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Stand der Technik
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In neueren Fahrzeugtypen nimmt die Anzahl elektronischer Systeme stetig zu. Zur weiteren Verringerung des Kraftstoffverbrauchs werden die Verbrennungsmotoren und die Getriebe zunehmend von elektronischen Steuergeräten geregelt bzw. gesteuert. Beispielsweise kommen in halb- oder vollautomatisierten ”Handschaltungsgetrieben” sowie in Automatikgetrieben TCU's (Transmission Control Units) zum Einsatz. Derartige Steuergeräte werden häufig innerhalb des Verbrennungsmotor- bzw. des Getriebegehäuses verbaut. Alternativ können solche Steuergeräte auch im Bereich der Karosserie angeordnet werden. Vor allem die Sicherstellung einer zuverlässigen Funktion der Steuergeräte unter allen zu erwartenden Betriebsbedingungen des Fahrzeugs bereitet teilweise Schwierigkeiten.
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Verbreitet kommen integrierte Steuergeräte zum Einsatz, bei denen mindestens ein Logikteil zusammen mit einem oder mehreren Leistungsteilen in einem Gehäuse kombiniert ist. Mittels des Leistungsteils lassen sich Aktuatoren, wie zum Beispiel Elektromagnete, elektrische Stellmotore oder piezoelektrische Ventilantriebe, direkt ansteuern. Hierdurch wird der für den Einbau der Steuergeräte notwendige Platz reduziert und zugleich der Verkabelungsaufwand verringert, was zu einer Minimierung der Ausfallwahrscheinlichkeit führt. Ein Nachteil der Integration eines Leistungsteils in ein Steuergerät liegt in der deutlich erhöhten Wärmeentwicklung, zu der auch die zunehmend höher integrierten Logikbausteine einen Beitrag leisten. Demzufolge müssen die Steuergeräte in vielen Fällen mit zusätzlichen Mitteln zur Wärmeabfuhr, wie zum Beispiel Kühlkörpern oder Wärmeleitblechen ausgestattet werden, um die Umgebungstemperatur der Elektronikbauteile in zulässigen Grenzen zu halten. Die überwiegend passiv erfolgende Wärmeableitung aus Steuergeräten beruht im Allgemeinen auf einer Kombination aus Wärmestrahlung, Wärmekonvektion und Wärmeleitung.
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Es sind ferner Steuergeräte aus dem Stand der Technik bekannt, bei denen im Bereich unterhalb des Schaltungsträgers – der üblicherweise zur Aufnahme und elektrischen Verbindung der elektronischen Bauteile dient – ein Wärmeleitblech angeordnet ist, das mit einer geeigneten Wärmesenke, wie zum Beispiel einem massiven Motor- oder Getriebegehäuse, mechanisch fest verbunden ist. Hierbei erfolgt die Wärmeabfuhr aus dem Steuergerät vorrangig durch Wärmeleitung, wobei der Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Wärmeleitblech und der Wärmesenke vor allem von der Güte der mechanischen Verbindung zwischen den Komponenten abhängig ist. Die Güte hängt vor allem von der Oberflächenbeschaffenheit, zum Beispiel von der Rauheit, der miteinander in Kontakt zu bringenden Bauteiloberflächen ab. Ein begrenzender Faktor des Kühlvermögens ist bei dieser Ausführungsform vor allem der Wärmeübergangswiderstand zwischen Wärmeleitblech und Wärmesenke.
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Aus der
DE 10 2006 033 175 A1 ist darüber hinaus eine Elektronikanordnung bekannt. Das Steuergerät verfügt bei dieser Ausführungsform über mindestens ein Logikteil, das mittels mindestens eines Abstandshalters oberhalb eines Leistungsteils und parallel zu diesem verlaufend angeordnet ist. Im Bereich des Leistungsteils entsteht erwartungsgemäß die größte Verlustwärme. Sowohl das Leistungsteil als auch das Logikteil sind bevorzugt mit Keramiksubstraten oder konventionellen Epoxidleiterplatten mit Kupferleitbahnen gebildet. Beide Teile sind mit einer elektrisch isolierenden Kunststoffmasse zur Bildung eines so genannten ”Moldgehäuses” umspritzt. Die elektrische Außenkontaktierung erfolgt über ein mit eingespritztes Stanzgitter (s. g. ”Leadframe”), dessen Anschlusspins nach dem Spritzgussprozess zum Beispiel durch einen Stanzvorgang voneinander getrennt werden. Die elektrische Verbindung zwischen den elektronischen Bauelementen und dem Leadframe geschieht bevorzugt durch Bonddrähte. Die Wärmeabfuhr vom Logikteil und Leistungsteil geschieht vorrangig über die Unterseite des Moldgehäuses, in dessen Bereich das Leistungsteil angesiedelt ist, und nachrangig über die Anschlusspins, wobei das Moldgehäuse in der Regel auf einer geeigneten Wärmesenke, wie zum Beispiel einem Kühlblech, einem Kühlkörper oder einem Motor- oder Getriebegehäuse, befestigt wird.
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Auch bei dieser Ausführungsform wird die erreichbare Kühlleistung durch den Wärmewiderstand bzw. den Wärmeübergangswiderstand zwischen der Unterseite des Moldgehäuses und der eingesetzten Wärmesenke begrenzt, der wiederum von der Güte der mechanischen Verbindung, insbesondere der Höhe der Anpresskraft, der Größe der Kontaktfläche und deren Rauheit, zwischen dem Moldgehäuse und der Wärmesenke abhängt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Elektronikanordnung zu schaffen, die im Vergleich zu vorbekannten Lösungen über ein verbessertes Wärmeableitvermögen verfügt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird nach Maßgabe des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 zunächst eine Elektronikanordnung, insbesondere zur Getriebe- oder Motorsteuerung eines Fahrzeuges, mit mindestens einem eine Vielzahl elektronische Bauelemente aufweisenden Schaltungsträger offenbart, wobei der Schaltungsträger auf einer metallischen Grundplatte angeordnet ist und mit einem elektrischen Verbindungsträger elektrisch verbunden ist, und der Verbindungsträger an einer Trägerplatte montiert ist. Erfindungsgemäß weist eine Grundplattenunterseite zumindest bereichsweise mindestens eine Lage mit einer Vielzahl von alternierenden Metallstreifen zur Wärmeableitung auf, die abschnittsweise mit der Grundplattenunterseite stoffschlüssig, insbesondere durch Bondverbindungen, verbunden ist.
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Infolge dieser festen, stoffschlüssigen Verbindung zwischen den alternierenden Metallstreifen und der Grundplattenunterseite ergibt sich ein ausgezeichnetes Wärmeableitvermögen der metallischen Grundplatte, auf der sich der Schaltungsträger mit den elektronischen Bauelementen befindet. Diese Verbindung gewährleistet einen niedrigen und zudem langzeitstabilen Wärmewiderstand bzw. Wärmeübergangswiderstand, insbesondere im Vergleich zum Wärmeübergangswiderstand zwischen zwei metallischen Komponenten, die mittels einer mechanischen Kraft, zum Beispiel einer Druckfeder oder einem Bolzen, aneinander gepresst werden. Darüber hinaus hat die Rauheit bzw. die Oberflächengüte aufgrund der stoffschlüssigen Anbindung der Metallstreifen an die Grundplattenunterseite keinen so großen Einfluss auf das Wärmeableitvermögen mehr. Zeit- und kostenintensive Oberflächenbehandlungen und/oder ein Auftrag von wärmeleitfähigen Ausgleichsmassen sind nicht mehr erforderlich.
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Die elektrische Kontaktierung zwischen dem Schaltungsträger, zum Beispiel in der Form einer Epoxidharzleiterplatte mit Leiterbahnen oder einer Keramikleiterplatte mit Leiterbahnen, innerhalb des Steuergerätes und dem äußeren elektrischen Verbindungsträger erfolgt durch eine Vielzahl von Anschlusspins, die ihrerseits über Bonddrähte mit den auf dem Schaltungsträger befindlichen elektronischen Bauelementen und den Leiterbahnen elektrisch leitend verbunden sind. Die Anschlusspins sind zur Schaffung der elektrischen Kontaktierung ihrerseits in den elektrischen Verbindungsträger, bei dem es sich gleichfalls um eine Keramikleiterplatte oder eine Epoxidharzleiterplatte handeln kann, eingelötet.
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Der elektrische Verbindungsträger ist über mechanische Verbindungsmittel, wie z. B. Bolzen oder Nieten, mit der Trägerplatte, bei der es sich in der Regel um eine massive Wärmesenke, wie zum Beispiel ein metallisches Blechteil handelt, mechanisch verbunden.
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Die Metallstreifen, die so genannten ”Bondbändchen”, sind jeweils bevorzugt einstückig ausgeführt und weisen eine periodisch alternierende, das heißt zum Beispiel eine wellenförmige, eine halbkreisförmige, eine trapezförmige, eine dreieckförmige oder rechteckförmige Formgebung auf. Eine Kombination von mindestens zwei der vorstehend genannten Gestaltungsformen ist gleichfalls denkbar. Im Ergebnis ist die Querschnittsgeometrie der alternierenden Metallstreifen näherungsweise mit dem zeitlichen Verlauf einer elektrischen Schwingung vergleichbar.
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Bevorzugt ist eine wellenförmige Ausgestaltung der Metallstreifen, die zudem gleichmäßig parallel zueinander in einem geringen Abstand voneinander verlaufen. Um das Wärmeableitvermögen weiter zu optimieren, können mindestens zwei Lagen mit alternierenden Metallstreifen jeweils übereinander angeordnet werden, die untereinander insbesondere durch Bondverbindungen im Bereich der größten Amplituden miteinander verbunden sind. Die alternierenden Metallstreifen sind mit einer bondfähigen Aluminiumlegierung oder mit einer Kupferlegierung gebildet, die über eine hinreichend hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen.
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Eine Breite der alternierenden Metallstreifen bzw. der Bändchen liegt in einem Bereich von 0,1 mm bis 10,0 mm, während die Länge der gewählten Metallstreifen bevorzugt jeweils ungefähr der Länge der Grundplatte entspricht. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Metallstreifen und der Grundplattenunterseite, die vorzugsweise durch Bonden, Laserlöten, Laserschweißen oder Kleben hergestellt wird, erfolgt bevorzugt im Bereich der größten oder der kleinsten Amplitude (”Wellenberg” oder ”Wellental”) der alternierenden Metallstreifen.
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Bei einer Weiterbildung der Elektronikanordnung ist vorgesehen, dass der Schaltungsträger und die Grundplatte mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit einer Moldmasse, unter zumindest bereichsweiser Freilassung der Grundplattenunterseite zur Bildung eines integrierten Steuergerätes umgeben sind.
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Dies ermöglicht die Herstellung eines hermetisch gekapselten Schaltungsträgers, der auch widrigen Umgebungsbedingungen standhält und der zusammen mit der eingegossenen metallischen Grundplatte ein kompaktes, integriertes Steuergerät verkörpert. Zu diesem Zweck wird der Schaltungsträger in ein mehrteiliges Formwerkzeug mit einer Kavität eingebracht, dessen Geometrie der späteren Gehäuseform entspricht. In diesen Hohlraum wird das elektrisch isolierende Kunststoffmaterial mit Druck eingespritzt. Die elektrische Außenkontaktierung des Steuergerätes erfolgt durch ein ”Leadframe” bzw. Metallstanzgitter. Dieses Metallgitter enthält eine Vielzahl von Anschlusspins, die vor dem Umspritzen mit den elektronischen Bauelementen auf dem Schaltungsträger durch Bonddrähte elektrisch verbunden werden. Nach dem Abschluss des Moldprozesses werden die für den Zusammenhalt des Leadframes anfänglich notwendigen Stege zwischen den Anschlusspins beispielsweise durch Stanzen entfernt.
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Der Schaltungsträger ist mittels einer Verbindungsschicht, insbesondere mit einer wärmeleitenden Klebeschicht, mit einer Grundplattenoberseite verbunden.
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Hierdurch wird zum einen eine mechanisch feste Verbindung zwischen dem Schaltungsträger und der metallischen Grundplatte erreicht und zum anderen ergibt sich aufgrund der wärmeleitenden Eigenschaften der Verbindungsschicht ein verbessertes Wärmeableitvermögen.
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Im Bereich des Steuergerätes kann in der Trägerplatte mindestens eine Ausnehmung vorgesehen sein, wobei die Trägerplatte mit einem Kunststoffmaterial und/oder mit einem metallischen Material gebildet ist.
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Infolge dieser Ausnehmung, die auch mit einer Vielzahl von Bohrungen (Bohrungsraster) gebildet sein kann, kann Spritzöl und/oder Luft, zum Beispiel aus einem Getriebegehäuse bzw. einem Motorgehäuse bis an die Grundplatte mit den alternierenden Metallstreifen gelangen, wodurch deren Wärmeableitvermögen erhöht wird.
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Die Trägerplatte kann in einer Ausführungsform mit einem durchgehenden metallischen Material gebildet sein. In dieser Konstellation sind keine Ausnehmungen bzw. Bohrungen vorhanden, die eine Anströmung von Luft und/oder Spritzöl ermöglichen würden. Zur Optimierung der Wärmeableitung können die alternierenden Metallstreifen sowohl im Bereich der größten Amplituden jeweils mit der Grundplattenunterseite als auch mit der Trägerplattenoberseite stoffschlüssig, zum Beispiel durch Bonden oder Laserschweißen, verbunden sein. Diese optionale, beidseitige stoffschlüssige Verbindung setzt jedoch eine hinlängliche Zugänglichkeit für die zur Anwendung kommenden Bondwerkzeuge voraus. Alternativ besteht die Möglichkeit, alternierend Metallstreifen auf die Oberseite der Trägerplatte zu bonden und das Steuergerät auf die alternierend angeordneten Metallstreifen aufzusetzen.
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Eine Trägerplattenunterseite kann insbesondere im Bereich der Grundplatte des Steuergerätes mindestens eine Lage mit einer Vielzahl von gleichfalls aufgebondeten, alternierenden Metallstreifen aufweisen. Hierdurch wird das Wärmeableitvermögen der Trägerplattenunterseite und damit das der gesamten Elektronikanordnung weiter verbessert.
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Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine Elektronikanordnung nach Maßgabe des Oberbegriffs des Patentanspruchs 10 gelöst, wobei erfindungsgemäß zwischen einer Grundplattenunterseite und einer Trägerplattenoberseite zumindest bereichsweise Metallwolle und/oder ein Metalldrahtgewirk zur Wärmeableitung angeordnet ist und die Trägerplatte mindestens eine Ausnehmung zur Anströmung von Spritzöl und/oder Luft aufweist.
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Infolge der zumindest bereichsweise angeordneten, kissenartig ausgebildeten Metallwolle bzw. des Metalldrahtgewirks, ergibt sich in Verbindung mit mindestens einer Ausnehmung in der Trägerplatte ein hohes Wärmeableitvermögen der metallischen Grundplatte des Steuergerätes und damit der gesamten Elektronikanordnung. Durch die Ausnehmungen in der Trägerplatte wird der Zugang von Luft und/oder Spritzöl ermöglicht und der Wärmeabfluss erleichtert. Die Metallwolle bzw. das Metalldrahtgewirk sind bevorzugt mit einer Vielzahl von Drähten aus einer Edelstahllegierung, oder Aluminium, oder Kupfer, oder einer Mischmetalllegierung gebildet, unter anderem um eine hinreichende Korrosionsfestigkeit gegenüber dem chemisch aggressiven Spritzöl zu gewährleisten. In dieser Ausführungsform kann in die Trägerplatte in einem Bereich unterhalb der in das Steuergerät eingegossenen Grundplatte zumindest bereichsweise mindestens eine Vertiefung (s. g. ”Sicke”) eingeformt sein, die es ermöglicht die Metallwolle bzw. das Metallgewirk mit einer höheren Materialstärke bzw. Dicke einzubringen. Eine Drahtstärke der Metallwolle bzw. des Metallgewirkes variiert in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, um eine ausreichend hohe Federkraft und zugleich eine hinreichende Wärmeableitung zu erzielen. Hierdurch ist ein hinreichend wärmeleitfähiger Übergang zwischen der Grundplattenunterseite, der Metallwolle bzw. dem Metalldrahtgewirk und der Trägerplattenoberseite sichergestellt. Anstelle der Metallwolle bzw. des Metallgewirks können beliebige andere räumliche Drahtanordnungen, wie zum Beispiel Gewebe, Gelege oder Gestricke, zum Einsatz kommen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben werden. In den Zeichnungen tragen dieselben konstruktiven Elemente jeweils die gleiche Bezugsziffer.
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Es zeigt:
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1 Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektronikanordnung in einer schematischen Schnittdarstellung,
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2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektronikanordnung in einer prinzipiellen Schnittdarstellung,
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2.1 eine alternative Ausführungsform zur zweiten Variante gemäß 2 mit einseitiger Anbindung von alternierend angeordneten Metallstreifen, und
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3 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung unter Verwendung von Metallwolle oder eines Metalldrahtgewirkes.
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Ausführungsformen
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Elektronikanordnung.
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Eine Elektronikanordnung 10 umfasst unter anderem einen Schaltungsträger 12 auf dem eine Vielzahl von, nicht im Einzelnen mit Bezugsziffern versehenen, elektronischen Bauelementen 14 angeordnet ist. Die Bauelemente 14 sind mit Bonddrähten 16 zur Schaffung der äußeren Kontaktierung mit Anschlusspins 18 verbunden. Der Schaltungsträger 12 ist auf einer metallischen Grundplatte 20 mittels einer Verbindungsschicht 22 befestigt. Die Verbindungsschicht 22 ist vorzugsweise mit einer gut wärmeleitenden Klebeschicht bzw. einem Wärmeleitkleber gebildet. Der Schaltungsträger 12 sowie die Grundplatte 20 sind zur Schaffung eines integrierten Steuergerätes 24 mit einer Moldmasse 26 aus einem elektrisch isolierenden, thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterial unter Freilassung einer Grundplattenunterseite 28 umgeben bzw. umspritzt. Das Steuergerät 24 ist in einen elektrischen Verbindungsträger 30 eingelötet. Dieser ist seinerseits durch ein Verbindungsmittel 32 mit einer Trägerplatte 34 verbunden. Die Trägerplatte 34 ist in dieser Ausführungsform aus einem metallischen Material, zum Beispiel einem Blechabschnitt oder dergleichen, hergestellt und verfügt im Bereich unterhalb des Steuergerätes 24 über eine großflächige rechteckförmige oder quadratische Ausnehmung 36. Die Ausnehmung 36 erstreckt sich vorzugsweise vollflächig im Bereich der Grundplatte 20. Anstelle der großflächigen Ausnehmung 36 kann auch eine Vielzahl von rasterartig in die Trägerplatte 34 eingebrachten Bohrungen vorgesehen sein. Die Trägerplatte 34 stellt die eigentliche Wärmesenke der Elektronikanordnung 10 dar und kann zum Beispiel ein Teil eines Gehäuses, zum Beispiel eines Getriebesteuermoduls sein.
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Erfindungsgemäß ist auf der Grundplattenunterseite 28 eine Vielzahl von alternierenden, in sich periodisch sinusförmig gewellten Metallstreifen (s. g. ”Bändchenbonds”) angeordnet. Diese alternierenden Metallstreifen sind mit Hilfe von Bondverbindungen 40 mit der Grundplattenunterseite 28 stoffschlüssig verbunden und hier in lediglich einer Lage 42 vorhanden. In der Darstellung der 1 trägt ein alternierender, sinusförmig gewellter Metallstreifen stellvertretend für alle übrigen, die senkrecht versetzt zur Zeichenebene auf der Grundplattenunterseite 28 parallel zueinander versetzt aufgebondet sind, die Bezugsziffer 38. Die Bondverbindungen 40 befinden sich bevorzugt im Bereich der größten Amplitude 44 (s. g. ”Wellenberge”) des Metallstreifens 38. Die alternierenden Metallstreifen 38 sind bevorzugt mit einer gut bondfähigen Aluminiumlegierung oder mit einer Kupferlegierung oder einer Kombination aus beiden, einer Mischmetalllegierung gebildet, die über ein ausreichendes Wärmeleitvermögen verfügen. Eine Breite des Metallstreifens 38 (senkrecht zur Zeichenebene) liegt in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 10,0 mm, während eine Länge des Metallstreifens 38 näherungsweise einer Länge der Grundplatte 20 entspricht. Abweichend von der gezeigten, sinusförmig gewellten Geometrie der alternierenden Metallstreifen können diese beispielsweise analog zu einem rechteckförmigen, einem trapezförmigen, einem dreieckförmigen oder einem halbkreisförmigen periodischen Schwingungsverlaufs ausgestaltet sein.
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Durch die Ausnehmung 36 hindurch gelangt Luft und/oder Spritzöl 48 bis an die Metallstreifen 38, um insbesondere die Kühlwirkung weiter zu steigern. Da die Zugänglichkeit für Luft und/oder Spritzöl 48 und damit eine hinreichende Wärmeabfuhr infolge der Ausnehmung 36 gegeben ist, kann die Trägerplatte 34 alternativ auch mit einem Kunststoffmaterial gebildet sein, das im Vergleich zu metallischen Werkstoffen in der Regel über ein geringeres Wärmeleitvermögen verfügt. Die in den Bauelementen 14 entstehende Verlustwärme wird durch die Verbindungsschicht 22 hindurch bis in die metallische Grundplatte 20 geleitet und in dieser zugleich verteilt bzw. thermisch vergleichmäßigt. Von der Grundplatte 20 aus erfolgt die Wärmeabfuhr mittels der Vielzahl der alternierenden Metallstreifen, die eine Oberflächenvergrößerung bewirken. Infolge der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den alternierenden Metallstreifen und der metallischen Grundplatte 20 ergibt sich ein kleinerer Wärmeübergangswiderstand und somit ein ausgezeichnetes Wärmeableitvermögen der gesamten Elektronikanordnung 10. In vorteilhafter Weise hat die Oberflächengüte, insbesondere die Rauheit der Grundplattenunterseite 28, für das Wärmeableitvermögen derselben aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung nur noch eine untergeordnete Bedeutung. Die Wärmeableitung von den Bauelementen 14 erfolgt durch eine Kombination von Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung.
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Auf dem elektrischen Verbindungsträger 30 befindet sich ferner ein Funktionselement 46, das mit dem Steuergerät 24 elektrisch leitend, zum Beispiel durch konventionelle Lötverbindungen und auf dem elektrischen Verbindungsträger 30 befindliche (Kupfer-)Leiterbahnen, kontaktiert ist. Hierbei kann es sich zum Beispiel um einen Sensor oder einen Aktuator handeln, der seine Signale durch einen Signalbus an das Steuergerät 24 übermittelt oder der umgekehrt Befehle vom Steuergerät 24 empfängt.
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Die alternierenden Metallstreifen 38 können – insbesondere zur Steigerung der Kühlwirkung – auch in mehreren Lagen 50, 52 und 54 übereinander auf die Grundplattenunterseite 28 aufgebondet werden, wobei die Metallstreifen 38 jeweils miteinander und mit der Grundplattenunterseite 28 im Bereich der maximalen Amplitude 44 (”Wellenberge”) mittels der Bondverbindungen 40 stoffschlüssig verbunden sind.
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Alternativ kann die metallische Trägerplatte 34 auch durchgehend ausgebildet sein (vgl. insb. 2). In einer solchen Konstellation ist es möglich, sofern die Zugänglichkeit für die Bondwerkzeuge gegeben ist, zusätzlich die Bereiche einer kleinsten Amplitude 58 des alternierenden Metallstreifens 38 (s. g. ”Wellentäler”), durch Bondverbindungen mit einer Trägerplattenoberseite 56 zumindest abschnittsweise stoffschlüssig zu verbinden. Die infolge der wellenförmigen Gestalt der alternierenden Metallstreifen gegebene, begrenzte Federelastizität eröffnet hierbei eine geringfügige Toleranzausgleichsmöglichkeit gegenüber vertikalen Bewegungen zwischen der Grundplatte 20 und der Trägerplatte 34.
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Die 2 illustriert eine zweite Ausführungsform der Elektronikanordnung 10.
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Das integrierte Steuergerät 24 umfasst den Schaltungsträger 12 mit den elektronischen Bauelementen 14 und die darunter angeordnete metallische Grundplatte 20, wobei beide Komponenten mit der Moldmasse 26 unter Freilassung der Grundplattenunterseite 28 umspritzt sind. Mittels der Anschlusspins 18 ist das elektronische Steuergerät 24 mit dem elektrischen Verbindungsträger 30 elektrisch kontaktiert, der wiederum durch das Verbindungsmittel 32 an einer Trägerplatte 64 befestigt ist. Auf dem Verbindungsträger 30 befindet sich zudem das elektrisch kontaktierte Funktionselement 46.
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Im Unterschied zur Trägerplatte 34 nach Maßgabe der ersten Ausführungsform (vgl. 1) ist die metallische Trägerplatte 64 hier durchgehend ausgebildet, das heißt es ist keine Ausnehmung bzw. es sind keine Bohrungen in der Trägerplatte 64 vorhanden. Die Wärmeableitung aus der Grundplatte 20 erfolgt primär mittels der alternierenden Metallstreifen, von denen einer repräsentativ für die übrigen die Bezugsziffer 38 trägt und der mit Bondverbindungen 40 mit der Grundplattenunterseite 28 stoffschlüssig verbunden ist. Die Abfuhr der von den elektronischen Bauelementen 14 freigesetzten Verlustwärme erfolgt durch die Grundplatte 20 und die hiermit stoffschlüssig verbundenen, alternierenden Metallstreifen, die mit einer bestimmten Anpresskraft gegen die darunter verlaufende metallische Trägerplatte 64 gedrückt, das heißt zur Anlage gebracht werden. Hierbei ermöglicht die wellenförmige Gestaltung der alternierenden Metallstreifen deren federnd-elastische Anlage an der Trägerplattenoberseite 66.
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Da im Gegensatz zur Ausführungsform nach 1 in der Trägerplatte 64 keine Ausnehmungen vorhanden sind, kann die Luft und/oder das Spritzöl 48 nicht direkt bis an die Grundplatte 20 gelangen, so dass zur Erhöhung des Kühlvermögens eine Trägerplattenunterseite 68 ebenfalls mit aufgebondeten, alternierenden Metallstreifen versehen werden kann. Repräsentativ für alle Übrigen, trägt ein auf der Trägerplattenunterseite 68 aufgebondeter Metallstreifen sowie eine Bondverbindung die Bezugsziffern 70 und 72. Sowohl die auf die Grundplattenunterseite 28 als auch die auf die Trägerplattenunterseite 68 aufgebondeten, alternierenden Metallstreifen 38, 70 können in einer Lage (einlagig) oder in mehreren Lagen (mehrlagig) übereinander angeordnet sein. Bevorzugt werden in denjenigen Bereichen des Schaltungsträgers 12 bzw. der Grundplatte 20, in denen die höchste Verlustwärme zu erwarten ist, die Metallstreifen mehrlagig ausgebildet, während in Bereichen mit einer geringeren Temperaturentwicklung eine einlagige Anordnung im Allgemeinen ausreichend ist. In Bereichen, in denen eine besonders geringe Temperaturentwicklung auftritt, können die Metallstreifen auch parallel zueinander versetzt (d. h. senkrecht zur Zeichenebene der 2) auf die Metallplatte 20 bzw. die Trägerplatte 64 aufgebondet sein.
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Innerhalb der hier durchgehend ausgeführten metallischen Trägerplatte 64 erfolgt die Abfuhr des Verlustwärmestromes Q .Q . primär durch Wärmeleitung, während im Bereich der auf die Trägerplattenunterseite 68 aufgebondeten Metallstreifen 70 die Wärmeabfuhr durch eine Kombination von Strahlung und Konvektion im Zusammenwirken mit der Luft und/oder dem Spritzöl 48 erfolgt.
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Wenn eine ausreichende Zugänglichkeit für die notwendigen Bondwerkzeuge gegeben ist, kann der obere alternierende Metallstreifen 38 sowohl in den Bereichen mit maximaler Amplitude (”Wellenberge”) als auch in den Bereichen der kleinsten Amplituden (”Wellentäler”) mit der Grundplattenunterseite 28 und mit der Trägerplattenoberseite 66 stoffschlüssig durch Bondverbindungen zusammengefügt werden. Aufgrund des Umstandes, dass die Luft und/oder das Spritzöl 48 bei dieser Ausführungsform nicht in direkten Kontakt mit der Grundplatte 20 treten kann, ist die Trägerplatte 64 mit einem metallischen Material gebildet, um noch eine ausreichende Kühlung durch Wärmeleitung innerhalb der Trägerplatte 64 zu gewährleisten.
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Der Darstellung gemäß 2.1 ist eine alternative Ausführungsvariante zur zweiten Ausführungsform gemäß 2 zu entnehmen, die eine einseitige Anbindung von alternierend angeordneten Metallstreifen zeigt.
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Gemäß der in 2 dargestellten Variante befindet sich der Schaltungsträger 12 auf der Oberseite 27 der Grundplatte 20. Auf dem Schaltungsträger 12 ist mindestens ein elektronisches Bauelement 14 aufgenommen, ferner ist der Anschlusspin 18 mittels mindestens eines Bonddrahtes 16 mit dem Schaltungsträger 12 verbunden. Der Schaltungsträger seinerseits befindet sich auf einer Grundplatte 20, deren Oberseite mit Bezugszeichen 27 und deren Unterseite mit Bezugszeichen 28 bezeichnet ist. Die Grundplattenseite 28 der Grundplatte 20 ist über alternierend angeordnete Metallstreifen 38, die mit der Trägerplatte 34 an Bondverbindungen 40 verbunden ist, aufgesetzt. In der in 2 dargestellten alternativen Ausführungsvariante ist das Steuergerät 24 auf die an Bondstellen 40 mit der Trägerplatte 34 stoffschlüssig verbundenen, alternierenden Metallstreifen 38 aufgesetzt. Auch in der in 2.1 dargestellten Ausführungsvariante sind der Anschlusspin 18, der mindestens eine Bonddraht 16, das mindestens eine elektronische Bauelement 14 des Steuergerätes 24 von einer Moldmasse 26 umschlossen.
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Die 3 illustriert eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektronikanordnung.
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Die Elektronikanordnung 10 umfasst das Steuergerät 24, das mit dem elektrischen Verbindungsträger 30 verlötet ist. Innerhalb des Steuergerätes 24 befindet sich der Schaltungsträger 12 mit den elektronischen Bauelementen 14. Der Verbindungsträger 30 ist mit dem Verbindungsmittel 32 mit einer Trägerplatte 80 mechanisch verbunden, kann jedoch auch durch eine Klebverbindung mit der Trägerplatte 30 verbunden sein, die im Unterschied zur Trägerplatte 64 (vgl. 2) von einer Vielzahl von Ausnehmungen 82 durchsetzt ist, die in einem Raster angeordnet sein können. Ferner ist das Funktionselement 46 in bekannter Weise in den Verbindungsträger 30 eingelötet. Bevorzugt verläuft der elektrische Verbindungsträger 30 im Wesentlichen parallel versetzt zur Trägerplatte 80. Durch die Ausnehmungen 82, die hier bevorzugt als zylindrische Bohrungen ausgestaltet sind, kann die Luft und/oder das Spritzöl 48 bis in einen Zwischenraum 84 zwischen der Grundplatte 20 und der Trägerplatte 80 gelangen.
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Zwischen der Grundplattenunterseite 28 der metallischen Grundplatte 20 und einer Trägerplattenoberseite 86 befindet sich Metallwolle 88 oder dergleichen innerhalb des Zwischenraums 84, um den Wärmeübergang aus der Grundplatte 20 in die Trägerplatte 80 und in die Luft bzw. das Spritzöl 48 zu ermöglichen.
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Um eine nachhaltige Wärmeableitung zu gewährleisten, ist die Trägerplatte 80 vorzugsweise mit einem metallischen Material gebildet. Ein nicht bezeichneter Durchmesser der zur Herstellung der Metallwolle 88 eingesetzten Drähte ist so bemessen, dass die metallische Grundplatte 20 und die Trägerplatte 80 mit einer definierten Kraft auseinander gedrückt werden, um den Wärmewiderstand im Grenzbereich zwischen der Metallwolle 88, der Grundplatte 20 und der Trägerplatte 80 möglichst gering zu halten. Die metallischen Drähte der Metallwolle 88 weisen zur Sicherstellung einer hinreichend starken Federwirkung bei einem zugleich ausreichenden Wärmeableitvermögen einen Durchmesser von 0,1 mm bis 1,0 mm auf. Zur Sicherstellung einer hinreichenden Korrosionsfestigkeit gegenüber dem Spritzöl 48 sind die Drähte aus einer Aluminium-, Edelstahl- oder Titanlegierung oder auch aus Kupfer gezogen. Darüber hinaus haben Drähte mit einem kleineren Durchmesser den Vorteil, dass sich eine größere ”Drahtdichte” ergibt, was wiederum den Wärmewiderstand bzw. den Wärmeübergangswiderstand der kissenförmigen Metallwolle 88 minimiert.
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Um Metallwolle 88 mit einer höheren Materialstärke bzw. Dicke einsetzen zu können, kann die Trägerplatte 80 im Bereich des Steuergerätes 24 über eine zumindest bereichsweise eingeformte, wannenförmige Vertiefung 90 (s. g. ”Sicke”) verfügen. Diese Vertiefung 90 kann sich über die gesamte Fläche der Grundplatte 20 oder über eine Teilfläche der Grundplatte 20 hinweg erstrecken. Alternativ können mehrere Vertiefungen 90 im Bereich der Grundplatte 20 in die Trägerplatte 80 eingeformt sein. Anstelle der Metallwolle 88 können beliebige andere kissenförmige, räumliche Metalldrahtanordnungen, wie zum Beispiel Metalldrahtgeflechte, Metalldrahtgelege oder Metalldrahtgestricke zum Einsatz kommen.
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Infolge der zumindest einseitig stoffschlüssig ausgeführten Verbindung zwischen der Grundplattenunterseite 28 und den alternierenden Metallstreifen, die nach Maßgabe der ersten und zweiten Ausführungsform der Elektronikanordnung 10 (vgl. 1, 2) in mindestens einer Lage angeordnet sind, ergibt sich ein geringer und zugleich langzeitstabiler Wärmeübergangswiderstand, was insgesamt zu einem ausgezeichneten Wärmeableitvermögen der Elektronikanordnung 10 führt. Im Fall der dritten Ausführungsvariante (vgl. 3) erfolgt die Wärmeableitung aus der Grundplatte 20 bevorzugt mittels der Metallwolle 88, die zugleich einen Toleranzausgleich und einen von der Oberflächengüte der Grundplattenunterseite 28 bzw. der Trägerplattenoberseite 86 unabhängigen und zudem geringen Wärmeübergangswiderstand ermöglicht. Die Effektivität der Wärmeableitung wird zudem durch die Vielzahl der in der Trägerplatte 80 befindlichen Ausnehmungen 82 (Durchbrechungen) befördert, durch die Luft und/oder Spritzöl 48 bis in die Metallwolle 88 hinein gelangt.
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Demzufolge kann aus dem erfindungsgemäßen Steuergerät 24 im Vergleich zu vorbekannten Ausführungsformen mit z. B. rein passiven Kühleinrichtungen eine deutlich höhere Verlustwärmeleistung, insbesondere im Bereich der Leistungshalbleiter, abgeführt werden, ohne einen Anstieg der Ausfallwahrscheinlichkeit und/oder eine Verkürzung der Lebensdauer der Elektronikanordnung 10 befürchten zu müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006033175 A1 [0004]
