DE102013217363A1

DE102013217363A1 - Neuartige Anbindung einer flexiblen Leiterplatte an ein Steuergerätegehäuse

Info

Publication number: DE102013217363A1
Application number: DE201310217363
Authority: DE
Inventors: Gerhard Wetzel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-03-05
Also published as: WO2015028254A1; KR20160048791A; CN105474763A; EP3039950A1

Abstract

Gehäuseanordnung (30) für ein Steuergerät, aufweisend ein Gehäuseelement (1) mit einem Innenraum (9) und einen Außenbereich (31), wobei im Innenraum (9) zumindest eine Elektronikkomponente (11) des Steuergerätes anordenbar ist, wobei das Gehäuseelement (1) zumindest ein leitfähiges Element (6) aufweist, das den Innenraum (9) leitfähig mit dem Außenbereich (31) verbindet, wobei das leitfähige Element (6) ausgebildet ist als ein längliches Element mit einer Verdickung (8) zumindest an einem Ende des leitfähigen Elementes, insbesondere eine Nagelkopfform (8) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung (8) im Außenbereich (31) des Gehäuseelementes (1) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbindungstechnologie in Fahrzeugen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Steuergeräte-Anbindungstechnologie. Weiter insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Gehäuseanordnung für ein Steuergerät, ein Getriebe sowie ein Fahrzeug, insbesondere Automobil.
Stand der Technik
Durch die immer weiter fortschreitende Elektronisierung von Fahrzeugen werden mittlerweile eine Vielzahl von Steuergeräten in Fahrzeugen vorgesehen, welche dezentrale und insbesondere lokale Steuerungsaufgaben einzelner Fahrzeugkomponenten übernehmen. Solche Steuergeräte können dabei auch beispielsweise im Inneren von Getrieben, somit im Getriebeaggregat selbst angeordnet sein. Elektronikmodule zum Betrieb im Getriebe werden dabei meist derart angeordnet, dass sie im bzw. zumindest teilweise im Getriebeöl untergebracht und mit diesem in Verbindung stehen. Damit sie einerseits den hohen Temperaturen im Getriebe, andererseits der aggressiven Getriebeflüssigkeit widerstehen können, werden entsprechende elektronische Steuerungsmodule in hermetisch dichten Steuergerätegehäusen bereitgestellt, die meist aus einer Stahlbodenplatte und einem mit dieser Bodenplatte dicht verschweißten Stahldeckel ausgebildet sind. Elektrisch leitfähige Verbindungen aus dem Innenraum des Steuerungsmoduls zur Außenseite werden meist durch eingeglaste leitfähige Elemente bzw. Pins bereitgestellt, die eine gasdichte, isolierte Kontaktierung aus dem dichten Innenraum nach außen ermöglichen.
Die leitfähigen Elemente sind dabei meist als Pin bzw. zylindrische Stifte ausgebildet, wobei diese Pins aber auch die Form von Nagelköpfen aufweisen können. Hierbei ist ein im Wesentlichen zylindrischer Stift mit einer Verdickung an einem Ende vorgesehen, wobei die Verdickung im Innenraum des Gehäuses angeordnet ist, um eine vergrößerte Kontaktierungsfläche für die elektrisch leitfähige Anbindung von im Innenraum des Steuerungsmoduls befindlichen Elektronikkomponenten bereitzustellen. Eine derartige Nagelkopfform von Pins ermöglicht beispielsweise das Mehrfachbonden auf einen einzelnen Pin, somit die parallele Anbindung und damit die Erhöhung der Stromtragfähigkeit einer leitfähigen Anbindung einer Elektronikkomponente an ein Pin. Derartige elektronische Steuerungsmodule werden an der Außenseite bzw. im Außenbereich meist unter Verwendung eines Stanzgitters leitfähig angebunden.
Soll die außenliegende Anbindung unter Verwendung einer flexiblen Leiterplatte (Flexible Printed Circuit Board – FPC) realisiert werden, so werden hierbei meist die nach außen geführten Leitelemente durch Öffnungen in der FPC gesteckt und nachfolgend verlötet. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die einzelnen Pins durch die Einglasung relativ große Positionstoleranzen aufweisen können und so die Öffnungen in der FPC vergleichsweise groß ausgeführt werden müssen, damit Einfügen/Durchstecken der Pins durch die Öffnungen der FCP noch möglich ist. Hierdurch mag allerdings das Lot der Lötverbindung einen vergleichsweise großen Spalt zwischen Pins und FPC überbrücken müssen, welcher Spalt jedoch potentiell ungünstig für die Festigkeit sowie die Qualität der Lötverbindung ist. Lötverbindungen sind in diesem Zusammenhang nur aufwendig und schwierig bezüglich ihrer Qualität zu prüfen, zum Beispiel in Bezug auf Risse und kalte Lötstellen, wobei durch das Aufbringen des Lotes ein zusätzlicher Arbeitsgang mit Kosten verursacht wird. Durch eine solche Lötverbindung werden im Weiteren auch Materialien wie Lot und Flussmittel in die Ölumgebung in einem Getriebe eingebracht, so dass zusätzliche Untersuchungen bezüglich der Materialverträglichkeit notwendig werden mögen.
Offenbarung der Erfindung
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung mag darin gesehen werden, eine neuartige Anbindung einer flexiblen Leiterplatte an ein Steuergerätegehäuse bereitzustellen.
Demgemäß wird eine Gehäuseanordnung für ein Steuergerät, ein Getriebe, aufweisend eine erfindungsgemäße Gehäuseanordnung sowie ein Fahrzeug, insbesondere Automobil, gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereitgestellt. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein leitfähiges Element, das den Innenraum des Steuergerätegehäuses mit einem Außenbereich verbindet, als längliches Element bzw. zylindrisches Element bzw. zylindrischer Stift ausgeführt mit einer Verdickung an zumindest einem Ende des leitfähigen Elementes, insbesondere aufweisend eine Nagelkopfform, wobei jedoch die Verdickung bzw. der Kopf im Außenbereich des Gehäuseelementes angeordnet ist. Das leitfähige Element weist somit eine vergrößerte Auflage bzw. Kontaktfläche auf, an die eine flexible Leiterplatte angebunden werden kann. Hierüber lässt sich ein hermetisch dichtes Steuergerät mit einer flexiblen Leiterplatte geeignet kontaktieren, beispielsweise unter Verwendung einer Schweißverbindung, alternativ auch als eine Lötverbindung.
Die Kontaktierung zwischen flexibler Leiterplatte und leitfähigem Element, insbesondere dessen Verdickung, kann dabei so ausgeführt sein, dass eine flexible Leiterplatte mit einseitigem Zugriff ohne Abisolierungsprozesse eingesetzt werden kann und somit eine kostengünstige und robuste Kontaktierung ermöglicht. Ein einseitiger Zugriff ist dabei derart zu verstehen, dass die im Wesentlichen länglich bzw. flächig ausgebildete flexible Leiterplatte nur auf einer Seite isoliert ausgebildet ist, insbesondere auf der Seite, mit der die flexible Leiterplatte mit dem leitfähigen Element in Verbindung steht, nicht bzw. zumindest im Bereich der leitfähigen Elemente nicht isoliert ausgebildet ist. Eine Schweißverbindung kann nachfolgend schnell, kraftfrei und prozesssicher z.B. mittels Laserschweißung erfolgen, wobei hier bevorzugt der Laserstrahl auf den Kontaktpin bzw. die Verdickung des leitfähigen Elementes einkoppelt und nicht auf das leitfähige Material der flexiblen Leiterplatte, zum Beispiel deren Kupferwerkstoff, selbst. Die leitfähigen Elemente der Gehäuseanordnung mögen beispielsweise aus einer Nickel-Eisenlegierung (NiFe) aufgebaut sein, wodurch Wärmeausdehnungskoeffizienten des leitfähigen Elementes und des beispielsweise zur Einglasung verwendeten Glasmaterials ähnlich sind. Ein Einkoppeln eines Laserstrahls auf Eisen bzw. auf eine Nickel/Eisenlegierung mag gegenüber einer Einkoppelung in Kupferwerkstoffen wesentlich besser möglich sein, was die Qualität und Robustheit einer Schweißung verbessern mag. Durch eine geeignete Isolierung der flexiblen Leiterplatte und der Kontaktstellen werden offene Kontaktstellen und somit die Gefahr von Kurzschlüssen durch im Getriebe bzw. Getriebeöl vorhandene leitfähige Elemente wie Späne oder Partikel vermieden. Die Verwendung einer flexiblen Leiterplatte ermöglicht dabei die flexible Kontaktierung eines Steuergerätes. Die flexible Leiterplatte kann beispielsweise in Streifenform ausgeführt sein und aufgrund ihrer Flexibilität auch über Kanten des Steuergerätes hinweg kontaktieren. Bevorzugt wird eine Trennung zwischen mechanischer Kontaktierung bzw. Fixierung und der elektrischen Kontaktierung bereitgestellt, so dass die elektrische Kontaktierung eine Stromführung, während die mechanische Kontaktierung eine Zugentlastung bereitstellt und somit die mechanische Belastung reduziert.
Erfindungsgemäß werden Kräfte auf die leitfähigen Elemente einer Gehäuseanordnung, zum Beispiel die Pins bzw. die Einglasung, während der Herstellung der erfindungsgemäßen Kontaktierung zwischen leitfähigem Element und flexibler Leiterplatte sowie im regulären Betrieb reduziert bzw. vermieden, so dass eine Beschädigung der Einglasung, zum Beispiel durch Risse, und damit eine Undichtigkeit des Steuergerätes vermieden wird. Erfindungsgemäß wird durch die Gehäuseanordnung eine vergleichsweise kostengünstige Lösung bei kleiner bzw. reduzierter Bauhöhe erzielt.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Aufsicht auf eine exemplarische Ausgestaltung eines Steuergerätes gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Detaildarstellung des Teilschnitts A-A der 1;
3 einen exemplarischen Montageablauf eines Steuergerätes gemäß der vorliegenden Erfindung; und
4 eine Detaildarstellung einer Anbindung von leitfähigen Elementen an eine flexible Leiterplatte gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Gehäuseanordnung 1 für ein Steuergerät, aufweisend eine Grundplatte 2 und ein Abdeckelement 3, das mit Grundplatte 2 dicht, insbesondere hermetisch dicht verschweißt ist. Das Steuergerät kann nach außen durch mindestens eine flexible Leiterplatte 4 mit, in 1 nicht dargestellten, Sensoren, Steckern und dergleichen kontaktiert werden. Flexible Leiterplatte 4 wird vorteilhafterweise mit mehreren Einzelteilen bzw. Teilstücken 4a–e realisiert, so dass eine kostengünstige Umsetzung möglich ist und im Weiteren auch auf die bauraummäßigen Erfordernisse einer jeweiligen Getriebeapplikation eingegangen werden kann. Teilstücke 4a–e der flexiblen Leiterplatte 4 sind unter Verwendung von Zapfen 21 mit der Grundplatte 2 der Gehäuseanordnung 1 des Steuergerätes mechanisch verbunden. Ein möglicherweise unter Abdeckelement 3 im Innenraum der Gehäuseanordnung angeordnetes Elektronikmodul 10, 11, welches unter Verwendung von leitfähigen Elementen 6 bzw. Pins an die flexiblen Leiterplatten 4 angebunden ist, ist aufgrund der nicht durchsichtigen Ausgestaltung des Abdeckelementes 3 in 1 verborgen.
Weiter Bezug nehmend auf 2 wird eine Detaildarstellung des Teilschnitts A-A der 1 dargestellt.
2 stellt den Teilschnitt A-A der 1 durch den Kontaktpin 6 des Steuergerätes dar. Grundplatte 2 und Abdeckelement 3 sind an Stelle 5 dicht miteinander verschweißt. Pin 6 ist in Grundplatte 2 isolierend und dicht gehaltert, beispielsweise durch Einglasung 7, und weist eine Nagelkopfform 8 auf. Nagelkopfform bedeutet hierbei eine Umsetzung als ein im Wesentlichen länglicher bzw. zylindrischer Grundkörper mit einer Verdickung an einem Ende. In 2 ist der Nagelkopf 8 jedoch nicht im hermetisch dichten Innenraum 9, sondern nach außen zeigend bzw. im Außenbereich 31 des Gehäuseelementes 1 angeordnet.
Im Innenraum 9 des Gehäuseelementes 1 ist Schaltungsträger 10 mit elektronischen Bauteilen 11 vorgesehen und auf der Grundplatte 2 fixiert, beispielsweise angeklebt. Schaltungsträger 10 ist an mindestens einer Stelle unter Verwendung einer elektrisch leitfähigen Verbindung 12, zum Beispiel einer Bondverbindung 12, mit dem Kontaktpin 6 elektrisch kontaktiert. Auf die Verdickung 8 des leitfähigen Elementes 6 bzw. den Nagelkopf 8 des Kontaktpins 6 ist eine flexible Leiterplatte 4 derart aufgelegt, dass der Zugriff durch eine Isolierung, beispielsweise Deckfolie 13, in Richtung des Nagelkopfes 8 zeigt. Die Zugriffsöffnung 14 ist dabei größer, insbesondere geringfügig größer als der Nagelkopfdurchmesser, um somit Positionstoleranzen ausgleichen zu können.
Flexible Leiterplatte 4 liegt mit ihrer elektrisch leitenden Schicht 15, beispielsweise ausgebildet aus Kupfer, auf dem Nagelkopf 8 auf. Eine weitere isolierende Schicht, Basisfolie 16, deckt die leitende Schicht 15 der flexiblen Leiterplatte 4 ab. Durch die Basisfolie 16 und die leitende Schicht 15 hindurch mag innerhalb der Zugriffsöffnung 14 eine Öffnung 17 eingebracht sein, beispielsweise gestanzt, welche einen direkten Zugang von außerhalb zum Nagelkopf 8 bzw. dessen Oberfläche ermöglicht. Zur Montage bzw. Verbindung von Nagelkopf 8 und der leitenden Schicht 15 der flexiblen Leiterplatte 4 wird Laserstrahl 23 verwendet, der durch die Öffnung 17 der flexiblen Leiterplatte 4 auf den Nagelkopf 8 gerichtet wird und dort einkoppelt. Dadurch schmilzt der Nagelkopf 8 an, und durch die innige Auflage der leitenden Schicht 15 mit dem Nagelkopf 8 wird auch das Material, beispielsweise das Kupfer, der leitenden Schicht 15 erwärmt. Da insbesondere Kupfer eine niedrigere Schmelztemperatur aufweist als beispielsweise das Material des Pins 6, beispielsweise eine Nickel/Eisenlegierung, erfolgt das Anschmelzen bzw. ein Diffusionsvorgang von Nagelkopf 8 und leitender Schicht 15. Die elektrische Kontaktierung bzw. Verbindung zwischen dem leitfähigen Element 6 und der leitenden Schicht 15 wird somit durch eine Schweißung bzw. Diffusionsschweißung bereitgestellt. Alternativ können beim Steuergerät auch elektrische Leiter kontaktiert werden, die sehr hohe Ströme führen, welche potenziell die Leistungsfähigkeit einer flexiblen Leiterplatte 4 überschreiten würden. In diesem Fall können auch einzelne Pins 6 mit Stanzgitterbahnen oder dergleichen verschweißt werden.
Auch können die Pins 6 auf beiden Seiten bzw. beiden Enden des länglichen Elementes eine Verdickung bzw. einen Nagelkopf aufweisen, welcher bevorzugt auch erst nach der Montage des Pins, beispielsweise nach dem Einglasen, bereitgestellt bzw. angeformt werden kann. Um hohe Ströme zum Schaltungsträger zu führen, kann in diesem Fall eine elektrisch leitfähige Verbindung unter Verwendung von Mehrfachbonds 12 vorgenommen werden.
Alternativ zu einer Schweißverbindung ist es auch denkbar, Pin 6 bzw. Nagelkopf 8 mit einem Lotdepot zu versehen, zum Beispiel mittels Pastendruck, wobei der Laser nachfolgend durch die Öffnung 17 direkt auf das Lot einkoppelt, dieses erwärmt und hierdurch eine Lotverbindung zwischen leitender Schicht 15 und Nagelkopf 8 herstellt. Um Kurzschlüsse zwischen den Pins 6 zu vermeiden, wird nach der elektrischen Kontaktierung, beispielsweise durch Laserschweißen, ein Abdeckteil 24 als Isolierungselement auf die Zapfen 19 und 20 aufgesteckt und gegebenenfalls durch Warmverstemmung vernietet, welches Abdeckteil 24 Öffnungen 17 abdeckt und damit verschließt. Weiterhin, wie auch in 4 näher dargestellt, mag Trageelement 18 derart ausgestaltet sein, so dass sich Pins 6 mit ihren Nadelköpfen 8 jeweils in einer Öffnung 27 befinden, welche einen isolierenden Abschnitt 28 zwischen den Pins 6 ausbildet. Eine diesbezügliche Detaildarstellung findet sich in 4. Durch die Gestaltung des Trageelementes 18 und des Abdeckteils 24 mag somit für jeden Pin 6 und zugehöriger Kontaktstelle der flexiblen Leiterplatte 4 eine Einzelkammerung sichergestellt sein. Dies mag Kurzschlüsse zwischen den Pins durch Partikel, Späne etc., die sich im Getriebeöl befinden, vermeiden.
Da elektrische Verlustleistung der Bauelemente 11 vom Schaltungsträger 10 durch die Bodenplatte 2 abgeführt werden muss, mag bevorzugt ein Wärmeableitungselement 25 an Grundplatte 2 angebunden sein. Wärmeableitungselement 25 mag bevorzugt durch starre oder auch nachgiebig ausgestaltete Auskragungen 26 am Abdeckteil 24 vorfixiert werden. Durch die Fixierung bzw. Anpressung des gesamten Steuergerätes im Getriebe auf eine metallische Fläche, zum Beispiel des hydraulischen Steuerungsblocks, mag die Wärmeableitung von Bauelement 11 über Schaltungsträger 10, Grundplatte 2 sowie Wärmeableitelement 25 zum hydraulischen Steuerungsblock mittels Wärmeleitung sichergestellt sein.
Ein Montageablauf ist in 3 dargestellt. Die auf die Tragelemente 18 aufgebrachte, zum Beispiel geklebte, flexible Leiterplatte 4 wird mit Zapfen 21 durch Bohrungen 22 gesteckt. Anschließend werden Zapfen 21 formschlüssig verbunden, beispielsweise vernietet. Dadurch kommt die flexible Leiterplatte 4 mit ihren Öffnungen 17 auf den Nadelköpfen 8 zu liegen. Nachfolgend kann das Anschweißen mit Laserstrahl 23 gemäß 2 erfolgen. Nach erfolgtem Anschweißen wird Abdeckteil 24 montiert, welches die Öffnungen 17 isoliert.

Claims

Gehäuseanordnung (30) für ein Steuergerät, aufweisend ein Gehäuseelement (1) mit einem Innenraum (9) und einen Außenbereich (31); wobei im Innenraum (9) zumindest eine Elektronikkomponente (11) des Steuergerätes anordenbar ist; wobei das Gehäuseelement (1) zumindest ein leitfähiges Element (6) aufweist, das den Innenraum (9) leitfähig mit dem Außenbereich (31) verbindet; wobei das leitfähige Element (6) ausgebildet ist als ein längliches Element mit einer Verdickung (8) zumindest an einem Ende des leitfähigen Elementes, insbesondere eine Nagelkopfform (8) aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung (8) im Außenbereich (31) des Gehäuseelementes (1) angeordnet ist.
Gehäuseanordnung gemäß Anspruch 1, wobei das leitfähige Element (6) in das Gehäuseelement (1) eingeglast (7) ist.
Gehäuseanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das zumindest eine leitfähige Element (6) an eine flexible Leiterplatte (4) angebunden, insbesondere angeschweißt ist.
Gehäuseanordnung gemäß Anspruch 3, wobei die flexible Leiterplatte (4) zumindest einen flexiblen Leiter (15) aufweist; und wobei die flexible Leiterplatte (4) einen Bereich (14) aufweist in dem der zumindest eine flexible Leiter (15) mit der Verdickung (8) in leitfähigem Kontakt steht.
Gehäuseanordnung gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der flexible Leiter (15) im Bereich einer Kontaktierung der Verdickung (8) eine Öffnung (17) aufweist, in die eine Energiequelle (23) zur Herstellung der Anbindung einkoppelbar ist; wobei insbesondere unter Verwendung der Öffnung (17) Verbindungsmaterial zur Herstellung der Anbindung einbringbar ist.
Gehäuseanordnung gemäß Anspruch 5, wobei die Energiequelle (23) eine Laser-Energiequelle zur Herstellung einer Laserschweißverbindung ist.
Gehäuseanordnung gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die Energiequelle (23) im Material des leitfähigen Elementes (6), insbesondere in der Verdickung (8) und/oder im Verbindungsmaterial, einkoppelt.
Gehäuseanordnung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei der flexible Leiter (4) eine Isolierung (14, 16) aufweist, und/oder wobei der flexible Leiter (4) durch ein weiteres Isolierungselement (24) isoliert wird, insbesondere von seiner Umgebung isoliert wird.
Gehäuseanordnung gemäß Anspruch 8, wobei die Gehäuseanordnung (30) ein Kühlelement (25) zur Wärmeabfuhr aus dem Innenraum (9) aufweist; wobei das Kühlelement (25) vom Isolierungselement (24), insbesondere von zumindest einer Auskragung (26) des Isolierungselementes (24), gehaltert ist.
Gehäuseanordnung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei die flexible Leiterplatte (4) ausgebildet ist als eine flexible Leiterplatte mit einseitigem Zugriff.
Gehäuseanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuseelement (1) ausgebildet ist als ein dichtes Gehäuseelement, insbesondere als ein hermetisch dichtes Gehäuseelement; und/oder wobei das leitfähige Element (4) an beiden Enden eine Verdickung (8) aufweist; und/oder wobei das Gehäuseelement (1) ausgebildet ist aus zumindest einem Gehäusebodenelement (2) und einem Gehäuseabdeckelement (3), die verbunden sind, insbesondere dicht oder hermetisch dicht.
Getriebe, aufweisend eine Gehäuseanordnung (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.