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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug. Das Steuergerät weist ein Gehäuse auf, wobei wenigstens eine wärmeleitende Gehäusewand des Gehäuses aus wärmeleitfähigem Blech gebildet ist und eine Wärmesenke bildet. Das Steuergerät weist eine Leiterplatte auf, welche in einem von dem Gehäuse umschlossenen Hohlraum angeordnet ist. Das Steuergerät weist wenigstens ein Leistungsbauelement, insbesondere einen Leistungshalbleiter auf, wobei der Leistungshalbleiter mit der Leiterplatte verbunden, insbesondere stoffschlüssig verbunden, beispielsweise verlötet ist. Der Leistungshalbleiter ist mit einem Oberflächenbereich mit der wärmeleitfähigen Gehäusewand wärmeleitend verbunden.
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Aus der
DE 019701731 A1 ist ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem ein mit einer Leiterplatte verbundener Leistungshalbleiter ein aus wärmeleitfähigem Blech gebildetes Gehäuse mit wenigstens einem Oberflächenbereich wärmeleitend kontaktiert.
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Bei dem Steuergerät besteht das Problem, dass zwischen der wärmeleitfähigen Gehäusewand und dem Leistungshalbleiter fertigungstoleranzbedingte Spalte auftreten können, die mittels eines Wärmeleitmittels überbrückt werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist bei dem Steuergerät der eingangs genannten Art die wärmeleitfähige Gehäusewand trennbar mit dem Gehäuse verbunden. Die wärmeleitfähige Gehäusewand weist in einem dem Leistungshalbleiter gegenüberliegenden Bereich eine Prägung auf, wobei durch die Prägung die Gehäusewand an den Leistungshalbleiter herangeführt ist, sodass ein Abstand, insbesondere ein Spaltmaß zwischen der Gehäusewand und dem Leistungshalbleiter vor dem Prägen größer ist, als ein Abstand, insbesondere ein Abstand zwischen der Gehäusewand und dem Oberflächenbereich, nach dem Prägen. Dadurch kann vorteilhaft das Spaltmaß, und so die Menge an Wärmeleitmittel zum Überbrücken des Abstandes zwischen dem Oberflächenbereich des Leistungshalbleiters und der Wärmesenke, nämlich der wärmeleitfähigen Gehäusewand, reduziert werden.
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Weiter vorteilhaft kann so eine thermische Anbindung des Leistungshalbleiter an die Gehäusewand, beispielsweise einen Gehäuseboden oder Gehäusedeckel des Steuergerätes, verbessert werden. Durch einen geringen Spalt zwischen der kühlenden Gehäusewand des Steuergerätes und dem Oberflächenbereich des Bauelementes, insbesondere des Leistungshalbleiters, bewirkt durch die an eine Höhe des Bauelements und die Leiterplatte angepasste Prägung, werden höhere maximale Verlustleistungen des Bauelements, insbesondere des Leistungshalbleiters, beispielsweise einem Leistungstransistor oder Mikroprozessor ermöglicht.
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Es wurde nämlich erkannt, dass die Fertigungstoleranzen durch zueinander verschiedene Faktoren gebildet werden können. Ein Faktor kann dabei eine Verwindung der Leiterplatte in der Leiterplattenebene sein. Ein weiterer Faktor kann eine Toleranz der Höhe des Oberflächenbereichs des Leistungshalbleiters über der Leiterplattenebene, bedingt durch einen toleranzbehafteten Lötprozess sein.
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Weiter kann eine Fertigungstoleranz durch eine Schwankung einer Fertigungsdicke des Leistungshalbleiters bewirkt sein.
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Die wärmeleitfähige Gehäusewand, im Folgenden auch wärmeleitende Gehäusewand genannt, ist bevorzugt aus Blech, insbesondere Aluminium- oder Kupferblech gebildet.
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Bevorzugt ist bei dem Steuergerät in der Gehäusewand im Bereich wenigstens eines Leistungshalbleiters eine mittels Umformen, insbesondere Tiefziehen erzeugte Senke gebildet, wobei die Gehäusewand mittels Prägen im Bereich der Senke an den Leistungshalbleiter herangeführt ist. So kann vorteilhaft mittels Tiefziehen die Gehäusewand an eine Schaltungsanordnung vorangepasst werden. Die wärmeleitfähige Gehäusewand kann so beispielsweise ausgebildet sein, in einem ebenen Zustand mit dem Gehäuse verbunden zu werden und das Gehäuse so zu verschließen. Die so ausgebildete ebene Gehäusewand kann so für eine Vielzahl von zueinander verschiedenen Schaltungsanordnungen verwendet werden. Durch das Tiefziehen kann die Gehäusewand vorteilhaft individuell an eine Schaltungsanordnung, insbesondere an eine Lage der Leistungshalbleiter auf der Leiterplatte angepasst werden. Durch das Prägen, insbesondere in Abhängigkeit eines nach einem Einfügen der Leiterplatte in das Gehäuse gemessenen Höhenmaßes des Oberflächenbereichs des Leistungshalbleiters, kann die Prägung vorteilhaft individuell zur Reduzierung des Spaltmaßes durchgeführt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Steuergerätes ist die wärmeleitfähige Gehäusewand in einer Nut gelagert und kann so in die Nut eingeschoben oder zusätzlich aus der Nut entfernt werden. Durch die Nut kann beispielsweise eine Art Schacht gebildet sein, in dem die wärmeleitfähige Gehäusewand gehalten ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Prägung parallel zu einer ebenen Erstreckung der wärmeleitfähigen Gehäusewand erzeugt. So kann vorteilhaft mittels eines einfachen Prägeschritts der dem Leistungshalbleiter gegenüberliegende Bereich der Gehäusewand an den Leistungshalbleiter herangeführt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Prägung schräg zu einer ebenen Erstreckung der wärmeleitfähigen Gehäusewand erzeugt. So kann vorteilhaft, bevorzugt in Abhängigkeit eines eine Topografie der Leistungshalbleiteroberfläche repräsentierenden Erfassungsergebnisses, die Gehäusewand, welche dem Oberflächenbereich des Leistungshalbleiters gegenüberliegt, individuell auch an eine schräge Erstreckung der Oberfläche herangeführt werden. Die schräge Prägung kann vorteilhaft mittels eines Prägewerkzeugs durchgeführt werden, bei dem ein Prägestempel schwenkbar relativ zu einer Prägeebene, insbesondere einer Lagerung der wärmeleitfähigen Gehäusewand gelagert ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Steuergerätes umfasst die Prägung für den Leistungshalbleiter wenigstens zwei Teilprägungen, wobei die Teilprägungen gemeinsam eine Kontaktfläche zum wärmeleitenden Kontaktieren des Oberflächenbereichs des Halbleiters bilden. Die Prägung kann so vorteilhaft flächenabschnittsweise an eine Topografie des Leistungshalbleiters angepasst werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Reduzieren eines toleranzbedingten Spaltmaßes zwischen einer eine Wärmesenke bildenden Gehäusewand aus wärmeleitfähigem Blech eines Gehäuses.
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Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Erfassen einer Topografie einer Leiterplatte mit wenigstens einem Leistungshalbleiter im Bereich eines zur Gehäusewand weisenden Oberflächenbereichs des Leistungshalbleiters und Ermitteln eines Abstandes zwischen dem Oberflächenbereich und der Gehäusewand;
- – Prägen, insbesondere Tiefprägen der Gehäusewand in einem dem Leistungshalbleiter gegenüberliegenden Bereich in Abhängigkeit des ermittelten Abstandes, so dass so dass ein Abstand, insbesondere das Spaltmaß zwischen der Gehäusewand und dem Leistungshalbleiter vor dem Prägen größer ist als nach dem Prägen;
- – Auftragen eines Wärmeleitmittels auf den Leistungshalbleiter oder die Gehäusewand, bevorzugt in Abhängigkeit des ermittelten Abstandes;
- – Verbinden der Gehäusewand mit dem Gehäuse, so dass die Gehäusewand den Leistungshalbleiter wärmeleitend kontaktiert.
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Bevorzugt wird bei dem Verfahren die Topografie mittels eines Laserinterferometers erfasst wird.
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In einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird eine Menge des Wärmeleitmittels in Abhängigkeit des mittels Pressen erzeugten Abstandes aufgetragen. Das Wärmeleitmittel ist beispielsweise eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitklebstoff.
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Bevorzugt erfolgt bei dem Verfahren das Prägen mittels einer elektrisch getriebenen Spindelpresse in Abhängigkeit des ermittelten Abstandes. Durch die Spindelpresse kann eine Kraft entlang eines Pressweges, also entlang der Einpresstiefe vorteilhaft gut geregelt werden.
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Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den in den abhängigen Ansprüchen und in den Figuren beschriebenen Merkmalen.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Steuergerät mit einer wärmeleitfähig ausgebildeten Gehäusewand welche an einen Leistungshalbleiter wärmeleitend angekoppelt ist in einer Schnittdarstellung;
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2 zeigt einen Abschnitt des in 1 gezeigten Steuergeräts im Detail, bei dem die Prägung und die durch die Prägung bewirkte Abstandsverkleinerung des Abstandes zwischen der wärmeleitenden Gehäusewand und dem Leistungshalbleiter dargestellt ist;
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3 zeigt den in 1 und 2 dargestellten Leistungshalbleiter in einer Aufsicht.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Steuergerät 1. Das Steuergerät 1 weist ein Gehäuse 2 auf, wobei das Gehäuse 2 einen Hohlraum 34 umschließt. Das Gehäuse 2 weist eine wärmeleitfähig ausgebildete Gehäusewand 3 auf, welche trennbar mit dem Gehäuse 2 verbunden ist. Die wärmeleitende Gehäusewand 3 ist in zwei einander gegenüberliegenden Randabschnitten jeweils in einer Nut, in diesem Ausführungsbeispiel in einer Nut 4 und in einer Nut 5, verschiebbar gelagert. Das Gehäuse 2 weist einen Gehäuserand 6 auf, welcher die wärmeleitfähige Gehäusewand 3 im Bereich des in der Nut 5 aufgenommenen Randes umgreift. Das Gehäuse 2 weist auch einen Gehäuserand 7 auf, welcher die wärmeleitfähige Gehäusewand 3 im Bereich eines in der Nut 4 aufgenommenen Gehäusewandrandes umgreift.
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In der Nut 5 ist auch eine elastisch ausgebildete Feder 24, insbesondere ein Elastomer angeordnet, welches ausgebildet ist, die Gehäusewand 3 gegen den Gehäuserand 6 anzupressen.
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In der Nut 4 ist auch eine elastisch ausgebildete Feder 25, insbesondere ein Elastomer angeordnet, welches ausgebildet ist, die Gehäusewand 3 gegen den Gehäuserand 7 anzupressen.
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Die Feder 25 weist drei sich längs der Dichtung erstreckende Rippen auf, welche jeweils gegen den Gehäusewandrand pressen und von denen die Rippe 26 beispielhaft bezeichnet ist.
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Das Gehäuse 2 weist auch einen Steckkragen 8 auf, welcher zusammen mit elektrischen Steckkontakten, von denen der Steckkontakt 9 beispielhaft bezeichnet ist, gemeinsam einen elektrischen Anschluss zum Verbinden des Steuergerätes 1 bildet. Die elektrischen Kontakte sind von einem Hohlraum, der von dem Steckkragen 8 umschlossen ist, ins Innere des Gehäuses 2 geführt, und sind dort mit einer Leiterplatte 10 des Steuergerätes 1 elektrisch verbunden. Die Leiterplatte 10 erstreckt sich parallel zu einer ebenen Erstreckung der wärmeleitend ausgebildeten Gehäusewand 3. Die Leiterplatte 10 ist im Bereich eines Leiterplattenrandes auf einem Vorsprungsbereich 11 gelagert, welcher an das Gehäuse 2 angeformt ist. Die Leiterplatte 10 ist mit einem Leiterplattenrand, welcher sich gegenüberliegend zu dem auf dem Vorsprung 11 gelagerten Leiterplattenrand parallel erstreckt, auf einem Vorsprungsbereich 12 des Gehäuses 2 gelagert.
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Die Gehäusewand 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Andruckdome 13 und 14 auf, welche zueinander beabstandet mittels Tiefziehen in die Gehäusewand 3 geformt sind und welche sich der Leiterplatte 10 entgegenstrecken. Das Gehäuse 2 weist ein Lager 15 für eine Andruckfeder 16 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel durch ein Elastomer, insbesondere Silikongummi, gebildet ist. Die Andruckfeder 16 streckt sich dem Andruckdom 13 entgegen und ist ausgebildet, die Leiterplatte 10 im Bereich des Andruckdoms 13 gegen den Andruckdom 13 zu pressen. Das Steuergerät 1 weist auch eine Andruckfeder 17 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Schraubenfeder ausgebildet ist und gegen das Gehäuse 2 abstützt und welche ausgebildet ist, die Leiterplatte 10 im Bereich des Andruckdoms 14 gegen den Andruckdom 14 zu pressen.
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Die wärmeleitend ausgebildete Gehäusewand 3 weist einen eine mittels Tiefziehen ausgebildete Senke 18 auf, welche sich der Leiterplatte 10 und einem mit der Leiterplatte 10 verbundenen Leistungshalbleiter 22 entgegenstreckt. Die Gehäusewand 3 weist auch eine Senke 19 auf, welche sich der Leiterplatte 10 und einem Leistungshalbleiter 23 entgegenstreckt, welcher mit der Leiterplatte 10 verbunden ist.
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Die wärmeleitende Gehäusewand 3 weist im Bereich der Senke 18 eine Prägung 20 auf, welche einen kleineren Durchmesser aufweist als die Senke 18. Die Prägung 20 ist somit innerhalb der Senke 18 angeordnet. Die wärmeleitende Gehäusewand 3 erstreckt sich im Bereich der Prägung 20 einem Oberflächenbereich des Leistungshalbleiters 22 weiter entgegen, als die Gehäusewand 3 im Bereich der Senke 18, insbesondere in einem Bereich der Senke 18, welcher den Bereich der Prägung 20 umschließt.
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Die wärmeleitende Gehäusewand 3 weist auch eine Prägung 21 auf, welche in der Senke 19 angeordnet ist. Die wärmeleitende Gehäusewand 3 weist im Bereich der Prägung 21 einen kleineren Abstand zu einem Oberflächenbereich des Leistungshalbleiters 23 auf, als die wärmeleitende Gehäusewand 3 im Bereich der Senke 19, der die Prägung 21 umschließt.
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2 zeigt einen Detailausschnitt 27 des in 1 dargestellten Steuergerätes 1 in einer Schnittdarstellung. Dargestellt ist die wärmeleitende Gehäusewand 3 mit einem Bereich, welcher die Senke 18 und den Andruckdom 13 umfasst. Die in 2 abschnittsweise dargestellte Leiterplatte 10 wird mittels des Federelements 16, gestützt durch das Lager 15, gegen den Andruckdom 13 der wärmeleitenden Gehäusewand gepresst.
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Die in der wärmeleitenden Gehäusewand 3 ausgebildete Senke 18 erstreckt sich mit einem Abstand 32 dem Leistungshalbleiter 22, insbesondere einem Oberflächenbereich 28 des Leistungshalbleiters 22, entgegen. Der Abstand 32 ist mittels einer Prägung 20 im Bereich der Prägung 20 auf den Abstand 33 verkleinert worden. Dargestellt ist auch ein Wärmeleitmittel 31, in diesem Ausführungsbeispiel ein Wärmeleitklebstoff. Der Wärmeleitklebstoff umfasst beispielsweise als Matrixmaterial einen silikonhaltigen Klebstoff und als Füllmaterial beispielsweise wärmeleitfähige Keramikpartikel. Mittels des Prägens der wärmeleitenden Gehäusewand 3 ist im Bereich der Prägung 20 eine Kontaktfläche 30 gebildet, welche sich im Inneren des Gehäuses 2 dem Oberflächenbereich 28 des Leistungshalbleiters 22 entgegenstreckt und diesem gegenüberliegt.
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3 zeigt die Leistungshalbleiter 22 und 23 gemeinsam in einer Aufsicht, wobei die Auflageflächen der Andruckdome 13 und 14 auf die Leiterplatte 10 dargestellt sind. Die Leistungshalbleiter 22 und 23 sind in diesem Ausführungsbeispiel in einer ebenen Erstreckung der Leiterplatte 10 zwischen den Andruckdomen 13 und 14 angeordnet. Der Leistungshalbleiter 22 weist eine Oberflächentopografie auf, welche zwei zueinander verschiedene Höhenstufen umfasst. Der Leistungshalbleiter 22 weist dazu einen Oberflächenbereich 28 auf, welcher im Zentrum der Oberfläche des Leistungshalbleiters 22 angeordnet ist. Der Oberflächenbereich 28 des Leistungshalbleiters 22 ist von einem Oberflächenbereich 29 umgeben, welcher von dem Oberflächenbereich 28 in der Höhe beabstandet ist.
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Die Prägung zum wärmeleitenden Kontaktieren des Oberflächenbereichs 28 und des Oberflächenbereichs 29 kann dazu vorteilhaft – anders als in den 1 und 2 dargestellt – zwei zueinander verschiedene Teilprägungen aufweisen, wobei die Teilprägungen jeweils zueinander verschiedene Prägetiefen aufweisen. So kann die Kontaktfläche zum wärmeleitenden Kontaktieren des Oberflächenbereichs an den Leistungshalbleiter 22 spaltreduzierend herangeführt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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