DE102014210914A1

DE102014210914A1 - Flexible Leiterplattenstruktur und die Verwendung der flexiblen Leiterplattenstruktur in einem Steuergerät für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014210914A1
Application number: DE102014210914.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Gottschling; Bernhard Schuch
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2015-12-17
Also published as: WO2015185419A1

Abstract

Flexible Leiterplattenstruktur zum elektrischen Verbinden erster elektrischer Bauteile in einem Kraftfahrzeugsteuergerätgehäuse mit zweiten elektrischen Bauteilen außerhalb des Kraftfahrzeugsteuergerätgehäuses, wobei eine Leiterbahnschicht (1) zwischen einer ersten elektrisch isolierenden Deckfolienschicht (2) und einer zweiten elektrisch isolierenden Deckfolienschicht (3) angeordnet ist, und wobei die Leiterbahnschicht (1) eine Kupferschicht mit einem Legierungsanteil von mindestens 4,5% ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine flexible Leiterplattenstruktur und die Verwendung dieser flexiblen Leiterplattenstruktur in einem Steuergerät für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des Anspruchs 6.
Flexible Leiterplatten werden in zunehmendem Maße in elektronikgesteuerten Systemen, insbesondere auch Kraftfahrzeugen als elektrische Verbindungselemente eingesetzt. Ihre besonderen Vorteile – Anpassungsfähigkeit an vorgegebene Gehäuseformen, geringer Platzbedarf und hohe dynamische Beanspruchbarkeit bei kostengünstiger Herstellung – führen dazu, dass diese Technik einen immer größer werdenden Anwendungsbereich findet.
In der deutschen Patentanmeldung 197 20 167.9 ist eine flexible Leiterplattenstruktur zum Anschließen von mehreren elektrischen Bauelementen an ein Getriebesteuergerät beschrieben. Die Leiterplattenstruktur weist aus ihrer Ebene her ausklappbare Arme auf, die die Anschlußverbindungen für die elektrischen Bauelemente bilden und sich dabei auch kontaktfrei kreuzen können.
Zur Entflechtung der Leiterbahnen einer solcherart eingesetzten flexiblen Leiterplatte ist es erforderlich, elektrische Verbindungen zwischen auseinanderliegenden Leiterbahnen zu realisieren und dabei gegebenenfalls zwischenliegende Leiterbahnen kontaktfrei zu kreuzen.
In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, flexible Leiterplatten mit mehreren Leiterbahnebenen einzusetzen. Bei mehrlagigen Leiterplatten können mittels geeigneter Durchkontaktierungen zwischen verschiedenen Leiterbahnebenen elektrische Verbindungen zwischen auseinanderliegenden Leiterbahnen einer Ebene hergestellt werden.
Moderne Kraftfahrzeugsteuergeräte steuern bzw. regeln insbesondere Vorgänge in Aggregaten wie Motoren oder automatischen bzw. automatisierten Getrieben. Die Steuergeräte enthalten in der Regel eine Vielzahl von elektronischen Komponenten, die von einem Gehäuse aus Kunststoff und/ oder Metall umgeben sind. Die elektronischen Komponenten im Steuergerätgehäuse sind insbesondere mit Komponenten wie Sensoren oder Stellgliedern außerhalb des Gehäuses mittels metallischer Verbindungsleitungen signal- bzw. energieübertragend elektrisch verbunden. Diese metallischen Verbindungsleitungen sind häufig als oben erwähnte flexible Leiterplattenstruktur, oder auch Flexfolie genannt, ausgeführt.
Die Steuergeräte sind im Normalfall als Anbau- am oder als Vorortsteuergerät im entsprechenden Aggregat angeordnet. Vor allem bei der Verwendung als Vorortsteuergerät in fluider Umgebung wie Ölen und unter Umständen darin entstehenden Gasen werden hohe Anforderungen an die Materialbeständigkeit, insbesondere der Abdichtung des in der Regel zweiteiligen Gehäuses und/ oder an die Abdichtung der Durchführung der metallischen Verbindungsleitungen im Gehäuse gestellt. Bei der Abdichtung der Durchführung der metallischen Verbindungsleitungen im Gehäuse sind diese vor allem in Kunststoff eingespritzt bzw. mit Kunststoff umspritzt.
Ein Vorortsteuergerät, insbesondere in einem Getriebe ist ständig von Öl umgeben. Das Öl soll als Schmierstoff in erster Linie Verschleiß an den sich drehenden Teilen im Getriebe verhindern und Reibung reduzieren. Die Güte dieser Eigenschaften hängen insbesondere vom Schwefelgehalt im Öl ab. Unter Belastung kommt es zu einer chemischen Reaktion zwischen den metallischen Rauheitsspitzen der Metalloberflächen und den Schwefelmolekülen. Dabei bildet sich an den Oberflächen eine Reaktionsschicht, die den Verschleiß und die Reibung reduziert. Das Material in der Reaktionsschicht ist etwas weicher, so dass ein Abbrechen oder örtliches Verschweißen der Rauheitsspitzen vermieden wird.
In der Vergangenheit, als noch keine Hochleistungsgetriebe verwendet wurden und die Ansprüche an die Öle daher niedriger waren, wurden in Automatikgetrieben Getriebeflüssigkeiten insbesondere so genannte ATF-Öle (ATF: Automatic Transmission Fluid) mit einem Schwefelanteil kleiner ca. 1200 ppm eingesetzt.
Bei neuen Hochleistungsgetrieben kommen angepasste Hochleistungsgetriebeöle mit verbesserten Schmiereigenschaften mit einem höheren Schwefel-Gehalt, insbesondere von ca. 1200–20000 ppm zum Einsatz.
Diese Schmierflüssigkeiten mit dem erhöhten Schwefel-Gehalt haben aber den Nachteil, dass sie vor allem bei höheren Temperaturen, insbesondere bei circa 90°C und höher, ein hohes Korrosionspotential gegenüber Kupferwerkstoffen aufweisen und bei Kontakt diese angreifen.
Dies führt häufig zu Korrosionseffekten im Inneren der Steuergerätgehäuse und damit zu Fehlern in der Verbindungstechnologie, z.B. durch Auflösung insbesondere von Schweißstellen und Lötstellen zwischen verschiedenen Abschnitten der elektrischen Leitungen oder zur Bildung von Kurzschlüssen zwischen stromführenden Verbindungsleitungen bei angelegtem Potential, welche dann zum Ausfall des Getriebesteuergeräts führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, flexible Leiterplattenstrukturen derart zu verbessern, dass sie auch in einer Umgebung von Ölen, die einen höheren Schwefelgehalt, insbesondere > 1200 ppm aufweisen, weniger bis überhaupt nicht korrodieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine flexible Leiterplattenstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß umfasst die flexible Leiterplattenstruktur zum elektrischen Verbinden erster elektrischer Bauteile in einem Gehäuse mit zweiten elektrischen Bauteilen außerhalb des Gehäuses eine Leiterbahnschicht, wobei die Leiterbahnschicht eine Kupferschicht mit einem Legierungsanteil von mindestens 4,5 % umfasst. Zum Kontaktieren der elektrischen Bauteile mit der Leiterbahnschicht werden Kontaktstellen durch Entfernen der Deckfolienschicht an diesen Stellen geschaffen. Die Kontaktstellen sind insbesondere als Löt-, Schweiß- oder Bondflächen ausgeführt. Ein Kontakt eines elektrischen Bauteils deckt nach der Herstellung der elektrischen Verbindung in der Regel nicht die gesamte Fläche der Kontaktstelle auf der Leiterbahnschicht ab. Somit ist ein Teil der Kontaktstelle der Umgebung insbesondere bei Vorortsteuergeräten, dem Öl ausgesetzt. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Kupferlegierung wird die Korrosion verhindert bzw. erheblich vermindert
Insbesondere sind die Leiterbahnschichten aus Kupfer mit einem oder mehreren Begleitmetallen wie Zinn, Zink, Eisen, Aluminium, Nickel, Mangan, Silizium, Chrom, Titan, Blei.
Als besonders korrosionsbeständig hat sich eine Kupferlegierung im Wesentlichen aus Kupfer mit Zink und/ oder Nickel erwiesen.
Die flexible Leiterplattenstruktur kann auch mehr als eine Leiterbahnschicht umfassen.
Dabei sind die einzelnen Leiterbahnschichten in der Regel mittels Durchkontaktierungen (auch Vias genannt) miteinander elektrisch leitend verbunden
Die einzige 1 zeigt den Aufbau einer einlagigen Struktur einer flexiblen Leiterplatte.
Bei dieser flexiblen Leiterplattenstruktur ist eine Leiterbahnschicht 1 zwischen einer ersten elektrisch isolierenden Deckfolienschicht 2 und einer zweiten elektrisch isolierenden Deckfolienschicht 3 angeordnet. Die Leiterbahnschicht 1 ist als eine Kupferschicht mit einem Legierungsanteil von mindestens 4,5 % ausgeführt. Dadurch wird die Korrosion einer nicht gezeigten, frei liegenden Kontaktstelle auf der Leiterbahnschicht verhindert bzw. reduziert. Die Deckfolienschichten 2, 3 können aus gängigen bei der Leiterplattenfertigung verwendeten Kunststofffolien, wie z. B. Polyimidfolien, bestehen und eine Dicke von etwa 25 oder auch 50 µm aufweisen. Zwischen der Leiterbahnschicht 1 und den Deckfolienschichten 2, 3 kann je nach Ausführung der flexiblen Leiterplatte 1 ein Acryl- oder Epoxidharz-kleberschicht 4 vorhanden sein.
Derartige flexible Leiterplattenstrukturen, die ausschließlich auf einer Seite mit Kontaktstellen versehen sind, werden in der Technik als Leiterplattenstrukturen mit einseitigem Kontakt als Zugriff bezeichnet. Sie sind wesentlich kostengünstiger als Leiterplattenstrukturen mit beidseitigem Kontakt (d. h. Leiterplattenstrukturen, bei denen Kontaktstellen in beiden Deckfolienschichten 2 und 3 vorhanden sind) produzierbar, weil das Anheften der einzelnen Schichten sowie Strukturierungsschritte zum Herausbilden von Leiterbahnschichten 4 aus der Metallfolienschicht an kontinuierlichen Materialbahnen durchführbar ist. Die Kontaktstellen in den Deckfolienschichten 2, 3 können dabei entweder bereits vor dem Zusammenfügen der Folien 1, 2, 3 in einer Deckfolienschicht 2, 3 vorgefertigt sein oder sie können nach dem Aufbau des Leiterplattenverbunds auch nachträglich durch Abtragen von Deckfolienmaterial in die Deckfolie 2, 3 eingebracht werden. Bei beidseitigen Kontaktstellen wird insbesondere ein Kontakt eines elektrischen Bauteils an einer Seite der Leiterbahnschicht 1 angeordnet und mittels Bestrahlung der Kontaktstelle der dem Bauteil gegenüber liegenden Seite der Leiterbahnschicht 1 durch einen Laser stoffschlüssig mit der Kontaktstelle der Leiterbahnschicht 1 verbunden. Die dem Bauteil gegenüberliegende Kontaktstelle bleibt danach für die Umgebung frei zugänglich und ist bei Verwendung von reinem Kupfer als Leiterbahnschichtmaterial sehr korrosionsanfällig. Die Verwendung von Messing mit den angegebenen Legierungsbeimengungen kann dies ganz bzw. weitgehend verhindern.
Die in 1 gezeigte Leiterplattenstruktur weist eine Leiterbahnschicht 1 auf. Für komplexe Aufbauten kann eine Leiterplattenstruktur auch mehr als eine Leiterbahnschicht 1 umfassen.
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

DE 19720167 [0003]

Claims

Flexible Leiterplattenstruktur zum elektrischen Verbinden erster elektrischer Bauteile in einem Kraftfahrzeugsteuergerätgehäuse mit zweiten elektrischen Bauteilen außerhalb des Kraftfahrzeugsteuergerätgehäuses, wobei eine Leiterbahnschicht (1) zwischen einer ersten elektrisch isolierenden Deckfolienschicht (2) und einer zweiten elektrisch isolierenden Deckfolienschicht (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnschicht (1) eine Kupferschicht mit einem Legierungsanteil von mindestens 4,5% ist.
Flexible Leiterplattenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnschicht (1) eine Kupferlegierung aus Kupfer mit einem oder mehreren Begleitmetallen wie Zinn (Sn), Zink (Zn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Silizium (Si), Chrom (Cr), Titan (Ti), Blei (Pb) umfasst.
Flexible Leiterplattenstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnschicht (1) eine Kupferlegierung aus Kupfer mit Zink (Zn) und/ oder Nickel (Ni) umfasst.
Flexible Leiterplattenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Leiterplattenstruktur mehr als eine Leiterbahnschicht (1) umfasst.
Flexible Leiterplattenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Deckfolienschichtschicht (2, 3) aus Polyimid ist.
Verwendung einer flexiblen Leiterplattenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Steuergerät für ein Kraftfahrzeug.