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Die Erfindung geht aus von einem elektronischen 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.
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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.
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Um eine verlässliche Abdichtung zur Umgebung außerhalb des Gehäuses zu ermöglichen, ist eine entsprechend abgedichtete und langzeitstabile Verbindung des Gehäusedeckels mit dem Gehäuseboden notwendig.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
DE 103 33 967 A1 offenbart eine Anordnung zum Führen von elektrischen Leiterbahnen mit einem Träger, der auf seiner Oberfläche einen ersten abzudichtenden Bereich aufweist, der von einer Nut umlaufen wird und mit einer Abdeckeinrichtung, welche in die umlaufende Nut zur dichten Abdeckung einsetzbar ist. Zur Befestigung der Abdeckeinrichtung kann ein Klebstoff in die Nut eingebracht sein.
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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.
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Nachteilig an den vorstehend beschriebenen Dichtungskonzepten 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.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektronisches Bauteil mit einem alternativen Dichtkonzept für das Gehäuse, das eine einfache und sichere Abdichtung gegen aggressive Medien ermöglicht, bereit zu stellen. Zudem soll die Abdichtung der Durchführung der elektrischen Verbindung hermetisch dicht sein und hohen mechanischen und chemischen Beanspruchungen über die gesamte Lebensdauer des elektronischen Bauteils standhalten, auch bei hohen Temperaturen und speziellen chemischen Beanspruchungen beispielsweise durch Getriebeöl.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils bereit zu stellen.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung entsprechend den Patentansprüchen 1 und 2 sowie mit Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung gemäß der Ansprüche 6, 7 und 8 erreicht.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein elektronisches Bauteil für eine integrierte Mechatronik mit einem Gehäusedeckel, mindestens einer elektrischen Verbindung in Form einer Leiterplatte und einer zwischen Gehäusedeckel und Leiterplatte angeordneten Formdichtung bereit zu stellen, in dem der Gehäusedeckel so ausgestaltet ist, dass er im Randbereich mindestens einen planaren Bereich aufweist, der mittels mindestens einer Klebefolie mit der elektrischen Verbindung und/oder einem Gehäuseboden verklebt wird. Die Leiterplatte weist dabei eine Aussparung zur Aufnahme der Formdichtung auf.
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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.
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Als elektrische Verbindung kann eine an sich bekannte Leiterplatte verwendet werden. Vorteilhafter Weise besteht die elektrische Verbindung aus einer PCB-Leiterplatte mit Leiterbahnen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Gehäusedeckel eine zusätzliche elektrische Isolationsschicht auf.
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Dies ist gerade für solche Einsatzgebiete interessant, in denen die isolierende Wirkung des Klebers und der Dichtung zwischen Gehäusedeckel und Leiterplatte nicht ausreichend ist. Hierzu kann der Gehäusedeckel durch Eloxieren, Emaillieren oder Lackieren mit elektrisch isolierenden Lacken behandelt sein.
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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.
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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-Bonden. Auf diese Weise können Teilausfälle aufgrund von schadhaften Schnittstellen wie beispielsweise Steckern vermieden werden. Die Fehleranfälligkeit vermindert sich dadurch erheblich.
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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 Formdichtung 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.
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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.
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Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von vier Ausführungsvarianten in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert.
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In dieser zeigen:
- 1 eine Querschnittsansicht auf eine Leiterplatte mit fixierten elektronischen Komponenten, einer runden Formdichtung und einem Gehäusedeckel,
- 2 eine Querschnittsansicht auf eine Leiterplatte mit fixierten elektronischen Komponenten, einer eckigen Formdichtung und einem Gehäusedeckel,
- 3 die Ausführungsvariante aus 1 mit einem zusätzlichen Gehäuseboden, und
- 4 die Ausführungsvariante aus 2 mit einem zusätzlichen Gehäuseboden.
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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.
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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.
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3 zeigt die Ausführungsvariante aus 1 mit einem zusätzlichen Gehäuseboden (2).
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4 zeigt die Ausführungsvariante aus 2 mit einem zusätzlichen Gehäuseboden (2).
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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 Schnittstellen 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.
