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Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuervorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Steuervorrichtung.
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Stand der Technik
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Bei der thermischen Anbindung von so genannten Slug-Up SMD-Leistungsbauelementen wird einerseits ein Abstand zwischen dem Bauelement und einer Wärmesenke durch Einbautoleranzen des Schaltungsträgers, von Bauelementetoleranzen und Gehäusetoleranzen bestimmt. Nachteilig müssen auf diese Weise eine Vielzahl von Toleranzen berücksichtigt werden, die ein relativ stark dimensioniertes Wärmeleitmedium erfordern, was eine Ableitung von thermischer Energie verringern kann.
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DE 10 2010 001 958 A1 offenbart ein elektronisches Steuergerät mit Leistungsbauelementen, wobei die Leistungsbauelemente jeweils ein Heat-Slug Element aufweisen, das dazu vorgesehen ist, Wärme des jeweiligen Leistungsbauelements aufzunehmen. Die Heat-Slug Elemente sind mit einem als Folie ausgebildeten Wärmeführungselement in thermischem Kontakt, wodurch eine größere Fläche mit einer entsprechend größeren Wärmekapazität gebildet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte elektronische Steuervorrichtung mit einem elektronischen Leistungsbauelement bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer elektronischen Steuervorrichtung, aufweisend:
- – ein Gehäuse;
- – einen Schaltungsträger mit einem darauf angeordneten elektronischen Leistungsbauelement;
- – wobei der Schaltungsträger und das elektronische Leistungsbauelement mittels eines Wärmeleitmediums mit dem Gehäuse kontaktiert sind;
- – wobei Wärme des Leistungsbauelements vom Schaltungsträger weggerichtet abführbar ist; und
- – wobei der Schaltungsträger im Gehäuse mittels des Wärmeleitmediums fixiert ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Steuervorrichtung, aufweisend die Schritte:
- – Kraftfreies Fixieren eines Schaltungsträgers mit einem elektronischen Leistungsbauelement relativ zu einem Gehäuse;
- – Wenigstens partielles Anordnen eines pastösen Wärmeleitmediums auf einer Seite des Schaltungsträgers, auf der das elektronische Leistungsbauelement angeordnet ist;
- – Verschließen des Gehäuses; und
- – Aushärten des Wärmeleitmediums.
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Auf diese Weise kann der Schaltungsträger kraftfrei in dem Gehäuse fixiert werden, wobei das Wärmeleitmedium im ausgehärteten Zustand eine mechanische Fixierung des Schaltungsträgers gegenüber dem Gehäuse übernehmen kann. Aufgrund der Tatsache, dass das Wärmeleitmedium sehr dünn eingebracht werden kann, ist zudem eine optimierte Wärmeableitung vom elektronischen Leistungsbauelement an das Gehäuse unterstützt. Das Leistungsbauelement ist auf diese Weise mit nur einem Maß einer Toleranzkette an das als Kühlkörper fungierende Gehäuse angebunden. Das Wärmeleitmedium kann neben der thermischen vorteilhaft auch die mechanische Fixierung des Schaltungsträgers innerhalb des Gehäuses übernehmen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der elektronischen Steuervorrichtung und des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Steuervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Schaltungsträger mit dem elektronischen Leistungsbauelement relativ zum Gehäuse mittels wenigstens dreier Auflagebereiche positioniert ist, wobei wenigstens ein Auflagebereich zwischen dem Gehäuse und dem elektronischen Leistungsbauelement ausgebildet ist. Auf diese Weise wird zwischen dem Gehäuse und dem Schaltungsträger eine Dreipunktauflage realisiert, wodurch eine stabile Fixierung des Schaltungsträgers im Gehäuse unterstützt und eine Beweglichkeit des fixierten Schaltungsträgers vorteilhaft reduziert ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Steuervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens einer der drei Auflagebereiche als eine Gehäuserippe des Gehäuses ausgebildet ist. Dadurch kann für die stabile Positionierung des Schaltungsträgers innerhalb des Gehäuses eine bereits vorhandene Struktur des Gehäuses verwendet werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Steuervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger mit dem elektronischen Leistungsbauelement relativ zum Gehäuse mittels dreier Auflagebereiche positioniert ist, wobei ein Auflagebereich zwischen dem Gehäuse und dem elektronischen Leistungsbauelement ausgebildet ist, und wobei zwei Auflagebereiche als Gehäuserippen des Gehäuses ausgebildet sind. Dadurch wird eine stabile Fixierung des Schaltungsträgers mit dem Leistungsbauelement innerhalb des Gehäuses bereitgestellt. Ein einfaches und präzises Anordnen des Schaltungsträgers im Gehäuse mit einem guten Halt des Schaltungsträgers innerhalb des Gehäuses ist auf diese Weise unterstützt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Steuervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mittels wenigstens eines Abstandshalters ein definierter Abstand zwischen einer Oberfläche des elektronischen Leistungsbauelements und dem Gehäuse hergestellt ist. Dadurch kann ein definierter Abstand geschaffen werden, der als ein späterer Kontaktbereich zwischen dem Leistungsbauelement und dem Gehäuse vorgesehen ist, wobei in diesem Kontaktbereich das thermisch anbindende Wärmeleitmedium eingefügt wird.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Steuervorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass der wenigstens eine Abstandshalter am Leistungsbauelement ausgebildet oder als eine Gehäuserippe des Gehäuses ausgebildet ist. Dadurch werden unterschiedliche Varianten für Abstandshalter bereitgestellt, die es erlauben, den Schaltungsträger mittels des Fixierungselements kraftfrei am Gehäuse zu fixieren. Im Falle des Abstandshalters am Leistungsbauelement kann zwischen das Leistungsbauelement und das Gehäuse ein pastöses Wärmeleitmedium eingefügt werden, was eine Fixierung des Leistungsbauelements mit dem Gehäuse und eine Wärmeübertragung vom Leistungsbauelement an das Gehäuse verbessert.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Steuervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mittels Fixierungselementen der Schaltungsträger mit dem Gehäuse während des Aushärtens des ursprünglich pastösen Wärmeleitmediums kraftfrei fixiert ist. Auf diese Weise kann in einer Herstellphase, in der das pastöse Wärmeleitmedium bereits eingefügt ist, ein unbeabsichtigtes Verschieben des Schaltungsträgers gegenüber dem Gehäuse vermieden werden. Ein möglichst dünnes Schließmaß zwischen dem Schaltungsträger und dem Gehäuse ist auf diese Weise vorteilhaft unterstützt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Steuervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Fixierungselemente wenigstens eines aus folgender Gruppe umfassen: Kunststoffhülse, Dübel, Kontaktfeder, Schnappelement. Dadurch ist es möglich, dass keine Schraube als Fixierungselement verwendet werden muss, die in nachteiliger Weise eine mechanische Kraft auf Lötstellen des Schaltungsträgers ausüben würde. Auf diese Weise kann der Schaltungsträger vorspannungsfrei relativ zum Gehäuse fixiert werden, sodass das pastöse Wärmeleitmedium aushärten kann, bis es im ausgehärteten Zustand eine mechanische Befestigung des Schaltungsträgers innerhalb des Gehäuses übernimmt.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren, sowie unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen.
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In den Figuren zeigt:
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1a eine Querschnittsansicht durch eine herkömmliche elektronische Steuervorrichtung vor einem Zusammenbau;
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1b eine Querschnittsansicht durch eine herkömmliche elektronische Steuervorrichtung nach dem Zusammenbau;
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2 eine Querschnittsansicht durch eine Ausführungsform der elektronischen Steuervorrichtung;
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3 eine perspektivische Ansicht eines elektronischen Leistungsbauelements;
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4 bis 10 Beispiele von Fixierungselementen;
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11 eine perspektivische Ansicht einer elektronischen Steuervorrichtung; und
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12 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Unter einem elektronischen Leistungsbauelement wird im Folgenden ein „Slug-Up Bauelement“ verstanden, welches eine im Betrieb des Leistungsbauelements erzeugte Wärme mittels einer Wärmesenke von einer Leiterplatte, auf der das Slug-up Bauelement montiert ist, weggerichtet abführt. Die Wärmesenke kann dabei als eine verzinnte Metallplatte (z.B. aus Kupfer) ausgebildet sein, die bei der Herstellung des Leistungsbauelements mit Moldmasse umspritzt wird. Die Wärmesenke wird dabei thermisch direkt mit einem Kühlkörper kontaktiert, ohne die Leiterplatte zu durchdringen. Dies wird dadurch erreicht, dass Anschlüsse des Slug-Up Bauelements und die Wärmesenke an gegenüberliegenden Oberflächen des Leistungsbauelements angeordnet sind.
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1a zeigt eine Querschnittsansicht durch eine herkömmliche elektronische Steuervorrichtung 100 vor einem Zusammenbau. Erkennbar ist ein Schaltungsträger 20, vorzugsweise eine Leiterplatte, auf der ein elektronisches Leistungsbauelement 30 in SMD-Bauart angeordnet ist. Mittels eines Wärmeleitmediums 40 kann im Betrieb thermische Energie des Leistungsbauelements 30 an das Gehäuse 10 abgegeben werden. Das Gehäuse 10 fungiert somit auch als ein Kühlkörper.
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1b zeigt eine Querschnittsansicht durch die zusammengebaute elektronische Steuervorrichtung 100 von 1a. Angedeutet ist, dass sich durch eine Toleranzkette von vielen Toleranzen, die durch Pfeile angedeutet sind, selbst bei einer statistischen Toleranzrechnung ein großes Schließmaß X ergibt, welches zu einer eingeschränkten Ableitung von thermischer Verlustleistung des Bauelements 30 führen kann, weil das pastöse Wärmeleitmedium 40 in großer Dicke eingefügt werden muss. Die Toleranzkette kann dabei durch eine Bewegung der Kühlfläche, eine Höhe des Kühlkörpers, eine Verwölbung des Schaltungsträgers 20, usw. begründet werden. Durch eine Strichlierung ist eine Verwölbung des Schaltungsträgers 20 mit dem darauf angeordneten Leistungsbauelement 30 angedeutet. Als Konsequenz muss das Schließmaß X nachteilig relativ groß dimensioniert werden, beispielsweise ca. 0,4 mm bis ca. 0,6 mm hoch.
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Eine weitere, nicht in Figuren dargestellte bekannte Möglichkeit zur Ableitung von thermischer Energie des Leistungsbauelements besteht darin, die thermische Anbindung des Leistungsbauelements an das Gehäuse über isolierte Folien zu realisieren. Auf diese Weise kann eine Verbesserung des thermischen Widerstands erreicht werden, wobei allerdings zusätzliche Federelemente erforderlich sind, um eine erforderliche Anpresskraft der Folie an das Leistungsbauelement zu erzeugen. Die dadurch bewirkten hohen Kräfte können nachteilig bewirken, dass eine Lötstellenzuverlässigkeit beeinträchtigt sein kann. Die zusätzlichen mechanischen Kräfte auf Lötpins des Bauelements können nämlich unter einem Gesichtspunkt von Temperaturwechselprozessen eine Betriebsdauer des Bauelements auf dem Substrat verkürzen.
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektronischen Steuervorrichtung 100. Erkennbar ist, dass ein Schaltungsträger 20 an einer Oberseite und an einer Unterseite mit einem Wärmeleitmedium 40 an das Gehäuse 10 mechanisch und thermisch angebunden ist. Zudem ist das Leistungsbauelement 30 mittels des Wärmeleitmediums 40 (engl. Thermal Interface Material, TIM) auch mechanisch und thermisch an das Gehäuse 10 angebunden. An der Unterseite des Leistungsbauelements 30 erkennt man Abstandshalter 31 bzw. Abstandsnoppen, die einen definierten Abstand einer Oberfläche des Leistungsbauelements 30 vom Gehäuse 10 bereitstellen. Es sollte wenigstens ein Abstandshalter 31 am Leistungsbauelement 30 vorgesehen sein, um ein unbewegliches Kontaktieren des Leistungsbauelements 30 mit dem Gehäuse 10 zu ermöglichen und einen elektrischen Kurzschluss zwischen dem Leistungsbauelement 30 und dem Gehäuse 10 zu vermeiden.
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Dadurch wird zwischen einer Oberfläche des Leistungsbauelements 30 und dem Gehäuse 10 ein definierter, minimaler thermischer Spalt bereitgestellt, beispielsweise mit einer Höhe von ca. 0,1 mm bis ca. 0,3 mm, wodurch ein definierter Hohlraum gebildet ist, in den das pastöse Wärmeleitmedium 40 eingefügt werden kann. Auf diese Weise übernimmt das Wärmeleitmedium 40 nach seiner Aushärtung die Funktion einer mechanischen und effektiv wirkenden thermischen Anbindung des Schaltungsträgers 20 mit dem Leistungsbauelement 30 an das Gehäuse 10.
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Im Ergebnis wird dadurch zwischen dem Gehäuse 10 und dem Schaltungsträger 20 eine Dreipunktauflage realisiert, wobei am Gehäuse 10 Gehäuserippen 11 bereitgestellt werden, mittels denen der Schaltungsträger 20 in einer definierten Position im Gehäuse 10 angeordnet werden kann. Ein dritter Punkt der Dreipunktauflage wird durch das Leistungsbauelement 30 selbst gebildet, welches wenigstens einen, vorzugsweise drei oder mehrere Abstandshalter 31 aufweist, die mit den Abstandshaltern 31 mit dem Gehäuse 10 kontaktieren. Die Gehäuserippe 11 fungiert dabei als ein Abstandshalter zum Einstellen eines definierten Abstands zwischen dem Leistungsbauelement 30 und dem Gehäuse 10.
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Nicht in Figuren dargestellte Varianten der Steuervorrichtung 100 sehen vor, dass die Dreipunktauflage zwischen dem Gehäuse 10 und dem Schaltungsträger 20 durch drei Leistungsbauelemente 30 oder durch ein Leistungsbauelement 30 und zwei Gehäuserippen 11 oder durch zwei Leistungsbauelemente 30 und eine Gehäuserippe 11 realisiert sein kann.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Leistungsbauelements 30 in Form einer elektronischen MCPP B6-Brückenschaltung (engl. Multi Chip Power Package), welche z.B. zur Ansteuerung eines elektronisch kommutierten Elektromotors verwendbar ist. Mittels der Abstandshalter 31 kann eine nutzbare Kavität zwischen dem Leistungsbauelement 30 und dem Gehäuse 10 bereitgestellt werden. Der Abstand zwischen dem Leistungsbauelement 30 und dem Gehäuse 10 kann auch über andere nicht in Figuren dargestellte Elemente erreicht werden, wie zum Beispiel auf dem Schaltungsträger 20 aufgedruckte Schichten/Streifen.
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Die thermische Anbindung des Leistungsbauelements 30 und der Wärmesenke erfolgt vorzugsweise mittels eines Wärmeleitmediums 40 in Form einer Wärmeleitpaste (z.B. in Form einer 2K-Paste), die auch an anderen Stellen des Schaltungsträgers 20 weitere Bauelemente, wie z.B. Kondensatoren, Spulen, Shunts, Leiterbahnen (nicht dargestellt) thermisch an die Wärmesenke bzw. das Gehäuse 10 anbindet. Diese thermische Anbindung übernimmt im ausgehärteten Zustand auch die mechanische Befestigung des bestückten Schaltungsträgers 20 im Steuergerät bzw. Antrieb. Auf diese Weise kann vorteilhaft auch eine Schutzfunktion gegen Vibration, Fall usw. der elektronischen Steuervorrichtung 100 realisiert werden.
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Eine temporäre, kraftfreie Fixierung des Schaltungsträgers 20 mit dem Gehäuse 10 in z-Richtung, bis das pastöse Wärmeleitmedium 42 ausgehärtet ist, erfolgt vorzugsweise durch einfache Klemm- bzw. Fixierungselemente 50, die keine zusätzlichen mechanischen Kräfte bzw. Verformungen auf den Schaltungsträger 20 aufbringen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Dübel (4) mit an einem Umfang des Dübels angeordneten vorspringenden Bahnen, die als eine Art Widerhaken fungieren, eine Kunststoffhülse (6) oder eine metallische Kontaktfeder (8) vorgesehen sein. Mittels der Kontaktfeder kann vorteilhaft auch eine elektrische Kontaktierung des Leistungsbauelements 30 mit dem Schaltungsträger 20 realisiert werden. Die 5, 7 und 9 zeigen die genannten Fixierungselemente 50 im Schaltungsträger 20.
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Auf diese Weise kann ein in z-Richtung eingestellter Abstand zwischen dem Schaltungsträger 20 und dem Gehäuse 10 während eines gesamten Herstellungsprozesses der elektronischen Steuervorrichtung 100 eingehalten werden. Nach der kraftfreien Positionierung des Schaltungsträgers 20 mit dem Gehäuse 10 kann das pastöse Wärmeleitmedium 40 eingefügt werden.
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10 zeigt eine weitere Ausführungsform des Fixierungselements 50 in Form eines Schnappelements bzw. -hakens. Erkennbar ist, dass damit unterschiedliche Höhenlagen des Schaltungsträgers 20 innerhalb des Gehäuses 10 realisierbar sind, wobei in Abhängigkeit von der Höhenlage des Schaltungsträgers 20 der Schnapphaken mehr oder weniger ausklappt. Mit strichlierten Linien sind zwei potentielle Höhenlagen des Schaltungsträgers 20 in z-Richtung und zwei potentielle Schräglagen des Schnapphakens angedeutet. Ermöglicht wird dies durch eine Schräge des Schnapphakens, die mit dem Schaltungsträger 20 kontaktiert und diesen mittels einer Federwirkung in einer spielfreien Position hält. Eine für den Schnapphaken erforderliche Haltekraft, mittels der der Schaltungsträger 20 in Position gehalten wird, kann über eine geeignete Auslegung des Schnapphakens realisiert werden.
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11 zeigt eine perspektivische Ansicht einer kompletten Schaltungsgruppe mit Schaltungsträger 20, Fixierelementen 50 und Gehäuse 10. Nicht erkennbar ist das an der Unterseite des Schaltungsträgers 20 angeordnete und mittels der Fixierelemente 50 fixierte elektronische Leistungsbauelement 30.
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12 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einem Schritt 200 wird ein kraftfreies Fixieren eines Schaltungsträgers 20 mit einem elektronischen Leistungsbauelement 30 relativ zu einem Gehäuse 10 durchgeführt.
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In einem Schritt 210 wird wenigstens partiell ein pastöses Wärmeleitmedium 40 auf einer Seite des Schaltungsträgers 20 angeordnet, auf der das elektronische Leistungsbauelement angeordnet ist.
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In einem Schritt 220 wird das Gehäuse 10 mit einem Gehäusedeckel verschlossen.
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In einem Schritt 230 wird das Wärmeleitmedium 40 ausgehärtet.
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Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung eine elektronische Steuervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Steuervorrichtung vorschlagen, die eine verbesserte Entwärmung und eine verbesserte Fixierung eines auf einer Leiterplatte der Steuervorrichtung angeordneten elektronischen Slug-Up Bauelements ermöglichen.
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Ermöglicht wird dies durch ein kraftfreies Fixieren des Schaltungsträgers mit dem Gehäuse vor einem Einfügen einer Wärmeleitpaste, wodurch die Wärmeleitpaste mit einer geringen Schichtdicke aufgebracht werden kann. Dadurch wird einerseits eine optimierte Wärmeableitung ermöglicht und andererseits eine optimierte Fixierung des Leistungsbauelements innerhalb des Gehäuses ermöglicht.
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Realisiert wird auf diese Weise ein optimiertes, gesamtheitliches Integrationskonzept eines elektronischen Leistungsbauelements in einen elektrischen Antrieb mit einem möglichst gering dimensionierten Spalt zwischen dem Leistungsbauelement und einer Wärmesenke, ohne äußere Kräfte auf Lötstellen zu generieren. Vorteilhaft können auf diese Weise ein thermischer Widerstand verringert und eine Funktionsintegration der mechanischen Befestigung des Schaltungsträgers im Gehäuse mittels einer Wärmeleitpaste durchgeführt werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen ist die Auflage der Schaltungsträger 20 relativ zum Gehäuse 10 nicht auf die Dreipunktauflage beschränkt. Die Auflage der Schaltungsträger 20 relativ zum Gehäuse 10 kann mittels einer Vielzahl an Auflagebereichen erfolgen. Die Auflagebereiche werden durch Gehäuserippen 11 und mindestens ein Leistungsbauelement 30 gebildet. Die Auflagebereiche können jedoch auch durch mehrere Leistungsbauelemente 30 oder Gehäuserippen 11 gebildet werden.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit auch vorgehend nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012218932 A1 [0003]
- DE 102010001958 A1 [0004]
