-
Die
Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil für integrierte
Mechatroniken gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen elektronischen Bauteils, insbesondere
für Getriebe- oder Motorsteuerungen in der Automobilindustrie.
-
Elektronische
Bauteile für integrierte Mechatroniken und insbesondere
Steuergeräte weisen im Allgemeinen eine Vielzahl an elektronischen
Komponenten auf, welche in Verbindung mit anderen Komponenten außerhalb
des Steuergerätes stehen. Sie werden normalerweise in spezielle
Gehäuse eingesetzt, um sie gegen Umwelteinflüsse
oder mechanische Beanspruchungen zu schützen. Zudem erfüllen die
Gehäuse eine wichtige Abschirmfunktion. Diese Funktionen
werden umso wichtiger, je mehr Komponenten als integrierte Mechatroniken,
das heißt insbesondere Steuerelektroniken, die direkt vor
Ort beispielsweise in einem Getriebe oder in einem Motor, eingesetzt
werden. Sie unterliegen einer Vielzahl von umgebungsabhängigen
Anforderungen. Neben der Langzeitstabilität und Ausfallsicherheit
der Steuerung stehen die erhöhten Betriebstemperaturen,
die chemische Beanspruchung durch das Motor- oder Getriebeöl
sowie die durch die ständige Vibrationsbelastung mechanisch
anspruchsvolle Umgebung des Motors oder Getriebes im Vordergrund.
Daher ist es unerlässlich, dass die empfindlichen Elektroniken
soweit wie möglich vor diesen Einflüssen geschützt werden.
-
Um
eine verlässliche Abdichtung zur Umgebung außerhalb
des Gehäuses zu ermöglichen, ist eine entsprechend
abgedichtete und langzeitstabile Verbindung des Gehäusedeckels
mit dem Gehäuseboden notwendig.
-
Stand der Technik
-
Die
DE 10 2004 033 559
A1 beschreibt einen dreiteiligen Aufbau eines Gehäuses
für ein elektronisches Bauteil, der einen Gehäusedeckel,
mindestens eine Gehäusewand und einen Gehäuseboden
zur Abdeckung des Elektroniksubstrates aufweist. Eine Abdichtung
des Gehäusedeckels mit der Gehäusewand und/oder
dem Boden wird dadurch ermöglicht, dass eine spezielle
Dichtmasse eingebracht wird. Zusätzlich kann die Dichtmasse
gemäß der zitierten Druckschrift als weitere Funktion
die Verklebung zwischen Gehäusewand und dem Gehäuseboden und/oder – deckel
herstellen.
-
Der
Nachteil dieser Anordnung liegt darin, dass bei dem Dichtmaterial
im Laufe der Lebensdauer eines solchen Steuergeräts Ermüdungserscheinungen
auftreten können, insbesondere in einem stark aggressiven
Umfeld wie bei Getriebe-Steuergeräten, die von chemisch
stark angreifendem Getriebeöl umgeben sind und gleichzeitig
hohen Temperaturen standhalten müssen. Daher wird zur dichten
Fixierung des Deckels meist ein Vernieten oder Verschrauben vorgesehen.
-
Die
DE 33 15 655 A1 beschreibt
eine elektrische Verbindung mittels flexiblen Leiterbahnen. Die flexiblen
Leiterbahnen werden an einer Verbindungsstelle zwischen dem Gehäuseboden
und dem Deckel eingelegt und sind ebenfalls über Formdichtungen mit
dem Gehäuseboden und dem Deckel abgedichtet. Diese flexiblen
Leiterbahnen können von der Verbindungsstelle direkt an
das elektrische Bauteil im Gehäuseinnern geführt
werden. Dadurch ist die Anordnung der Komponenten relativ flexibel.
-
Darüber
hinaus ist aus der
DE
199 14 469 C1 eine Anordnung zur dichten Durchführung
einer flexiblen Leiterplatte durch eine Gehäusewandfuge
bekannt, bei der im Fugenbereich zwei Formdichtungen mit einem Dichtprofil
angeordnet sind, die beim Zusammenfügen der beiden Gehäusewandteile
eine Längsverschiebung der flexiblen Leiterplatte hervorruft.
-
Auch
hier besteht jedoch jeweils der Nachteil, dass die Abdichtung mittels
Formdichtungen den hohen Ansprüchen sowohl in Bezug auf
die mechanische/vibratorische Beanspruchung als auch in Bezug auf
die chemische Stabilität über die gesamte Lebensdauer
des Steuergeräts gerade in aggressiver Umgebung nicht standhält
und daher die Fixierung des Gehäusedeckels zusätzlich über
Maßnahmen wie Vernieten oder Verschrauben geschieht.
-
Auch
die
DE 10 2004
021 931 A1 beschreibt ein Dichtungskonzept zur Abdichtung
des Gehäuses für eine elektronische Schaltung.
Zusätzlich zu mechanischen Halteeinrichtungen wie Nieten
wird hier eine flächige Dichtung unterhalb des Deckels
in Form eines Klebemittels beschrieben.
-
Nachteilig
an dem beschriebenen Dichtungskonzept ist, dass die als Dichtung
wirkenden Klebemittel chemisch inkompatibel zu speziellen Getriebeölen
sein können. Diese Inkompatibilität kann zu Undichtigkeiten
führen und kann insbesondere dann auftreten, wenn das Getriebeöl
als dauerhafte Umgebung der integrierten Elektronik einen hohen
Säurewert aufweist. Damit ist das Dichtungskonzept nicht ohne
Prüfung und Kenntnis der späteren Einsatzumgebung
einzusetzen. Gerade im Automobilbau sind Typen-spezifische Lösungen
im Gegensatz zu universellen Lösungen jedoch unerwünscht,
um den mit einer Vielfalt von Einzelanwendungen verbundenen Aufwand
klein halten zu können.
-
Aufgabenstellung
-
Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Gehäuse für ein
elektronisches Steuergerät mit einer elektronischen Verbindung
zwischen dem Gehäuseinnenraum und dem Gehäuseaußenraum
bereit zu stellen, welche eine einfache und Platz sparende Fixierung
des Gehäusedeckels bereitstellt. Zudem soll die Abdichtung der
Durchführung der elektrischen Verbindung hermetisch dicht
sein und hohen mechanischen und chemischen Beanspruchungen über
die gesamte Lebensdauer des Steuergerätes standhalten,
auch bei hohen Temperaturen und speziellen chemischen Beanspruchungen
beispielsweise durch Getriebeöl.
-
Dies
wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung entsprechend
des Patentanspruchs 1 sowie mit Verfahren zur Herstellung einer
solchen Vorrichtung gemäß der Ansprüche
7 und 8 erreicht.
-
Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, ein elektronisches Bauteil für eine integrierte
Mechatronik mit einem Gehäusedeckel, mindestens einer elektrischen
Verbindung in Form einer Leiterplatte und mit einem Gehäuseboden
bereit zu stellen, in dem der Gehäusedeckel so ausgestaltet
ist, dass er im Randbereich planare Bereiche aufweist, die mittels
mindestens einer Klebefolie mit der elektrischen Verbindung und/oder
dem Gehäuseboden verklebt werden können.
-
Dadurch
kann zum einen die Funktion des Dichtmaterials und insbesondere
der Formdichtungen von der Funktion der Fixierung mittels Klebens getrennt
werden. Insbesondere werden aufwändige Verklebungen der
Formdichtung auf die elektrische Verbindung und/oder auf den Gehäuseboden überflüssig,
die auf die Lebensdauer der Formdichtung einen negativen Einfluss
haben können. Zum anderen ermöglicht diese Anordnung
eine flexible Auswahl der Materialien für die Formdichtung,
die erfindungsgemäß keine Kompatibilität
zu Klebern aufweisen muss. Darüber hinaus wird im Gegensatz
zum Stand der Technik ein Vernieten, Verschrauben oder mechanisches
Verspannen des Gehäusedeckels überflüssig.
-
Als
elektrische Verbindung kann eine an sich bekannte Leiterplatte verwendet
werden. Vorteilhafter Weise besteht die elektrische Verbindung aus
einer PCB-Leiterplatte mit Leiterbahnen.
-
Zur
Ermöglichung der späteren Aufbringung des Gehäusedeckels
mittels Klebens muss erfindungsgemäß keine spezielle
Fläche auf der Oberfläche der elektrischen Verbindung
und/oder des Gehäusebodens angeordnet sein, wie es beispielsweise bei
einer Befestigung mittels Löten der Fall ist. Die Klebefolie
ist bevorzugt mit der jeweiligen Oberfläche der Leiterplatte
gänzlich kompatibel.
-
Der
optional unterhalb der Leiterplatte angeordnete Gehäuseboden
besteht bevorzugter Weise aus einem Kunststoff oder einem metallischen
Material, besonders bevorzugt ist er aus Aluminium. In einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung wird die flexible Leiterplatte
auf den metallischen Gehäuseboden auflaminiert. Dies stellt
eine verlässliche und kostengünstige Fixierung
sicher.
-
Der
Gehäusedeckel kann aus jedem Material bestehen, das ein
Verkleben mit der Oberfläche der elektrischen Verbindung
und/oder des Gehäusebodens erlaubt und gleichzeitig die
notwendigen EMV-Abschirmwerte mitbringt. Beispielsweise kann ein
einfacher oder metallisierter Kunststoff-Formkörper eingesetzt
werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Gehäusedeckel
jedoch ebenfalls aus einem metallischen Material wie beispielsweise Stahlblech
oder Aluminium gefertigt. Dadurch ergeben sich eine erhöhte
Langzeitstabilität und verbesserte Abschirmwerte über
die gesamte Lebensdauer des Steuergeräts. Zudem kann damit
eine hohe Diffusionsdichte des Deckels erzielt werden.
-
Bevorzugt
weist der Gehäusedeckel an seiner Unterseite einen umlaufenden
Bereich wie beispielsweise eine Vertiefung oder eine Nut auf, die
als Aufnahme der Formdichtung geeignet sind und deren Konturen abbilden.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der
mindestens eine Verklebungsbereich des Gehäusedeckels innerhalb
der umlaufenden Vertiefung der Leiterplatte zur Aufnahme der Formdichtung
angeordnet.
-
Gleichermaßen
bevorzugt kann der Verklebungsbereich des Gehäusedeckels
in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung auch außerhalb
der Vertiefung der Leiterplatte zur Aufnahme der Formdichtung angeordnet
sein.
-
Die
Verklebung des Gehäusedeckels mit der entsprechenden Aufsatzfläche
der Flexfolie und/oder des Gehäusebodens kann bevorzugt
durch das Auflaminieren mindestens einer Klebefolie erzielt werden,
die durch Wärme und Druck vernetzt wird. Die Klebefolie
kann einstückig ausgestaltet sein oder aus mehreren einzelnen
Teilstücken bestehen. Besonders bevorzugt wird als Klebefolie
eine vorvernetzbare Acrylklebefolie eingesetzt, wie sie auch zur
Auflaminierung der Flexfolien auf den Gehäuseboden eingesetzt
wird. Als Material für die Klebefolie kann neben der vorgenannten
Acrylfolie auch ein System auf Epoxy- oder Phenolbasis eingesetzt
werden.
-
Durch
den Einsatz des gleichen Materials und des gleichen Verfahrens zur
Laminierung der flexiblen Leiterplatten und erfindungsgemäß auch
zur Fixierung des Gehäusedeckels können vorteilhafterweise
Synergien genutzt werden, die zu erheblichen Kostenreduktionen führen
können.
-
Zur
Herstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen
Bauteils für eine integrierte Mechatronik wird mindestens
eine elektronische Verbindung auf den Gehäuseboden aufgebracht,
die Verbindungen zu den elektronischen Komponenten im Inneren des
Gehäuses und zu den außerhalb des Gehäuses liegenden
Komponenten hergestellt, eine Formdichtung eingelegt und anschließend
der Gehäusedeckel direkt auf den entsprechenden Bereich
der elektronischen Verbindung und/oder des Gehäusebodens durch
Verkleben fixiert.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Gehäusedeckel
eine zusätzliche elektrische Isolationsschicht auf.
-
Dies
ist gerade für solche Einsatzgebiete interessant, in denen
die isolierende Wirkung des Klebers und der Dichtung zwi schen Gehäusedeckel
und Leiterplatte nicht ausreichend ist. Hierzu kann der Gehäusedeckel
durch Eloxieren, Emaillieren oder Lackieren mit elektrisch isolierenden
Lacken behandelt sein.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Aussparung zur
Aufnahme der Formdichtung umlaufend im Randbereich des Gehäusebodens
angeordnet sein.
-
Damit
schließt die Erfindung auch so genannte Stand-Alone-Elektronikgehäuse
ein, die im Gegensatz zu den integrierten Steuerelektroniken keine
außerhalb des Gehäusedeckels heraus ragenden Leiterplattenverbindungen
zu den peripheren Komponenten aufweisen. Das Prinzip der Trennung der
Funktionalitäten der Dichtung einerseits und der Laminierung
zur mechanischen Befestigung andererseits mit den damit verbundenen
Vorteilen der weiteren Materialauswahl wird damit auch für
diese Art der Steuerelektroniken zur Verfügung gestellt.
-
Verbindungen
zwischen den außerhalb des Gehäuses angeordneten
elektronischen Komponenten und der elektronischen Verbindung der
vorliegenden Erfindung können auf jede bekannte Weise hergestellt
werden. So können die Verbindungen lösbar beispielsweise
als Stecker oder nicht lösbar durch beispielsweise Löten
oder Schweißen hergestellt werden. Die elektronische Verbindung
wird besonders bevorzugt direkt sowohl mit den elektronischen Bauteilen
im Inneren des Gehäuses als auch mit den Signalgebern und
-empfängern (insbesondere Sensoren, Ventile, etc.) außerhalb
des Gehäuses verbunden, und insbesondere bevorzugt mittels
Dickdraht-Ronden. Auf diese Weise können Teilausfälle aufgrund
von schadhaften Schnittstellen wie beispielsweise Steckern vermieden
werden. Die Fehleranfälligkeit vermindert sich dadurch
erheblich.
-
Anschließend
wird in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens
die Klebefolie auf die entsprechenden Bereiche der elektronischen
Verbindung und/oder des Gehäusebodens aufgebracht. Optional
kann die Klebefolie dann mittels Temperatur und/oder Druck vorvernetzt
werden. Danach wird die Formdich tung in die Aussparung der Leiterplatte
eingelegt und der Gehäusedeckel wird unter höherer Temperatur
und Druck mit der vorbereiteten Leiterplatte durch Vernetzung der
Klebefolie hermetisch dicht verbunden.
-
Alternativ
kann die Klebefolie zunächst auf die entsprechenden Bereiche
des Gehäusedeckels aufgebracht und vorvernetzt werden,
bevor der so vorbereitete Gehäusedeckel auf den mit mindestens einer
elektronischen Verbindung und Formdichtung versehenen Leiterplatte
und/oder Gehäuseboden durch Vernetzen der Klebefolie auflaminiert
wird.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von zwei
Ausführungsvarianten in Verbindung mit den Zeichnungen
erläutert.
-
In
dieser zeigen:
-
1 eine
Querschnittsansicht auf eine Leiterplatte mit fixierten elektronischen
Komponenten, einer runden Formdichtung und einem Gehäusedeckel,
und
-
2 eine
Querschnittsansicht auf eine Leiterplatte mit fixierten elektronischen
Komponenten, einer eckigen Formdichtung und einem Gehäusedeckel.
-
1 zeigt
ein elektronisches Steuergerät 1, das zum Einbau
in ein Kraftfahrzeuggetriebe vorgesehen ist. Das Gehäuse
des Steuergerätes wird von einer Leiterplatte 4 und
einem Gehäusedeckel 3 aus Aluminiumblech gebildet.
Auf der Leiterplatte 4 sind verschiedene elektronische
Komponenten 12 fixiert. Die Aufsatzfläche des
Gehäusedeckels 3 auf der Leiterplattenanordnung
wird in Teilbereichen mit jeweils einer Klebefolie 5 versehen.
Zusätzlich ist eine einlegbare Formdichtung 6 zwischen
dem Gehäusedeckel 3 und der Leiterplattenanordnung
so vorgesehen, dass sie in einer entsprechenden Aussparung 7 der
Leiterplatte angeordnet ist. Die Aussparung 7 der Leiterplatte 4 kann
mittels Fräsen, bevorzugt Tiefenfräsen, Laserabtrag
oder Stanzen erzeugt werden.
-
2 zeigt
ebenfalls ein elektronisches Steuergerät 1, das
zum Einbau in ein Kraftfahrzeuggetriebe vorgesehen ist. Im Gegensatz
zur Ausgestaltung aus 1 weist die gezeigte Ausgestaltung eine
eckige Ausnehmung 7 der Leiterplatte 4 und entsprechend
eine eckig ausgeformte Dichtung 6.
-
Zusammenfassend
wird demnach ein elektronisches Bauteil mit einem Gehäusedeckel
und einer elektrischen Verbindung in Form einer Leiterplatte zwischen
dem Innenraum des Gehäuses und den außerhalb des
Gehäuses liegenden Komponenten vorgeschlagen, bei dem der
Gehäusedeckel direkt auf der elektronischen Verbindung
und/oder dem Gehäuseboden aufgeklebt ist. Erfindungsgemäß weist die
Anordnung zusätzlich eine Formdichtung auf, die in einer
Aussparung der Leiterplatte angeordnet ist. Auf diese Weise wird
ein dauerhafter hermetisch abgedichteter Schutz der elektronischen
Komponenten innerhalb des Gehäuses ermöglicht,
ohne eine zusätzliche Vernietung, Verschraubung oder mechanische
Verspannung vorzusehen. Weiterhin ist eine flexible Auswahl der
Materialien für die Formdichtung möglich, weil
die Formdichtung nunmehr eingelegt werden kann und keine Klebefunktion
trägt. Dadurch kann eine erhebliche Fehlerreduktion solcher
Bauteile aufgrund von weniger schadhaften Schnittstelen erzielt
werden. Zudem ist die erfindungsgemäße Art der
Abdichtung des Gehäuses gleichermaßen temperaturfest
und resistent gegen mechanische und chemische Beanspruchung beispielsweise
durch aggressive Medien wie Getriebeöl. Es kann vorteilhafter Weise
in einem Temperaturbereich von –40°C bis +180°C
verwendet werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004033559
A1 [0004]
- - DE 3315655 A1 [0006]
- - DE 19914469 C1 [0007]
- - DE 102004021931 A1 [0009]