DE102005015717A1 - Elektrische Schaltungsanordung - Google Patents

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Gerhard Wetzel
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Abstract

Elektrische Schaltungsanordnung (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Schaltungsträger (12) mit elektrischen Schaltungselementen (16) und eine der elektrischen Anbindung des Schaltungsträgers (12) dienende Verbindungseinrichtung (18), wobei die Schaltungsanordnung (1) in einem gegenüber einer Umgebung abgedichteten Gehäuse (10) angeordnet ist, wobei auf einem innerhalb des Gehäuses (10) liegenden Bereich der Verbindungseinrichtung (18) elektrische Bauelemente (38) angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät (2) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Automatikgetriebe eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Schaltungsanordnung (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Schaltungsträger mit elektrischen Schaltelementen und eine der elektrischen Anbindung des Schaltungsträgers dienende Verbindungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Automatikgetriebe eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
  • Elektrische Schaltungsanordnungen mit einem Schaltungsträger und einer Verbindungseinrichtung sind bekannt. Soll der Schaltungsträger der Schaltungsanordnung besonders belastbar sein, so wird er vorzugsweise als keramischer Schaltungsträger ausgeführt, insbesondere als Hybridkeramik oder als LTCC (low temperature cofire ceramic). Diese Schaltungsträger, auch Bauelementeträger genannt, sind mit den elektronischen Bauelementen bestückt. Um die elektrische Anbindung des Schaltungsträgers an weitere elektrische Komponenten, wie zum Beispiel Stellelemente, Sensoren oder Stecker, zu realisieren, wird eine Verbindungseinrichtung verwendet, die beispielsweise mit in Kunststoff eingespritzten, metallischen Stanzgittern oder flexiblen Leiterplatten (FPC, flexible printed circuit) realisiert wird. Schaltungsanordnungen, die besonderen schädlichen Einflüssen ausgesetzt sind, beispielsweise in einem Automatikgetriebe durch das Automatikgetriebeöl, wird der Schaltungsträger mit allen passiven und aktiven Bauelementen in einem dichten Gehäuse untergebracht. Ein solches Gehäuse weist insbesondere eine metallische Grundplatte auf, die durch geeignete Maßnahmen mit einer thermischen Senke gekoppelt ist, um Verlustleistungen der Bauelemente, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen (bis cirka 150°C) abzuführen. Aus dem dichten Gehäuse werden die elektrischen Verbindungen mittels der Verbindungseinrichtung herausgeführt. Schaltungsanordnungen der genannten Art haben sich bewährt, doch verbleibt der Wunsch, die Kosten einer solchen Schaltungsanordnung zu senken, die insbesondere durch den keramischen Schaltungsträger bestimmt werden. Eine Flächenreduzierung ist allerdings nur in begrenztem Maße möglich, zum Beispiel durch feinere Strukturen der elektrischen Verbindungen auf dem Schaltungsträger oder durch Hochintegration der Bauelemente, was jedoch zu einer erheblichen Erhöhung der Herstellungskosten führt. In der Offenlegungsschrift DE 101 30 833 A1 wird vorgeschlagen, die Bauelemente direkt auf einer flexiblen Leiterplatte zu kontaktieren. Nachteilig ist dabei jedoch einerseits, dass die Leiterplatte gewissermaßen als Isolator wirkt und lediglich eine begrenzte Wärmeabfuhr ermöglicht. Andererseits wird, bedingt durch den Herstellungsprozess der Leiterplatte, eine sehr grobe Kontaktstruktur notwendig, weshalb hochintegrierte Bauelemente beziehungsweise Bauelemente mit sehr vielen Anschlüssen nicht eingesetzt werden können.
  • Vorteile der Erfindung
  • Bei einer elektrischen Schaltungsanordnung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Schaltungsträger mit elektrischen Schaltungselementen und eine der elektrischen Anbindung des Schaltungsträgers dienende Verbindungseinrichtung, wobei die Schaltungsanordnung in einem gegenüber einer Umgebung abgedichteten Gehäuse angeordnet ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass auf einem innerhalb des Gehäuses liegenden Bereich der Verbindungseinrichtung elektrische Bauelemente angeordnet sind. Es sei zunächst darauf hingewiesen, dass unter dem Begriff des elektrischen Schaltungselements auch elektronische Schaltungselemente zu verstehen sind. Ferner soll unter dem Begriff Schaltungselemente jene Bauelemente verstanden werden, die auf dem Schaltungsträger angeordnet sind. Es kann sich also auch bei einem Schaltungselement um ein beliebiges elektrisches Bauelement handeln. Die Begrifflichkeit wird eingeführt, um eine Verwirrung zwischen einem auf dem Schaltungsträger angeordneten Bauelement (Schaltungselement) und einem der Verbindungseinrichtung zugehörigen Bauelement zu verhindern. Durch die Anordnung von Bauelementen auf der Verbindungseinrichtung, insbesondere solcher Bauelemente, die nicht auf eine feine Kontaktstruktur angewiesen sind, ergibt sich die Möglichkeit Schaltungsfläche auf dem Schaltungsträger einzusparen und Kostenvorteile zu erreichen. Auf dem nunmehr kleineren Schaltungsträger können weiterhin hochintegrierte Bauelemente mit feiner Kontaktstruktur und vielen Anschlüssen zum Einsatz kommen. Daher bleibt bei der Erfindung eine kleine Baugröße des Steuergeräts erhalten oder kann sogar verbessert werden. Die Verbindungseinrichtung wird also nicht mehr nur als solche, sondern auch als Träger von Bauelementen genutzt. Dabei ergibt sich zudem der Vorteil, dass auf der Verbindungseinrichtung Bauelemente eingesetzt werden können, die für eine Montage und Kontaktierung auf dem Schaltungsträger weniger oder nicht geeignet sind. Des Weiteren ergibt sich der Vorteil, dass auch noch nach Fertigstellung des Schaltungsträgers andere beziehungsweise erhöhte Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit berücksichtigt werden können. So können die für die Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit notwendigen Bauelemente (zum Beispiel Kondensatoren) auf die Verbindungseinrichtung kontaktiert werden, ohne dass eine aufwendige Überarbeitung des Schaltungsträgers (insbesondere ein neues Layout) erfolgen muss und/oder ohne dass ein gegebenenfalls vergrößerter Schaltungsträger benötigt wird. Da die Schaltungsanordnung in einem Gehäuse angeordnet ist, lässt sie sich auf einfache Weise vor Umwelteinflüssen, insbesondere durch Flüssigkeiten, schützen und lassen sich platz- und/oder kostensparende Anordnungen der Schaltungsanordnung realisieren.
  • Vorteilhafterweise ist die Verbindungseinrichtung als Leiterplatte, flexible Leiterplatte oder flexible Folie ausgeführt. Dadurch lassen sich die Produktionskosten gering halten. Insbesondere kann die Kontaktierung der Bauelemente zur (flexiblen) Leiterplatte und von der Leiterplatte zum Schaltungsträger so gestaltet werden, dass eine kostengünstige, lediglich einlagige Leiterplatte eingesetzt werden kann.
  • Bevorzugt ist die Verbindungseinrichtung als Stanzgitter ausgeführt. Dadurch ergibt sich eine besonders stabile Verbindungseinrichtung.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Schaltungsträger als keramischer Schaltungsträger, insbesondere als LTCC-Schaltungsträger ausgeführt. Somit lässt sich eine Schaltungsanordnung für besonders herausfordernde Umweltbedingungen (insbesondere hohe Umgebungstemperaturen) verwirklichen.
  • Es ist vorteilhaft, wenn das Gehäuse ein Bodenelement und ein Deckelelement aufweist, wobei das Deckelelement ein umlaufendes Dichtelement zur Abdichtung gegenüber dem Bodenelement aufweist. Auf diese Weise lässt sich eine sichere Abdichtung mit einem kostengünstigen Herstellungsprozess kombinieren.
  • Vorteilhafterweise weist die Verbindungseinrichtung passive Bauelemente, insbesondere ausschließlich passive Bauelemente, auf. Zwar ist es grundsätzlich ebenso möglich, dass die Verbindungseinrichtung auch aktive Bauelemente mit geringer Anschlusszahl (Anzahl der Anschlüsse/Kontakte) aufweist, doch können passive Bauelemente aufgrund der regelmäßig geringeren oder nicht vorhandenen Verlustwärme und der geringeren Anschlusszahl besonders einfach auf der Verbindungseinrichtung angeordnet werden. Soll ein aktives Bauelement, oder allgemein ein Bauelement mit erhöhter Verlustleitung, auf die Verbindungseinrichtung ausgelagert werden, so kann die Ableitung der Verlustleistung -falls notwendig- mittels einer thermischen Kopplung an eine thermische Senke (zum Beispiel eine metallische Grundplatte) bewerkstelligt werden.
  • Mit Vorteil sind Bauelemente auf der Verbindungseinrichtung durch Kleben, Leitkleben, Löten oder Schweißen befestigt. Dies sichert weitere Kostenvorteile bei der Herstellung der Schaltungsanordnung. Je nach Bedarf und dem jeweiligen Bauelement können stets dasselbe aber auch verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen.
  • Bevorzugt sind der Schaltungsträger und/oder die Verbindungseinrichtung auf einer Grundplatte angeordnet. Dies trägt zur mechanischen Stabilität der Schaltungsanordnung bei und ermöglicht im Falle einer thermisch leitenden Grundplatte, insbesondere einer metallischen Grundplatte, eine einfache Abfuhr von während des Betriebs entstehender Verlustleistung.
  • Vorteilhafterweise sind die Schaltungselemente durch Bondverbindungen mit dem Schaltungsträger verbunden. Dies stellt eine günstige Verbindungstechnik zur Anbindung der Schaltungselemente dar. Es sei darauf hingewiesen, dass zusätzlich oder alternativ der Schaltungsträger über Bondverbindungen mit der Verbindungseinrichtung und/oder die Bauelemente mit der Verbindungseinrichtung verbunden werden können.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Automatikgetriebe eines Kraftfahrzeugs, aufweisend eine Schaltungsanordnung mit einem oder mehreren der zuvor genannten Merkmale.
    •
  • Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltungsanordnung in einem Gehäuse in einer Schnittansicht,
  • 2 die Integration eines Bauelements mit erhöhter Verlustleistung in der Verbindungseinrichtung, und
  • 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltungsanordnung in einer Draufsicht.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt eine Schnittansicht durch eine elektrische Schaltungsanordnung 1, die in einem Gehäuse 10 angeordnet ist. Die Schaltungsanordnung 1 dient hier als elektronisches Steuergerät 2 zur Steuerung von Automatikgetrieben in einem Kraftfahrzeug. Die Schaltungsanordnung 1 weist einen Schaltungsträger 12, hier ein LTCC-Schaltungsträger 14, mit mehreren darauf angeordneten elektrischen Schaltungselementen 16 und eine der elektrischen Anbindung des Schaltungsträgers 12 dienende Verbindungseinrichtung 18 auf. Die Verbindungseinrichtung 18 ist hier als flexible Leiterplatte 20 ausgeführt. Der Schaltungsträger 12 und die Verbindungseinrichtung 18 sind auf einer gemeinsamen metallischen Grundplatte 22 befestigt, in diesem Fall aufgeklebt. Das Gehäuse 10 weist ein Deckelelement 24 mit einem umlaufenden Dichtelement 26 auf, wobei die Grundplatte 22 – und je nach Betrachtungsweise auch ein Teil der Verbindungseinrichtung 18 – ein Bodenelement 28 darstellt. In der Verbindungseinrichtung 18 sind Leiterbahnen 30 geführt. Die Schaltungselemente 16 sind auf dem Schaltungsträger 12 befestigt und hier durch Bondverbindungen 32 mit dem Schaltungsträger 12 kontaktiert. Die Kontaktierung und Montage von Bauelementen kann auch mittels Klebung (Leitkleber), Lötung oder Flip-Chip-Lötung er folgen. Über weitere Bondverbindungen 34 ist der Schaltungsträger 12 mit den Leiterbahnen 30 der flexiblen Leiterplatte 20 kontaktiert.
  • In dem abgedichteten Raum 36 ist (mindestens) ein elektrisches Bauelement 38 auf der Verbindungseinrichtung 18 befestigt, vorzugsweise geklebt, und mit mindestens einer Leiterbahn 30 kontaktiert. Wie in der 1 dargestellt, kann die Kontaktierung wieder über eine Bondverbindung 40 erfolgen. Es sind jedoch auch alle anderen Prozesse, wie zum Beispiel Leitkleben, Löten, Schweißen etc. denkbar. Im dargestellten Fall ist das Bauelement 38 also auf der Oberfläche der Verbindungseinrichtung 18 angeordnet. Dies bedeutet, dass im Bauelement 38 gegebenenfalls entstehende Verlustwärme durch die Verbindungseinrichtung 18 hindurch zur Grundplatte 22 abgeführt wird. Dies bedeutet, dass sich nur ein begrenzter Wärmefluss zwischen dem Bauelement 38 und der Grundplatte 22 einstellen kann. Dies ist bei Bauelementen 38, die keine oder nur geringe Verlustleistungen aufweisen, wie zum Beispiel bei Kondensatoren oder Widerständen mit geringer Verlustleistung, ausreichend.
  • In der 2 wird anhand eines Ausschnitts im Inneren eines Gehäuses 10 einer Schaltungsanordnung 1 eine Möglichkeit gezeigt, auch ein Bauelement 38 mit hoher Verlustleistung in die Verbindungseinrichtung 18 auszulagern. Hierzu weist die Verbindungseinrichtung 18 eine Ausnehmung 42 auf. In diese Ausnehmung 42 wird das Bauelement 38, auf einer Klebstoffschicht 44 ruhend, eingesetzt. Da der vom Bauelement 38 ausgehende Wärmestrom nun lediglich die Klebstoffschicht 44 durchqueren muss, kann die für den Betrieb des Bauelements 38 benötigte Wärmeabfuhr sichergestellt werden. Es ist demnach möglich, sowohl Bauelemente 38 ohne beziehungsweise mit geringer Verlustleistung als auch solche mit erhöhter Verlustleistung in die Verbindungseinrichtung 18 auszulagern.
  • 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltungsanordnung 1. Zur besseren Orientierung wurde das Deckelelement 24 mit einer strichgepunkteten Linie angedeutet. In der Mitte der Figur ist wieder ein Schaltungsträger 12 zu erkennen, der entlang seiner äußeren Begrenzung von einer Verbindungseinrichtung 18 beabstandet ist. In dem freien Bereich ist daher die Grundplatte 22 zu sehen. Die Verbindungseinrichtung 18, die wiederum als flexible Leiterplatte 20 ausgeführt ist, weist mehrere Leiterbahnen 30 auf. An den dargestellten Endpunkten sind die Leiterbahnen 30 mittels Bondverbindungen 34 auf den Schaltungsträger 12 kontaktiert. Auf dem Schaltungsträger 12 sind drei Schaltungselemente 16 angeordnet. Auf der Verbindungseinrichtung 18 sind vier Bauelemente 38 angeordnet, die hier in SMD-Löttechnik befestigt sind.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel lässt sich besonders gut der Vorteil der Bondverbindungen 34 erkennen: Da die Bauelemente 38 sowohl von außerhalb des dichten Raums 36 als auch vom Schaltungsträger 12 her kontaktiert werden müssen, lassen sich Überkreuzungen in der Leitungsführung oftmals nicht vermeiden. Da sich mittels der Bondverbindungen 34 elektrische Verbindungen auch über andere elektrische Verbindungen, zum Beispiel die Leiterbahn 30, hinwegführen lassen, ist es nicht erforderlich, die Überkreuzung auf der Verbindungseinrichtung 18 zu realisieren. Es kann daher trotz der überkreuzenden Leitungsführung eine kostengünstige, einlagige flexible Leiterplatte 20 eingesetzt werden.
  • Die Verbindungseinrichtung 18 hat somit zusätzlich zur bekannten Funktion, die elektrische Schaltungsanordnung 1 elektrisch anzubinden, die Aufgabe, Bauelemente 38 aufzunehmen. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, hochintegrierte Schaltungselemente 16 (feine Kontaktierungsstruktur, zum Beispiel 25 μm Goldbonds) auf dem Schaltungsträger 12 anzuordnen und Bauelemente 38 mit gröberem Kontaktraster auf die Verbindungseinrichtung 18 auszulagern.

Claims (10)

  1. Elektrische Schaltungsanordnung (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Schaltungsträger (12) mit elektrischen Schaltungselementen (16) und eine der elektrischen Anbindung des Schaltungsträgers (12) dienende Verbindungseinrichtung (18), wobei die Schaltungsanordnung (1) in einem gegenüber einer Umgebung abgedichteten Gehäuse (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeich net, dass auf einem innerhalb des Gehäuses (10) liegenden Bereich der Verbindungseinrichtung (18) elektrische Bauelemente (38) angeordnet sind.
  2. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (18) als Leiterplatte, flexible Leiterplatte (20) oder flexible Folie ausgeführt ist.
  3. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (18) als Stanzgitter ausgeführt ist.
  4. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (12) als keramischer Schaltungsträger, insbesondere als LTCC-Schaltungsträger (14) ausgeführt ist.
  5. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) ein Bodenelement (28) und ein Deckelelement (24) aufweist, wobei das Deckelelement (24) ein umlaufendes Dichtelement (26) zur Abdichtung gegenüber dem Bodenelement (28) aufweist.
  6. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (18) passive Bauelemente (38) aufweist.
  7. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bauelemente (38) auf der Verbindungseinrichtung (18) durch Kleben, Leitkleben, Löten oder Schweißen befestigt sind.
  8. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (12) und/oder die Verbindungseinrichtung (18) auf einer Grundplatte (22) angeordnet sind.
  9. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungselemente (16) durch Bondverbindungen (32) mit dem Schaltungsträger (12) verbunden sind.
  10. Steuergerät (2) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Automatikgetriebe eines Kraftfahrzeugs, gekennzeichnet durch eine elektrische Schaltungsanordnung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
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