DE102013215368A1

DE102013215368A1 - Elektronische Einheit mit Leiterplatte

Info

Publication number: DE102013215368A1
Application number: DE102013215368.6A
Authority: DE
Inventors: Armin Schmidbauer; Christoph Schikora; Thomas Maier; Josef Loibl; Hermann Josef Robin
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-02-05
Also published as: CN204046939U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Einheit (1) mit einer Leiterplatte (2) mit zumindest einem auf einer Hauptoberfläche (3, 4) der Leiterplatte (2) angeordneten Bauelement (5, 6) und mit einem Hüllelement (7), welches das zumindest eine Bauelement (5, 6) einbettet, wobei die elektronische Einheit (1) eine einzige Leiterplatte (2) umfasst und dass das Hüllelement (7) auf einer ersten Hauptoberfläche (3) und einer zweiten Hauptoberfläche (4) der einzigen Leiterplatte (2) zumindest abschnittsweise ausgebildet ist, derart, dass das Hüllelement (7, 8) durch zumindest eine Öffnung in der Leiterplatte (2) durchgreift.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Einheit mit Leiterplatte gemäß dem Hauptanspruch.
In aktuellen Serienanwendungen für mechatronische Steuergeräte werden eine gekapselte Elektronik (z.B. ein Metallgehäuse mit Glasdurchführungen) und eine Verteilung von Signalen und Strömen über Stanzgitter, Litzen oder Flex-Leiterplatten eingesetzt. Elektronische Steuergeräte unterliegen dauerhaft dem Trend, bei gleichbleibendem oder steigendem Funktionsumfang im Preis immer günstiger zu werden. Dies erfordert eine Weiterentwicklung bestehender Lösungen oder den Einsatz neuartiger Konzepte. Dabei ist insbesondere die Verbindungstechnik zwischen einzelnen Komponenten von erhöhtem Interesse, da mit zunehmender Miniaturisierung der elektronischen Komponenten auch die Anfälligkeit gegenüber Schmutz und Vibrationen zunimmt. Dies gilt insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik, in dem elektronische Komponenten mit einer hohen Zuverlässigkeit auch unter widrigsten Einsatzbedingungen fehlerfrei funktionieren müssen.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2013 212 265.9 ist eine elektronische Einheit bekannt, welche eine Verteilerleiterplatte und eine Baugruppenträgerleiterplatte umfasst. Hierbei ist es nötig, dass Anschlussbereiche vorgesehen sind, an denen die Verteilerleiterplatte und die Baugruppenträgerleiterplatte miteinander verbunden sind. Nachteilig erweist sich hierbei, die zunehmende Zahl von Einzelteilen, aus denen die elektronische Einheit besteht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektronische Einheit anzugeben, welche eine möglichst geringe Zahl von Einzelteilen bei hoher Stabilität aufweist.
Dieser Aufgabe wird mit dem Gegenstand des geltenden Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Vorliegend wird ein Mechatronik Konzept mit einer zentralen Leiterplatte vorgeschlagen. Dabei wird insbesondere vorgeschlagen, dass sämtliche in der elektronischen Einheit benötigten Bauelemente auf einer einzelnen Leiterplatte angeordnet sind. Hierbei ist unter einer einzelnen Leiterplatte zu verstehen, dass sämtliche elektronischen Bauelemente, Kühlkörper, Sensoren sowie Anschlusselemente für externe Geräte auf einer einzigen Leiterplatte angeordnet sind. Diese Leiterplatte ist insbesondere einstückig ausgebildet und kann auch als Mehrlagenleiterplatte ausgebildet sein.
Insbesondere wird eine elektronische Einheit mit einer Leiterplatte mit zumindest einem auf einer Hauptoberfläche der Leiterplatte angeordneten Bauelement und mit einem Hüllelement, welches das zumindest eine Bauelement einbettet, vorgeschlagen, wobei die elektronische Einheit eine einzige Leiterplatte umfasst und das Hüllelement auf einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche der einzigen Leiterplatte zumindest abschnittsweise ausgebildet ist, derart, dass das Hüllelement durch zumindest eine Öffnung in der Leiterplatte durchgreift.
Zweckmäßig weist die Leiterplatte zumindest ein elektronisches Bauelement auf je einer der beiden Hauptoberflächen auf. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil eines weiteren Freiheitsgrads, insbesondere zur doppelseitigen Bestückung der Leiterplatte, wodurch sich die Flexibilität bei der Herstellung der elektronischen Einheit erhöht.
Der hier vorgestellte Ansatz bietet den Vorteil, dass sämtliche in der elektronischen Einheit, welche insbesondere ein Steuergerät, zweckmäßig eine integrierte Getriebesteuerung für ein Kraftfahrzeug ist, benötigten Bauelemente, welche in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung elektronische Bauelemente oder Wärmeabfuhrelemente (Kühlelemente) sein können, auf einer einzigen Leiterplatte aufgebracht sind. Dadurch werden die im Stand der Technik benötigten Verbindungspunkte zwischen verschiedenen Leiterplatten vermieden. Der Aufbau der erfindungsgemäßen elektronischen Einheit kann dadurch günstiger, schneller und mit einem geringeren Baumaß erfolgen.
Ein weiterer Vorteil des hier vorgestellten Ansatzes ist, dass spezielle Konfigurationen ohne Probleme darstellbar sind. Das heißt, dass verschiedene Leiterplattengeometrien flexibel auf die jeweilige Einbaugegebenheit im Getriebe angepasst werden kann. Die Bereiche mit elektronischen Bauelementen können flexibel ausgeformt werden. Die umspritzten Bereiche auf der Oberseite und der Unterseite der Leiterplatte können unterschiedlich groß ausgeführt werden.
Durch die Öffnungen in der Leiterplatte wird beim Umspritzvorgang eine hohe Stabilität zwischen der Unterseite und der Oberseite der Leiterplatten erzeugt. Hierbei können die auf der Oberseite und Unterseite umspritzten Flächen unterschiedliche Formen und Maße aufweisen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das elektronische Bauelement durch das Hüllelement von einer Außenumgebung fluiddicht gekapselt und das Wärmeabfuhrelement ist zumindest teilweise von dem Hüllelement eingeschlossen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein weiteres Bauelement von dem Hüllelement oder einem weiteren, von dem Hüllelement getrennten Hüllelement umgeben oder in dem Hüllelement oder dem weiteren Hüllelement eingebettet. Außerdem kann das weitere Hüllelement aus einem anderen Material als das Hüllelement hergestellt sein, insbesondere wobei das weitere Hüllelement durch ein Metallgehäuse gebildet ist. Dadurch ist es möglich, eine individuelle Anpassung der Geometrie der elektronischen Einheit zu gewährleisten. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Materialien für das Hüllelement und das weitere Hüllelement kann beispielsweise auch unterschiedlichen Schutzanforderungen oder Abstrahlungseigenschaften von unterschiedlichen Schaltungsteilen der elektronischen Einheit Rechnung getragen werden.
Zweckmäßig können durch die Umhüllung von elektronischen Bauelementen auf der Leiterplatte Sensoren gebildet sein. Dadurch können Sensoren, welche üblicherweise als Einzelteile auf eine Leiterplatte aufgebracht sind, direkt an die Leiterplatte angespritzt sein. Hierdurch können Materialkosten und Bestückungszeiten eingespart werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung füllt das Hüllelement einen Bereich zwischen einer Außenoberfläche und einem Hauptoberflächenbereich der Leiterplatte und/oder dem Bauelement und einem Hauptoberflächenbereich der Leiterplatte aus. Zweckmäßig ist das Hüllelement durch eine Vergussmasse oder Umspritzungsmasse gebildet. Durch das Ausfüllen sämtlicher Hohlräume zwischen der Leiterplatte und einem Bauelement wird ebenfalls die Stabilität der elektronischen Einheit erhöht. Mit der Außenoberfläche ist hierbei diejenige Oberfläche gemeint, welche durch die Umspritzmasse nach Durchführung eines Umspritzprozesses gebildet wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Wärmeabfuhrelement Hinterschnitte auf, welche von dem Hüllelement umschlossen sind.
Die Erfindung sowie weitere Vorteile der Erfindung werden im weiteren anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer elektronischen Einheit in einer ersten Ausführungsform in Schnittdarstellung,
2 eine schematische Darstellung einer elektronischen Einheit in einer zweiten Ausführungsform in Schnittdarstellung,
3 eine schematische Darstellung einer elektronischen Einheit gemäß der zweiten Ausführungsform in Draufsicht.
4 eine schematische Darstellung einer elektronischen Einheit in Draufsicht mit Durchbrechungen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektronischen Einheit in einer ersten Ausführungsform. Auf einer Leiterplatte 2 ist auf einer Hauptoberfläche 3, 4 ein Bauelement 5, 6 und ein Hüllelement 7, welches das Bauelement 5, 6 umschließt, angeordnet. Zweckmäßig ist auf beiden Hauptoberflächen 3, 4 der Leiterplatte 2, d.h. aus der Oberseite 4 und der Unterseite 3 der Leiterplatte 2 jeweils ein elektronisches Bauelement 5 angeordnet. Durch die beidseitige Bestückung der Leiterplatte 2 ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Packungsdichte der elektronischen Einheit.
In der Leiterplatte 2 sind Durchbrechungen 9 ausgeführt, welche von der Oberseite 4 zur Unterseite 3 der Leiterplatte 2 führen. Diese Durchbrechungen 9 sind zweckmäßig im Bereich um die einzelnen elektronischen Bauelemente 5 ausgeführt, können aber auch im Randbereich der Leiterplatte 2 ausgeführt sein. Zweckmäßig sind die Durchbrechungen 9 gleichmäßig in der Leiterplatte 2 verteilt, insbesondere entsprechend einer Wabenstruktur. Es ist aber auch möglich, dass um bestimmte elektronische Bauelemente 5 mehr oder weniger Durchbrechungen 9 ausgeführt sind. Zweckmäßig können die Durchbrechungen 9 nach einem vorgegebenen Muster ausgeführt sein. Die Durchbrechungen 9 sind insbesondere als Bohrung ausgeführt. Es ist aber auch möglich, dass die Durchbrechungen 9 als gerade oder bogenförmige Schlitze ausgeführt sind.
Die elektronische Einheit 1 weist ein Hüllelement 7 auf, welches die elektronischen Bauelemente 5 umschließt. Das Hüllelement 7 besteht dabei zweckmäßig aus einem Material (z.B. Duroplast), welches vorgegebene Schutzanforderungen, z.B. Wasser- und/oder Öldichtigkeit, aber auch vorgegebene Abstrahlungseigenschaften erfüllt. Das Hüllelement 7 ist auf der Oberseite 4 und der Unterseite 3 der Leiterplatte 2 ausgebildet. Das Material 10 des Hüllelements 7 füllt hierbei die Durchbrechungen 9 in der Leiterplatte 2 aus sowie den Bereich zwischen den elektronischen Bauelementen 5 und der Leiterplatte 2. Zweckmäßig umschließt das Hüllelement 7 die Leiterplatte 2 vollständig, es ist aber auch möglich, dass das Hüllelement 7 lediglich abschnittsweise auf der Oberseite 3 und Unterseite 4 der Leiterplatte 2 ausgebildet ist. Dadurch, dass das Material 10 des Hüllelements 7 die Durchbrechungen 9 in der Leiterplatte 2 ausfüllt, ist das Hüllelement als ein einstückiges Element ausgebildet. Damit ergibt sich eine direkte Verbindung des Hüllelementabschnitts 7 auf der Unterseite 4 mit demjenigen Hüllelementabschnitts 7 auf der Oberseite 3, wodurch eine erhöhte Stabilität des gesamten Hüllelements 7 und damit auch der Leiterplatte 2 erreicht wird.
Durch die Dicke des Hüllelements 7 kann die Höhe der elektronischen Einheit 1 definiert werden. Dadurch wird auch die Außenoberfläche 16 der elektronischen Einheit 1 festgelegt.
Auf der Leiterplatte 2 sind weitere Anschlussbereiche 15 für Stecker 12 oder Sensoren 11 vorgesehen. Hierzu sind in der Leiterplatte 2 entsprechende Sack- oder Durchgangsbohrungen 16 vorgesehen, welche zweckmäßig mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen sind, so dass zwischen dem Stecker 12 bzw. dem Sensor 11 und den auf oder in der Leiterplatte 2 vorhandenen Leiterbahnen eine elektrische Verbindung herstellbar ist. Zweckmäßig sind offene Kontaktstellen 13 auf der Leiterplatte 2, z.B. Lötpunkte ebenfalls mittels eines Hüllelements (z.B. Duroplast) umschlossen. Die Stecker 12 oder Sensoren 11, z.B. Drehzahl-, Weg-, Druck- oder Temperatursensoren, können hierbei mittels Crimpen, Nieten, Löten, Schweißen, Einpress- oder Einsteckverbindungen mit der Leiterplatte 2 verbunden sein.
Auf der Leiterplatte 2 ist auf der Unterseite 4 ein Wärmeabfuhrelement 6, z.B. ein Kühlkörper angeordnet. Dieser Kühlkörper 6 ist ebenfalls von dem Hüllelement 7, zumindest teilweise, umschlossen. Ein Abschnitt des Kühlkörpers 6 weist keine Umhüllung des Hüllelements 7 auf. Somit kann die Wärme ungehindert abfließen. Es ist aber auch möglich, dass der Kühlkörper 6 vollständig von dem Hüllelement 7 umschlossen ist. Der Bereich B zwischen der Leiterplatte 2 und dem Kühlkörper 6 ist ebenfalls mit dem Material 10 des Hüllelements 7 gefüllt.
Das Hüllelement 7 weist Hinterschnitte 114 auf, welche mit dem Material 10 des Hüllelements 7 gebildet sind und somit von dem Hüllelement 7 umschlossen sind. Dadurch wird eine weitere Stabilität der elektronischen Einheit 1 gewährleistet. Ferner wird der Kühlkörper 6 in der Position gehalten und fixiert. Der Kühlkörper 6 kann dabei mit einer Oberfläche direkt mit einem elektronischen Bauelement 5 verbunden sein bzw. über eine thermisches Material 19.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer elektronischen Einheit 1 in einer zweiten Ausführungsform in Schnittdarstellung. Bei dieser Ausführungsform sind, wie in 1, auf einer einzigen Leiterplatte 2 mehrere elektronische Bauelemente 5 angeordnet. Die elektronischen Bauelemente 5 sind allerdings von zwei Hüllelementen 7, 8 umgeben. Das eine Hüllelement 7 umschließt eine erste Gruppe von elektronischen Bauelementen 5 und das weitere Hüllelement 8 umschließt eine zweite Gruppe von elektronischen Bauelementen 5. Zweckmäßig umschließt jedes Hüllelement 7, 8 zusätzlich zu den jeweiligen elektronischen Bauelementen 5 noch einen Kühlkörper 6. Die Kühlkörper 6 sind jeweils auf der Unterseite 4 der Leiterplatte 2 angeordnet. Die Ausgestaltung der Kühlkörper 6 entspricht derjenigen Ausgestaltung, wie sie bereits in 1 erläutert wurde.
Die elektronische Einheit 1 ist darüber hinaus derart ausgebildet, dass die Leiterplatte 2 Durchbrechungen 18 aufweist, welche zur Befestigung der elektronischen Einheit an einer Trägerplatte, z.B. für ein Getriebe dienen. Außerdem sind Durchbrechungen 16 in der Leiterplatte 2 ausgebildet zur Befestigung von Sensoren, Motoren, Ventilen oder Steckern (3).
4 zeigt die Leiterplatte 2 einer elektronischen Einheit 1 mit mehreren Durchbrechungen 9. Die Durchbrechungen 9 sind um die elektronischen Bauelemente 5 herum in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Im vorliegenden Beispiel umhüllt das Hüllelement 7 die gesamte Leiterplatte 2, d.h. die gesamte elektronische Einheit 1 ist von dem Hüllelement 7 umgeben, das Hüllelement 7 bedeckt somit die Oberseite 3 und die Unterseite 4 der Leiterplatte 2. Selbstverständlich kann das Hüllelement 7 auch nur Abschnitte der Leiterplatte 2 umhüllen. Hierbei müssen der Abschnitt des Hüllelements 7 auf der Oberseite 3 und der Abschnitt des Hüllelements 7 auf der Unterseite 4 nicht symmetrisch sein, sofern die beiden Teile des Hüllelements 7 wenigstens durch eine mit der Umspritzmasse 10 gefüllten Durchbrechung 9 verbunden sind.
4 zeigt ferner, dass innerhalb des Hüllelements 7 die Durchbrechungen 9 ein regelmäßiges Muster, beispielhaft ein wabenförmiges Muster bilden. Durch diese Anordnung der Durchbrechungen 9 wird eine erhöhte Stabilität in der Leiterplatte 2 erreicht, so dass Verwindungen der Leiterplatte 2 vermieden werden.
Bezugszeichenliste

1: elektronische Einheit
2: Leiterplatte
3: Oberseite
4: Unterseite
5: elektronisches Bauelement
6: Wärmeabfuhrelement
7: Hüllelement
8: weiteres Hüllelement
9: Durchbrechung
10: Umspritzmasse
11: Sensor
12: Stecker
13: Umspritzung an offener Kontaktstelle
14: Hinterschnitt
15: Anschlussbereich
16: Bohrungen für Stecker/Sensoren
17: Außenoberfläche
18: Durchbrechungen für Befestigung
19: thermische Material
B: Bereich zwischen Leiterplatte und Wärmeabfuhrelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013212265 [0003]

Claims

Elektronische Einheit mit einer Leiterplatte (2) mit zumindest einem auf einer Hauptoberfläche (3, 4) der Leiterplatte (2) angeordneten Bauelement (5, 6) und mit einem Hüllelement (7), welches das zumindest eine Bauelement (5, 6) einbettet, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Einheit (1) eine einzige Leiterplatte (2) umfasst und dass das Hüllelement (7) auf einer ersten Hauptoberfläche (3) und einer zweiten Hauptoberfläche (4) der einzigen Leiterplatte (2) zumindest abschnittsweise ausgebildet ist, derart, dass das Hüllelement (7, 8) durch zumindest eine Öffnung (9) in der Leiterplatte (2) durchgreift.
Elektronische Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (9) innerhalb des Hüllelements regelmäßig, insbesondere wabenförmig, in der Leiterplatte (2) verteilt sind.
Elektronische Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Bauelement (5, 6) ein elektronisches Bauelement (5) oder ein Wärmeabfuhrelement (6) ist.
Elektronische Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement (5) durch das Hüllelement (7) von einer Außenumgebung fluiddicht gekapselt ist und das Wärmeabfuhrelement (6) zumindest teilweise von dem Hüllelement (7) eingeschlossen ist.
Elektronische Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllelement (7) einen Bereich zwischen einer Außenoberfläche und einem Hauptoberflächenbereich (3, 4) der Leiterplatte (2) und/oder dem Bauelement (5, 6) und einem Hauptoberflächenbereich (3, 4) der Leiterplatte (2) ausfüllt, insbesondere wobei das Hüllelement (7) durch eine Vergussmasse oder Umspritzungsmasse gebildet ist.
Elektronische Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiteres Bauelement (5) von dem Hüllelement (7) oder einem weiteren, von dem Hüllelement (7) getrennten Hüllelement (8) umgeben ist oder in dem Hüllelement (7) oder dem weiteren Hüllelement (8) eingebettet ist, insbesondere wobei das weitere Hüllelement (8) aus einem anderen Material als das Hüllelement (7) hergestellt ist, insbesondere wobei das weitere Hüllelement (8) durch ein Metallgehäuse gebildet ist.
Elektronische Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeabfuhrelement (6) Hinterschnitte (14) aufweist, welche von dem Hüllelement (7, 8) umschlossen sind.
Elektronische Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 6 für eine integrierte Getriebesteuerung für Kraftfahrzeuge.