-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Durchführung durch das Gehäuse eines Kraftfahrzeugsteuergerätes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Im Kraftfahrzeugbau ist es mittlerweile üblich, Steuergeräte in die zu steuernde Kraftfahrzeugbaugruppe, insbesondere Motor oder Getriebe, zu integrieren. Vor allem die Getriebesteuergeräte bilden als Vorortsteuergerät eine äußerst kompakte Einheit. Im Vergleich zur konventionellen Verwendung externer Steuergeräte hat diese Anordnung enorme Vorteile im Bezug auf Qualität, Kosten, Gewicht und Funktionalität. Insbesondere resultiert daraus eine erhebliche Verringerung von Steckverbindungen und Leitungen, und somit von möglichen Ausfallursachen.
-
Die Integration des Steuergerätes in das Getriebe stellt hohe Anforderungen vor allem an seine thermische und mechanische Belastbarkeit. Die Funktionalität muss sowohl über einen breiten Temperaturbereich (etwa –40°C bis 150°C) als auch bei extremen mechanischen Vibrationen (bis zu 40 g) gewährleistet sein. Da das Steuergerät von hochviskosem und chemisch aggressivem Getriebeöl umgeben ist, werden auch hohe Anforderungen an die Dichtheit des Steuergerätes gestellt.
-
Die Patentschrift
DE 197 51 095 C1 beschreibt ein derartiges Vorortsteuergerät im Getriebegehäuse eines Kraftfahrzeuges. Das Steuergerät umfasst zwei öldicht miteinander verbundene Gehäuseteile, durch die eine Flex-PCB als elektrisches Verbindungselement hindurchgeführt ist, wobei die Flex-PCB den Schaltungsträger mit seinen elektrischen Komponenten im Gehäuse mit elektrischen Bauteilen außerhalb des Gehäuses verbindet. Die häufig eingesetzten Feststoffdichtungen bei diesen Konzepten sind zumeist hier auch der limitierende Faktor bezüglich Miniaturisierung.
-
Am Markt ebenfalls erhältlich, sind Verbindungselemente und daraus resultierende Gehäusekonzepte, welche insbesondere die Dichtheit in den Vordergrund stellen. Dabei handelt es sich um Glas-Metall-Durchführungen, wobei ein metallischer Kontakt in ein Gehäuseelement eingesetzt und mit Glas als elektrischer Isolation gegen das umgebende Gehäuseelement ummantelt wird.
-
Aufgrund der begrenzt einsetzbaren Werkstoffkombinationen und des prinzipiellen Aufbaus dieser Glas-Metall-Durchführungen sind derartige Speziallösungen kostspielig bzw. das Gesamtkonzept ist auf am Markt erhältliche Standardaufbauten angewiesen.
-
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Durchführung durch das Gehäuse eines Kraftfahrzeugsteuergerätes zum elektrischen Verbinden einer elektrischen Komponente im Inneren des Gehäuses mit wenigstens einem außerhalb des Gehäuses vorgesehenen elektrischen Bauteil zu schaffen, das sowohl niedrige Material- als auch niedrige Herstellungskosten, sowie während der gesamten Lebensdauer hohe Prozesssicherheit, insbesondere Dichtheit gegenüber umgebende Medien, wie in einem Kraftfahrzeug eingesetzte Fluide, garantiert und darüber hinaus nahezu überall am Gehäuse einsetzbar ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Durchführung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
-
Kern der Erfindung ist, dass in einer Durchgangsöffnung eines Gehäuses mindestens ein metallischer Leiter mit Kontaktenden zum beidseitigen elektrischen Kontaktieren derart vollständig von einem Material aus einem organischen Polymer hermetisch umschlossen ist, dass der Leiter gegen das Gehäuse elektrisch isoliert ist, und der Innenraum des Gehäuses im Bereich der Durchführung hermetisch gegen die äußere Umgebung des Gehäuses abgedichtet ist. Als organisches Polymer kann zum Beispiel ein Epoxidharz oder ein Polyacrylat verwendet werden.
-
Je nach Anwendung, insbesondere je nach umgebendem Polymer kann der metallische Leiter zum Beispiel aus einer Legierung, insbesondere einer Kupferlegierung oder einer Aluminiumlegierung, oder aus einer Kombination von verschiedenen Legierungen hergestellt sein. Denkbar wäre aber auch ein Leiter aus reinem Metall.
-
Zur Anpassung an die elektrische bzw. mechanische Verbindungstechnologie insbesondere zwischen metallischem Leiter und zu verbindender Komponente kann der metallische Leiter galvanisch oder chemisch mit einem Material aus der Gruppe Zinn, Nickel, Nickel-Phosphor, Nickel-Zinn, Nickel-Gold, Nickel-Palladium-Gold, Aluminium oder in beliebiger Kombination der Materialien komplett oder partiell beschichtet sein.
-
Damit die Dichtheit der Durchführung auch unter extremen Bedingungen wie Temperaturschwankungen im Bereich von –40°C bis 150°C und darüber gewährleistet ist, sind insbesondere die Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Werkstoffe, also des metallischen Leiters, des Polymers und des Gehäuses besonders aufeinander abgestimmt.
-
In der Regel wird die elektrische Durchführung in einer Bodenplatte des Gehäuses angeordnet sein, wobei die Bodenplatte insbesondere aus einer Legierung, insbesondere einer Stahl-legierung, einer Zinklegierung, einer Magnesiumlegierung, einer Kupferlegierung oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.
-
Die elektrische Komponente, zum Beispiel ein Prozessor oder ein Transistor, kann im Prinzip auf jeder Art von Schaltungsträger angeordnet sein. So kann der Schaltungsträger als eine PCB-(Printed Circuit Board)Leiterplatte, ein Dickschicht-, ein DBC-(Direct Bonded Copper), ein LTCC-(Low Temperature Cofired Ceramic) oder ein HTCC-(High Temperature Cofired Ceramic)Schaltungsträger ausgeführt sein.
-
Je nach Material des elektrischen Leiters und je nach Ausführung des Schaltungsträgers bzw. der zu verbindenden Komponente sind die Kontaktenden des metallischen Leiters zum Beispiel mittels Löten, insbesondere Weichlöten oder Hartlöten, oder mittels Ultraschallschweißen, mittels eines Drahtbondverfahrens, oder mittels thermischem Schweißen, insbesondere Widerstandsschweißen oder Laserschweißen, oder mittels Kaltschweißen wie zum Beispiel einer Press-Fit-Verbindung oder mittels einer Klebeverbindung wie Silberleitkleben elektrisch kontaktierbar. Dabei ist es auch denkbar, dass an den Kontaktenden des metallischen Leiters jeweils verschiedene Kontaktierungsarten verwendet werden.
-
Die Dichtheit der Durchführung wird im wesentlichen durch die adhäsiven Kräfte zwischen dem Polymer und dem Gehäuse bzw. dem Polymer und dem metallischen Leiter bewerkstelligt. Durch zusätzliche geometrische Maßnahmen kann die physikalisch-mechanische Adhäsion erhöht werden. So ist es denkbar, die Durchgangsöffnung im Gehäuse als Stufenbohrung, Kegelsenkung oder als Gewinde auszuführen.
-
Zur besseren mechanischen Verankerung des Polymers am metallischen Leiter kann dieser Hinterschnitte zum Beispiel in Form von Ausstanzungen oder einem Gewinde umfassen.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 näher erläutert, die eine schematische Darstellung einer elektrischen Durchführung durch das Gehäuse eines Kraftfahrzeugsteuergerätes zeigt.
-
1 zeigt eine elektrische Durchführung durch ein Gehäuse 2, insbesondere eines Kraftfahrzeugsteuergerätes im Schnitt. Im Inneren des Gehäuses 2 ist eine elektrische Komponente 6, zum Beispiel ein Prozessor oder Transistor auf einem Schaltungsträger 1 angeordnet. Der Schaltungsträger 1 kann als eine PCB-(Printed Circuit Board)Leiterplatte, ein Dickschicht-, ein DBC-(Direct Bonded Copper), ein LTCC-(Low Temperature Cofired Ceramic) oder ein HTCC-(High Temperature Cofired Ceramic)Schaltungsträger ausgeführt sein.
-
Das Gehäuse 2 ist in 1 nur ausschnittsweise dargestellt. Es kann sich dabei um eine Bodenplatte oder auch um eine Seitenwand oder auch den Gehäusedeckel handeln. Die Bodenplatte bzw. der betreffende Teil des Gehäuses 2 ist vorzugsweise aus einer Legierung, insbesondere einer Stahllegierung, einer Zinklegierung, einer Kupferlegierung, einer Magnesiumlegierung oder einer Aluminiumlegierung hergestellt.
-
In 1 ist im Bereich einer Durchgangsöffnung 3 des Gehäuses 2 ein metallischer Leiter 4 mit Kontaktenden 4a, 4b zum beidseitigen elektrischen Kontaktieren angeordnet. Es wäre aber auch denkbar, dass zwei oder mehr metallische Leiter 4 in einer Durchgangsöffnung 3 angeordnet sind. Das Kontaktende 4a ragt in das Innere des Gehäuses und ist über einen Bonddraht 7 mit der elektrischen Komponente 6 elektrisch leitend verbunden. Das Kontaktende 4a kann natürlich mithilfe eines Bonddrahtes 7 auch nur mit dem Schaltungsträger 1 bzw. mit dem Schaltungsträger 1 und der elektrischen Komponente 6 verbunden werden. Auch ist ein Schaltungsträger nicht zwingend notwendig.
-
Das andere Kontaktende 4b ragt aus dem Gehäuse 2 heraus und ist mit wenigstens einem außerhalb des Gehäuses 2 vorgesehenen, nicht gezeigten, elektrischen Bauteil und/oder wenigstens einem weiteren Verbindungselement wie einem Stanzgitter verbindbar.
-
Je nach Material des elektrischen Leiters 4 und je nach Ausführung des Schaltungsträgers 1, bzw. der elektrischen Komponente 6 auf dem Schaltungsträger 1, bzw. des elektrischen Bauteils und/oder des weiteren Verbindungselements außerhalb des Gehäuses 2 sind die Kontaktenden 4a, 4b des metallischen Leiters 4 zum Beispiel mittels Löten, insbesondere Weichlöten oder Hartlöten, oder mittels Ultraschallschweißen, oder mittels eines Drahtbondverfahrens, insbesondere Dick- oder Dünndrahtbonden oder Bändchenbonden, oder mittels thermischem Schweißen, insbesondere Widerstandsschweißen oder Laserschweißen, oder mittels Kaltschweißen wie zum Beispiel einer Press-Fit-Verbindung oder mittels einer Klebeverbindung wie Silberleitkleben elektrisch kontaktierbar. Dabei ist es auch denkbar, dass an den Kontaktenden 4a, 4b des metallischen Leiters 4 jeweils verschiedene Kontaktierungsarten verwendet werden.
-
Der metallische Leiter 4 kann je nach Anwendung insbesondere aus reinem Metall bestehen, oder auch als Legierung, insbesondere eine Kupferlegierung oder eine Aluminiumlegierung, oder aus einer Kombination von verschiedenen Legierungen ausgeführt sein. Auch kann die Form des metallischen Leiters 4 nahezu beliebig sein, insbesondere kann er als Pin oder als Stanzgitter ausgeführt sein
-
Zur Anpassung an die elektrische bzw. mechanische Verbindungstechnologie, insbesondere zwischen metallischem Leiter 4 und zu verbindender Komponente innerhalb und/oder außerhalb des Gehäuses kann der metallische Leiter 4 galvanisch oder chemisch mit einem Material aus der Gruppe Zinn, Nickel, Nickel-Phosphor, Nickel-Zinn, Nickel-Gold, Nickel-Palladium-Gold, Aluminium oder in beliebiger Kombination der Materialien komplett oder partiell beschichtet sein.
-
Im Bereich der Durchgangsöffnung 3 des Gehäuses 2 ist der metallische Leiter 4 derart vollständig von einem Material 5 aus einem organischen Polymer hermetisch umschlossen, dass der Leiter 4 zum einen gegen das Gehäuse 2 elektrisch isoliert ist, und zum anderen der Innenraum des Gehäuses 2 im Bereich der Durchführung hermetisch gegen die äußere Umgebung des Gehäuses 2 abgedichtet ist. Als organisches Polymer kann zum Beispiel ein Epoxidharz oder ein Polyacrylat verwendet werden.
-
Die Dichtheit der Durchführung wird im wesentlichen durch die adhäsiven Kräfte zwischen dem Polymer 5 und dem Gehäuse 2 bzw. dem Polymer 5 und dem metallischen Leiter 4 bewerkstelligt. Durch zusätzliche geometrische Maßnahmen kann die physikalisch-mechanische Adhäsion erhöht werden. So ist es denkbar, die Durchgangsöffnung 3 im Gehäuse 2 in hier nicht gezeigter Weise als Stufenbohrung, Kegelsenkung oder als Gewinde auszuführen.
-
Als weitere geometrische Maßnahme zur Erhöhung der physikalisch-mechanische Adhäsion und somit zur besseren mechanischen Verankerung des Polymers 5 am metallische Leiter 4 kann dieser Hinterschnitte zum Beispiel in Form von Ausstanzungen oder einem Gewinde umfassen. Auch diese, durchaus gängigen mechanischen Maßnahmen sind in der 1 nicht gezeigt.
-
Damit die Dichtheit, insbesondere die Öl- und Gasdichtheit der Durchführung auch unter extremen Bedingungen wie Temperaturschwankungen im Bereich von –40°C bis 150°C und darüber gewährleistet ist, sind insbesondere die Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Werkstoffe, also des metallischen Leiters 4, des Polymers 5 und des Gehäuses 2 besonders aufeinander abgestimmt.
-
Vorteilhafterweise schafft die erfindungsgemäße Durchführung eine gegen die Umgebung des Gehäuses dichte und eine vom Grundkörper bzw. dem Gehäuse elektrisch isolierende Durchkontaktierung. Die Durchführungen können einzeln, oder auch zu Modulen zusammengefasst, angeordnet sein.
-
Die Durchführungen können insbesondere auch beliebig in der Umgebung des Schaltungsträgers angeordnet sein. So kann zum Beispiel in einer Aussparung oder einem Loch innerhalb des Schaltungsträgers eine oder mehrere Durchführungen angeordnet sein.
-
Die Abmessungen der Durchführungen, insbesondere der Durchmesser des metallischen Leiters kann den elektrischen Anforderungen wie der Stromtragfähigkeit ohne großen Aufwand angepasst werden. Ebenso kann die geometrische Form der Durchgangsöffnung an die äußeren Gegebenheiten angepasst sein, zum Beispiel kreis- oder ellipsenförmig sein.
-
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
-
