen umgesetzt werden, was zu einer Erhöhung der Nutzen-Ausbringung führt, da kostenintensive, das LTCC 10 umschließende Flexfolien wie im Stand der Technik nicht mehr notwendig sind.
Dadurch, dass eine starre Leiterplatte 20 bereits als Systempartner im Dichtsystem 2 für das versandfähige Keramiksubstrat 10 verwendet wird, können die zusätzlichen Kontaktierungsmöglichkeiten (Press Fit-23 bzw. Card Edge-24-Kontaktierungen) für stromführende Modulkomponenten wie Steckern, Sensoren, ... ohne zusätzliche Kosten eingesetzt werden, was die Gesamtkosten weiter reduziert.
Darüber hinaus lassen sich größere Bauteile 25 wie z. B. Kondensatoren, Spulen, Quarze, etc., welche wegen ihrer Masse, Höhe, etc. gemeinhin nicht auf einem Kermiksubstrat-Schaltungsträger 10 verbaut werden können, auf der bereits vorhandenen starren Leiterplatte 20 aufbringen und mit den vorher genannten Verbindungstechniken kontaktieren.
Schließlich sind die z. B. Nickel-Zinn oberflächenbeschichteten Kontakte der Modulkomponenten für z. B. Press Fit-Kontaktierung 23 deutlich kostengünstiger als spezialbeschichtete Bondflächen aus z. B. Nickel-Gold. Auch sind die Halbzeuge (Bleche, Coils) für die Pins bereits mit dieser Beschichtung standardmäßig am Markt erwerbbar.
Die erfindungsgemäße Systemkomponente 2 ermöglicht somit erstmals dezentrale Fertigungsprozesse und eignet sich – wie solche umfassende Gesamtsysteme 1 – insbesondere für Anwendungen in Kraftfahrzeugen, beispielsweise für Getriebe- oder Motorsteuerungen.

Claims

Systemkomponente (2) eines Steuergerätes (1), insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen eines Kraftfahrzeuges, aufweisend eine mit elektronischen Bauelementen (11) bestückte Hybridschaltung (10), welche in einer in der Mitte freigearbeiteten Aussparung der Leiterplatte (20) angeordnet ist, wobei – die Hybridschaltung (10) und die Leiterplatte (20) auf einem Bodenelement (30) angeordnet sind; – die Hybridschaltung (10) mit der Leiterplatte (20) über Kontaktelemente (12; 21) miteinander kontaktiert ist; und wobei – über der Hybridschaltung (10) und den Kontaktelementen (12; 21) ein Deckelelement (40) angeordnet ist, so dass die Hybridschaltung (10) von dem Bodenelement (30), dem Deckelelement (40) und der Leiterplatte (20) vollständig gekapselt ist.
Systemkomponente (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Deckelelement (40) eine Dichtung (41) angeordnet ist.
Systemkomponente (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum unter dem Deckelelement (40) mit einem Medium ausgegossen ist.
Systemkomponente (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (20) mit dem Bodenelement (30) dichtend verklebt und/oder laminiert ist.
Systemkomponente (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenelement (30) Aluminium enthält.
Systemkomponente (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelelement (40) aus einem Kunststoff besteht.
Systemkomponente (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kontaktelemente Bond-Drähte (12) vorgesehen sind.
Systemkomponente (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Deckelelements (40) an der Leiterplatte (20) Kontaktstellen (22, 23, 24) ausgebildet sind.
Systemkomponente (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen (22, 23, 24) Kontaktierungen mittels „Wire Bonden” (22), mittels „Press Fit”-Technologie (23), mittels „Card Edge”-Steckverbindungen (24), mittels Löten, mittels Schrauben und/oder mittels Nieten gestatten.
Systemkomponente (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bauelemente (25), welche auf der Hybridschaltung (10) typischerweise nicht verbaut werden können, auf der Leiterplatte (20) angeordnet sind.
Steuergerät (1), insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen eines Kraftfahrzeuges, wenigstens aufweisend eine Systemkomponente (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Steuergerätedeckel (50), welcher das Steuergerät (1) gegenüber dem Bodenelement (30) oder einem Steuergeräteboden unter Beibehaltung einer Kontaktierungsmöglichkeit des Steuergeräts mit peripheren Sensoren und/oder Modulen des Kraftfahrzeuges kapselt.