-
Die Erfindung betrifft einen Sensorbaustein mit einem gehäusten Sensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Trägerleiterplatte mit einem derartigen Sensorbaustein nach dem Oberbegriff von Anspruch 7.
-
Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, dass in der Kraftfahrzeugtechnik Komponenten wie Getriebe-, Motoren- oder Bremssysteme zunehmend elektronisch gesteuert sind. Hierzu existieren integrierte mechatronische Steuerungen, auch als Vorort-Elektroniken bezeichnet, welche durch Integration von Steuerelektronik und zugehöriger elektronischer Komponenten wie Sensoren oder Ventile in das Getriebe, den Motor oder das Bremssystem erzeugbar sind. Das heißt, die Steuerelektronik und die zugehörigen elektronischen Komponenten sind nicht in einem separaten geschützten Elektronikraum außerhalb des Getriebes, Motors oder Bremssystems untergebracht.
-
Im Vergleich zur konventionellen Verwendung externer Anbausteuergeräte hat diese Anordnung enorme Vorteile im Bezug auf Qualität, Kosten, Gewicht und Funktionalität. Insbesondere resultiert daraus eine erhebliche Verringerung von unter Umständen fehleranfälligen Steckverbindungen und Leitungen.
-
Die Integration des Steuergerätes in das Getriebe stellt dabei hohe Anforderungen an seine thermische und mechanische Belastbarkeit. Die Funktionalität muss sowohl über einen breiten Temperaturbereich (etwa –40°C bis hin zu 200°C) als auch bei mechanischen Vibrationen (bis zu etwa 40g) gewährleistet sein.
-
Da das Steuergerät zumindest zum Teil von aggressiven Medien wie Getriebeöl und Getriebeöldampf umgeben ist, muss es zudem einen sehr hohen Dichtheitsgrad gegenüber diesen Medien aufweisen.
-
In Kraftfahrzeugen werden derartige Steuergeräte mit einer elektronischen Steuereinheit und zugeordneten Komponenten wie Sensoren für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt, wobei die Steuereinheit in der Regel einen Schaltungsträger, z. B. eine Leiterplatte und darauf befindliche aktive und passive elektronische Bauteile umfasst. Beispielsweise werden bei einem Einsatz in einem Getriebe mittels Sensoren Drehzahlen von Wellen und Positionen von Gangstellern sensiert. Anhand dieser Informationen steuert die elektronische Steuereinheit unter anderem die Schaltvorgänge im Getriebe. Die elektronische Steuereinheit ist in der Regel auf einer Trägerplatte angeordnet und von einem Gehäusekörper umschlossen. Die Sensoren sind anwendungsbedingt in der Nähe der zu sensierenden Teile positioniert und über elektrische Leiter, insbesondere Stanzgitter mit der elektronische Steuereinheit elektrisch verbunden. Die Stanzgitter sind üblicherweise mit Kunststoff umspritzt und bilden mit dem Sensor als elektrischer Komponente und einer Sensorabdeckung einen Komponententräger, auch Sensordom genannt.
-
Die
WO 2006/108932 A1 zeigt ein derartiges Steuergerät mit einem Gehäuse, umfassend einen Gehäusedeckel zur Aufnahme von Sensordomen und eine Gehäuseschale zur Aufnahme einer Steuereinheit und einem Folienleiter zum elektrischen Verbinden der Stanzgitter der Sensordome auf dem Gehäusedeckel mit der Steuereinheit.
-
Ein Nachteil bei der herkömmlichen Verwendung von Sensordomen ist, dass bei der Herstellung sehr viele Materialien unterschiedlicher mechanischer sowie thermischer Eigenschaften eingesetzt werden müssen, um einen relativ sicheren Schutz gegen Umgebungseinflüsse, insbesondere Öle zu erreichen. Trotz des Einsatzes hochwertiger, kostenintensiver Materialien sind immer wieder Ausfälle zu verzeichnen, die größtenteils auf freiliegende Kupferflächen an den Sensordomen zurückzuführen sind.
-
Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Sensordomen ist, dass die Sensoren in den Sensordomen bauartbedingt anfällig gegen Vibrationen sind und dass geometrische Vorgaben, z.B. Höhenversatz, Halterungen und dergleichen eingehalten werden müssen. Weiterhin erfordert die Herstellung dieser Dome eine technisch anspruchsvolle Prozesstechnik und muss in die Produktionslinien für die Herstellung der Steuergeräte mit integriert werden, was zu einem höheren Kostenaufwand führt.
-
Es gibt auch Anwendungen, bei denen die zu sensierenden Komponenten sich in unmittelbarer Nähe des Steuergerätes befinden und so auf den Einsatz von Domen als Sensorträger verzichtet werden kann. Die Sensorbauteile können direkt auf dem Schaltungsträger bzw. der Leiterplatte des Steuergerätes montiert werden.
-
Die Leiterplatten sind in der Regel aus faserverstärktem Kunststoff oder aus Keramik. Durch die Miniaturisierung der elektronischen Bauteile und die daraus hervorgehende Reduzierung des zur Verfügung stehenden Bauraums geht der Trend hin zu sog. Mehrlagen- oder Multilayer-Leiterplatten.
-
Mehrlagen-Leiterplatten aus faserverstärktem Kunststoff insbesondere glasfaserverstärktem Kunststoff, umfassen im wesentlichen Außen- und Innenlagen. Eine Außenlage umfasst in der Regel eine Kupferschicht bzw. Kupferfolie als leitendem Element und eine so genannten Prepreg-Schicht als isolierendem Element, wobei die Prepreg-Schicht aus einem mit Harz, insbesondere Epoxidharz, getränkten Glasfaserbasisgewebe besteht. Eine Innenlage, auch Leiterplattenkern oder Core genannt, besteht aus einer Prepreg-Schicht zwischen zwei Kupferschichten. Die Kupferschichten sind als Leiterbahnstrukturen ausgebildet. Um ein Verwinden der Mehrlagenleiterplatte zu vermeiden, ist der schichtweise Aufbau aus Kupferschicht und Prepreg-Schicht insbesondere symmetrisch zur innersten Prepreg-Schicht.
-
Das Bestücken von verschiedenen Bauteilen, z.B. SOT23 Hall-Sensoren und SOT89 Drehzahlsensoren auf der Oberfläche eines Schaltungsträgers insbesondere einer Leiterplatte mittels unterschiedlicher sog. „Surface Mounted“ Technologien ist Stand der Technik. Bei den genannten Sensoren handelt es sich insbesondere um gehäuste Bauteile.
-
Dabei werden die Bauteile durch die „Surface Mounted“ Technologie gleich orientiert auf der Oberfläche der Leiterplatte montiert, d.h. die Anschlussbeine der Bauteile, auch Pins genannt, werden auf sog. Padflächen der Leiterbahnstruktur, die mit Lötpaste versehen sind, ausgerichtet und anschließend in einem Reflow-Lötprozess verlötet. Die Pins auf der Unterseite des Bauteilgehäuses sind somit eben mit der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte verbunden.
-
Diese Anordnung hat insbesondere bei der Anwendung in Getriebesteuerungen den Nachteil, dass die Bauteile direkt oder indirekt mit dem Getriebeöl in Kontakt kommen können. Durch die im Getriebeöl unter Umständen enthaltenen aggressiven Bestandteile, insbesondere Schwefelanteile in unterschiedlicher Konzentration und unterschiedlichen Aggregatzuständen, können die Funktionalitäten des jeweiligen Sensorbauteils negativ beeinflusst werden, was in Einzelfällen auch zum Ausfall des jeweiligen Bauteils führen kann.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensorbaustein in einem KFZ-Steuergerät mit einem gehäusten Sensor anzugeben, der einen verbesserten Schutz gegenüber Umgebungseinflüssen, insbesondere aggressive Öle bietet.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensorbaustein mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
-
Der erfindungsgemäße Sensorbaustein umfasst einen gehäusten Sensor mit Anschlusspins und eine mehrlagige Leiterplatte. Die mehrlagige Leiterplatte weist eine obere Außenlage und eine untere Außenlage auf, mit jeweils einer elektrisch leitenden Leiterbahnschicht und einer isolierenden Leiterplattenbasisschicht, und die mehrlagige Leiterplatte weist weiterhin mindestens eine Innenlage zwischen den beiden Außenlagen auf, wobei bei der Innenlage eine Leiterplattenbasisschicht zwischen zwei Leiterbahnschichten angeordnet ist. Das Material der Leiterplattenbasisschicht ist insbesondere ein mit Harz getränktes Glasfaserbasisgewebe. Der Sensor ist vorteilhafterweise zwischen der oberen Leiterbahnschicht und der unteren Leiterbahnschicht angeordnet und vollständig mit Material der Leiterplattenbasisschicht umschlossen. Der Sensor ist dadurch vor Umgebungseinflüssen, insbesondere vor aggressiven Ölen geschützt.
-
Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Leiterbahnschichten ist mittels Durchkontaktierungen hergestellt. Die Lage und Anzahl der Durchkontaktierungen kann insbesondere individuell an die entsprechende Applikation angepasst werden.
-
Je nach Bauart oder Anforderung, insbesondere je nach Abstand des Sensors zum zu sensierenden Teil, kann der Sensor in einer Außenlage aus einer elektrisch leitenden Leiterbahnschicht und einer isolierenden Leiterplattenbasisschicht, oder in einer Innenlage, einer isolierenden Leiterplattenbasisschicht zwischen zwei elektrisch leitenden Leiterbahnschichten, angeordnet sein.
-
Insbesondere sind in der unteren Leiterbahnschicht der Leiterplatte externe Anschlusspads zum elektrischen Verbinden des Sensors mit elektrischen Bauteilen außerhalb des Sensorbausteins ausgebildet. Zum Beispiel kann der Sensorbaustein in eine Kavität einer Trägerleiterplatte eingelegt und mittels Verlöten oder Verschweißen mit dieser verbunden sein.
-
Alternativ dazu kann der Sensor mittels Durchsteckkontakten mit elektrischen Bauteilen außerhalb des Sensorbausteins elektrisch verbunden sein.
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Trägerleiterplatte mit einem Sensorbaustein gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Trägerleiterplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
-
Bei der erfindungsgemäßen Trägerleiterplatte ist der Sensorbaustein vorteilhafterweise in einer Kavität der Trägerleiterplatte angeordnet und mit mindestens einer Leiterbahnschicht der Trägerleiterplatte mittels Löten, Schweißen, Kleben oder Durchsteckmontage elektrisch leitend verbunden
-
In der nachfolgenden Beschreibung werden die Merkmale und Einzelheiten der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:
-
1 einen Sensor auf einer Leiterplatte in SMD-Technologie nach Stand der Technik,
-
2 einen Sensordom nach Stand der Technik,
-
3 einen erfindungsgemäßen Sensorbaustein, umfassend einen Sensor und eine mehrlagige Leiterplatte,
-
4 die Integration eines Sensorbausteins in eine Trägerleiterplatte,
-
5 die Integration eines Sensorbausteins wie in 4, wobei die Verbindung zur Trägerleiterplatte mittels Durchsteckmontage realisiert ist, und
-
6 einen Sensorbaustein, angeordnet in einer Art Sensordom.
-
1 zeigt einen gehäusten Sensor 3 auf einer Leiterplatte 6 mittels bekannter SMD-Technologie montiert.
-
Dabei ist der Sensor 3, beispielsweise durch „Surface Mounted“ Technologie auf der Oberfläche der Leiterplatte 6 montiert, d.h. die Anschlussbeine 2, 4 des Sensors 3, auch Anschlusspins genannt, sind auf sog. Padflächen 1, 5 der Leiterbahnstruktur auf der Leiterplatte 6 ausgerichtet und anschließend in einem Reflow-Lötprozess verlötet. Die Pins 1, 5 auf der Unterseite des Sensorgehäuses sind somit eben mit der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte 6 verbunden.
-
Diese Anordnung hat insbesondere bei der Anwendung in Getriebesteuerungen den Nachteil, dass die Bauteile insbesondere im Bereich ihrer Anschlüsse direkt oder indirekt mit dem unter Umständen aggressiven Getriebeöl in Kontakt kommen können. Das kann in Einzelfällen auch zum Ausfall des Bauteils führen.
-
2 zeigt einen schematisch gezeichneten Aufbau eines bekannten Sensordoms. An einem Sensor 3, insbesondere ist dieser gehäust, sind elektrische Anschlusspins 2 in der Regel in Form von Stanzgittern angeordnet. Die Stanzgitter 2 sind üblicherweise mit Kunststoff umspritzt und bilden das Sensordomgehäuse 10. Der Sensor 3 ist im Sensordomgehäuse 10 mit der Sensordomkappe 11 zumindest spandicht abgedeckt. Über die elektrischen Kontakte 19 sind die Stanzgitter 2 elektrisch kontaktierbar, zum Beispiel mit einer elektronischen Steuereinheit.
-
Nachteilig bei der Verwendung von derartigen Sensordomen ist insbesondere, dass es trotz des Einsatzes hochwertiger, teuerer Materialien immer wieder zu Ausfällen kommt, die größtenteils auf freiliegende Kupferflächen an den Sensordomen zurückzuführen sind.
-
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensorbaustein, umfassend einen gehäusten Sensor 3 mit Anschlusspins 2, 4 und eine mehrlagige Leiterplatte. Die mehrlagige Leiterplatte weist eine obere Außenlage 7a, 6 und eine untere Außenlage 7b, 6 auf, mit jeweils einer elektrisch leitenden Leiterbahnschicht 7a, 7b und einer isolierenden Leiterplattenbasisschicht 6.
-
Die mehrlagige Leiterplatte weist weiterhin mindestens eine Innenlage 6, 8 zwischen den beiden Außenlagen 7a, 6 und 7b, 6 auf, wobei bei der Innenlage 6, 8 eine Leiterplattenbasisschicht 6 zwischen zwei Leiterbahnschichten 8 angeordnet ist. Das Material der Leiterplattenbasisschicht 6 ist insbesondere ein mit Harz getränktes Glasfaserbasisgewebe. Der Sensor 3 ist vorteilhafterweise zwischen der oberen Leiterbahnschicht 7a und der unteren Leiterbahnschicht 7b angeordnet, hier in der Außenlage 7a, 6, und vollständig mit Material der Leiterplattenbasisschicht 6 umschlossen. Der Sensor 3 ist dadurch vor Umgebungseinflüssen, insbesondere vor aggressiven Ölen geschützt. Die Anschlusspins 2, 4 des Sensors 3 sind mittels Sensorpads 5 mit der inneren Leiterbahnschicht 8 elektrisch leitend verbunden.
-
Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Leiterbahnschichten 7b, 8 ist mittels elektrisch leitender Durchkontaktierungen 9, sog. Vias, hergestellt. Die Lage und Anzahl der Durchkontaktierungen 9 kann insbesondere individuell an die entsprechende Applikation angepasst werden.
-
Je nach Bauart oder Anforderung, insbesondere je nach Abstand des Sensors 3 zum zu sensierenden Teil, kann der Sensor 3 auch in einer Innenlage 8, 6 angeordnet sein.
-
Insbesondere sind in der unteren Leiterbahnschicht 7b der Leiterplatte, hier nicht gezeigte externe Anschlusspads zum elektrischen Verbinden des Sensors 3 mit elektrischen Bauteilen außerhalb des Sensorbausteins ausgebildet. Der Sensorbaustein könnte neben dem Sensor 3 auch mindestens ein weiteres elektrisches Bauteil, zum Beispiel ein Entstörkondensator unter Ausbildung eines Sensormoduls, umfassen.
-
4 zeigt die Integration eines Sensors in eine mehrlagige Leiterplatte und anschließenden Einbau in eine Trägerleiterplatte 12. Die Leiterplatte mit dem eingebetteten Sensor 3 ist in eine Kavität 13 der Trägerleiterplatte 12 eingelegt und mittels einer Lötverbindung 15 mit einer Leiterbahnschicht 14 der Trägerleiterplatte 12 elektrisch leitend verbunden. Die Verbindung könnte auch mittels Verschweißen oder Verkleben hergestellt sein.
-
5 zeigt die Integration eines Sensorbausteins in eine Trägerleiterplatte 12 wie in 4, wobei jedoch die elektrische Verbindung zur Trägerleiterplatte 12 mittels Durchsteckmontage realisiert ist. Dabei ist ein Durchsteckkontakt 17 einerseits mit einem Anschlusspin 2, 4 des Sensors 3 über ein entsprechendes Anschlusspad 1, 5 auf einer inneren Leiterbahnschicht 8 des Sensorbausteins und andererseits mit der Durchsteckkontaktaufnahme 18 der Trägerleiterplatte 12 elektrisch leitend verbunden. Über die Durchsteckkontaktaufnahmen 18 ist dann der Sensor 3 mit der Peripherie der Trägerleiterplatte 12 elektrisch verbindbar.
-
Vorteilhafterweise ist hier der Spalt zwischen Sensorbaustein und der Trägerleiterplatte 12 mittels eines Dichtstoffs 16 abgedichtet. Als Dichtstoff 16 kann insbesondere ein Klebstoff oder auch Silikon verwendet werden.
-
6 zeigt schematisch einen Sensorbaustein mit einem Sensor 3 mit Anschlusspins 2, 4, angeordnet in einer Art Sensordom. Der Sensorbaustein ist zumindest teilweise mit Kunststoff umspritzt. Der Kunststoff bildet hier das Sensordomgehäuse 10. Über die elektrischen Kontakte 19 sind die hier nicht gezeigten Leiterbahnschichten 7a, 7b, 8 des Sensorbausteins elektrisch kontaktierbar, zum Beispiel mit einer elektronischen Steuereinheit eines KFZ-Steuergerätes.
-
Ein bedeutender Vorteil der Integration eines gehäusten Sensors gegenüber der Integration von baredie Sensoren in eine Leiterplatte ist, dass ein Abgleich des Sensors bereits beim Hersteller erfolgen kann. Ein nachträglicher Abgleich ist somit nicht notwendig. Desweiteren sind die Sensoren durch das Umschließen mit Resin bzw. Harz und Leiterplattenbasismaterialien vor Migration von Öl, insbesondere bei Verwendung in Getriebesteuerungen und somit in Ihrer Funktionalität geschützt. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Leiterplatten mit den integrierten Sensoren in Massenware hergestellt werden können und bei der Produktion wie ein handelsübliches Bauteil bei der Bestückung, insbesondere von Trägerleiterplatten benützt werden können.
-
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist auch, dass die Mehrlagenleiterplatte eine große, standardisierte Mehrlagenleiterplattenfläche sein kann, und dass Sensorbausteine aus der Mehrlagenleiterplattenfläche heraus getrennt werden können.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1, 5
- Anschlusspad
- 2, 4
- Anschlusspin
- 3
- Sensor
- 6
- Leiterplattenbasisschicht, Prepreg-Schicht
- 7a
- Obere Leiterbahnschicht, Außenlage
- 7b
- Untere Leiterbahnschicht, Außenlage
- 8
- Leiterbahnschicht, innen
- 9
- Durchkontaktierung
- 10
- Sensordomgehäuse
- 11
- Sensordomkappe
- 12
- Trägerleiterplatte
- 13
- Kavität in Trägerleiterplatte
- 14
- Leiterbahnschicht, Trägerleiterplatte
- 15
- Lötverbindung
- 16
- Dichtstoff
- 17
- Durchsteckkontakt
- 18
- Durchsteckkontaktaufnahme
- 19
- Kontakt
-
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
-
