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Die Erfindung betrifft eine elektronische Komponente gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektronischen Komponente.
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Elektronische Komponenten für integrierte mechatronische Steuerungen, insbesondere Steuergeräte, die in einem Getriebe oder Motorraum eines Kraftfahrzeugs verbaut werden, weisen eine Vielzahl elektronischer Bauteile auf, welche außerhalb eines Gehäuses angeordnet sind. Diese Bauteile bilden eine externe Peripherie der elektronischen Komponente und umfassen beispielsweise Sensoren, Fahrzeugstecker oder dergleichen mehr.
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Zur elektrischen Kontaktierung der externen Peripherie mit einem elektronischen Modul im Inneren des Gehäuses, sind bestimmte Schnittstellen erforderlich. Insbesondere bei integrierten mechatronischen Steuerungen ist die Gehäusedichtheit, und damit ein Schutz vor Umwelteinflüssen und korrosiven Medien, wie z. B. Motor- oder Getriebeöle, sowie der Schutz vor mechanischen Einflüssen, wie beispielsweise metallische Späne oder Getriebeabrieb, eine essentielle Funktion der Gehäuse. Auch bei Anbau- oder sogenannten „attached to“–Steuergeräten, ist die Dichtheit ein maßgeblicher Faktor. Hier können verschiedene Chemikalien, wie z. B. Reinigungsmedien, Kraftstoff, Salzwasser oder ähnliches die Elektronik eines Steuergerätes korrosiv schädigen.
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Zur Sicherstellung einer mediendichten, zumindest gasdichten Durchführung von elektrischen Leitungen aus einem Gehäuseinneren durch das Gehäusematerial, welches beispielsweise aus Metall geformt ist, sind sogenannte Glas-Metall-Durchführungen bekannt.
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Derartige Glas-Metall-Durchführungen umfassen typischerweise ein Metall-Außenteil, z. B. eine Gehäusegrundplatte, und ein Glasformteil, welches die Funktion eines elektrischen Isolators übernimmt. Durch die Glas-Metall-Durchführungen ist jeweils ein elektrisches Leitungselement hindurchgeführt, beispielsweise ein pinförmiger Stift aus Metall (Pin). Als Materialien für einen solchen Stift werden beispielsweise Stahl, in bestimmten Fällen auch Stahllegierungen, oder Materialien mit Kupferkern verwendet.
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Die einzelnen Komponenten dieser Glas-Metall-Durchführungen werden mit einem speziellen thermischen Prozess bei einer Temperatur von ca. 1000°C unter Schutzgasatmosphäre hermetisch dicht miteinander verschmolzen.
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Bei den beschriebenen Glas-Metall-Durchführungen ist ein Durchmesser des Leitungselements abhängig von einer Stromstärke, wobei insbesondere hohe Stromstärken hohe Kosten verursachen. Zusätzlich dazu ist eine Reinigung der Leitungselemente nach dem thermischen Verschmelzen mit dem Glas erforderlich, damit eine bondbare Oberfläche zur elektrischen Kontaktierung mit dem Schaltungsträger ermöglicht ist.
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Weiterhin ist erforderlich, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Glases auf den thermischen Ausdehnungskoeffizient des Leitungselements angepasst ist, so dass möglichst keine Schädigungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Längenänderungen auftreten.
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Ferner sind bei den Glas-Metall-Durchführungen nur Leitungselemente mit einem runden Querschnitt möglich, da mögliche Kanten am Leitungselement zu Risswachstum im Glas führen können.
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Typischerweise werden Glas-Metall-Durchführungen in Getriebeanwendungen mit Leitungselementen aus Stahl gefertigt, deren Stromtragfähigkeit auf weniger als 15 Ampere mit einem daraus resultierenden Temperaturanstieg von 20°C begrenzt ist.
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Die elektrische Kontaktierung der Leitungselemente wird bei Glas-Metall-Durchführungen beispielsweise im Gehäuseinneren über Bond- Verbindungen zwischen einem Schaltungsträger und dem Leitungselement, und außerhalb des Gehäuses mittels Löt- oder Schweißverbindungen hergestellt. Nach der Montage des elektronischen Moduls im Gehäuse wird abschließend ein Gehäusedeckel mit der Gehäusegrundplatte möglichst hermetisch dicht verbunden, wobei hier meist Schweißprozesse zum Einsatz kommen.
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Eine alternative Abdichtung des Gehäuseinneren wird mittels Einlege-Formdichtungen realisiert, die zwischen verschraubten oder verstemmten Gehäuseteilen und/oder Durchführungselementen, wie z. B. sogenannten Bondblechen, angeordnet werden.
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Bei Bondblechen wird die elektrische Kontaktierung der externen Peripherie mittels flexibler Leiterplatten sichergestellt, die auf einen metallischen Träger laminiert werden. Die Einlege-Formdichtungen liegen hierbei üblicherweise als Formteile vor und werden in eine dafür vorgesehene Nut eingelegt. Anschließend wird beispielsweise ein Bondblech aufgebracht, die Einlege-Formdichtung auf ein vorgegebenes Nennmaß verpresst und das Durchführungselement mechanisch fixiert. Nach der Montage des elektrischen Substrats wird die auf den metallischen Träger laminierte flexible Leiterplatte beispielsweise über Bonddrähte elektrisch kontaktiert. Je nach Temperatur- und Anwendungsbereich der elektronischen Komponente, sowie je nach Gehäuseteilen, die gegeneinander abgedichtet werden sollen, können verschiedene Elastomere als Dichtungsmaterialien verwendet werden.
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Die beschriebenen Einlege-Formdichtungen sind mechanisch gegenüber Graten, Brandrissen, offenen Poren oder sonstigen oberflächlichen Schädigungen an einem der Gehäuseteile, die gegeneinander abgedichtet werden sollen, sehr anfällig. Die Einlege-Formdichtungen können mittels derartiger Oberflächendefekte massiv geschädigt werden, so dass eine besonders hohe Oberflächengüte zumindest im Dichtungsbereich erforderlich ist. Darüber hinaus können bei der Montage der Einlege-Formdichtungen Defekte, wie beispielsweise verdrillte Dichtungen, fehlerhafte Verpressung, fehlerhafte Materialien, Späne im Dichtungsbereich oder ähnliches, auftreten. Ist eine Einlege-Formdichtung defekt, so ist üblicherweise ein Austausch der vollständigen elektronischen Komponente erforderlich, da beispielsweise Bondbleche – inklusive der zwischen Bondblech und Gehäusegrundplatte angeordneten Dichtung – meist unlösbar mit der Gehäusegrundplatte verbunden, insbesondere verstemmt sind.
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Weiterhin ist die Montage der Einlege-Formdichtungen aufgrund deren Geometrie und Komplexität in vielen Fällen nur manuell durchführbar, wobei ein Kosten- und Fehlerpotential gegenüber einer maschinellen Montage erhöht ist.
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Ferner ist eine Gasdichtheit mittels der beschriebenen Einlege-Formdichtungen nicht in erforderlichem Maß realisierbar.
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Alternativ zu Einlege-Formdichtungen können dosierbare, flüssige Dichtmaterialien, z. B. Klebstoff, verwendet werden. Beim Verkleben wird ein Klebstoff in eine vorgesehene Nut dosiert und anschließend die Gehäuseteile zusammengefügt. Die Gehäuseteile sind üblicherweise nach dem sogenannten Nut-Feder-Prinzip gefertigt, so dass bei der Montage in die mit Kleber gefüllte Nut ein Klebeschwert eintaucht und so die Position der Fügepartner definiert, beziehungsweise die Klebefläche entsprechend vergrößert. Bei einer Nut-Feder- oder Nut-Klebeschwert-Verbindung wird die Fläche erhöht, wodurch eine bessere Verteilung und kein unkontrolliertes Auslaufen des Klebers sichergestellt ist. Dabei können Kleber beim Aushärtevorgang kurzzeitig dünnflüssig werden und verlaufen, bleiben aber hier in der Nut. Anschließend werden die Gehäuseteile miteinander verpresst und mechanisch fixiert. Abschließend erfolgt die Aushärtung des Klebstoffs.
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Eine weitere alternative Abdichtung des Gehäuseinneren ist mittels Kunststoff-Dichtungshybriden möglich, bei denen an ein Gehäuseteil aus Kunststoff ein Dichtungsmaterial angespritzt wird. Die Montage des Gehäuses ist hierbei vergleichbar mit den Einlege-Formdichtungen.
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Der Einsatz von kunststoffumspritzten Leadframes ist ebenfalls zur elektrischen Verbindung der externen Peripherie mit dem Schaltungsträger im Gehäuseinneren bekannt. Dabei werden metallische Leiter (Leadframe), insbesondere verzinnte Kupferstanzteile, mit einem geeigneten Kunststoff umspritzt. Die Kunststoffumspritzung wird je nach Geometrie des Leadframes in zwei Schritten durchgeführt, wobei in einem ersten Schritt eine sogenannte Vorumspritzung und in einem zweiten Schritt eine Hauptumspritzung des Leadframes durchgeführt wird. Für die Hauptumspritzung werden üblicherweise nicht-lasertransparente Kunststoffe verwendet.
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Leadframes werden beispielsweise als Stanzgitter gefertigt und weisen eine Mehrzahl elektrischer Leiterzüge auf. Die Leiterzüge sind z. B. bei verzinnten Kupferleadframes am Anfang eines Herstellungsprozesses aus prozessbedingten Gründen über Stege miteinander verbunden. Diese Stege dienen als Abstandshalter während der Herstellung und verhindern insbesondere dass bei hohem Druck während des Kunststoffspritzprozesses die Leiterzüge auf Position bleiben und es zu keinem Kurzschluss kommt.
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Die Leadframes werden zur Kunststoffumspritzung in eine Spritzgussform eingelegt, wobei anschließend die Vorumspritzung durchgeführt wird. In einem nächsten Schritt werden die beschriebenen Stege mit Stanzwerkzeugen entfernt und damit die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Leitungszügen getrennt.
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Anschließend wird die Hauptumspritzung durchgeführt, mittels welcher eine endgültige Form des Leadframes definiert wird. Der kunststoffumspritzte Leadframe kann anschließend an die Gehäusegrundplatte geklebt werden. Die elektrische Verbindung mit dem Schaltungsträger und dem kunststoffumspritzten Leadframe wird beispielsweise mittels Draht-Bondverbindungen hergestellt, wobei die Bondlandezonen auf dem Leadframe bestimmte funktionelle Flächen für entsprechende Draht-Bondverbindungen aufweisen.
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Zum vollständigen Verschluss des Gehäuses ist ein Kunststoff-Laserschweiß-Prozess möglich. Dabei wird auf den beschriebenen kunststoffumspritzten Leadframe ein lasertransparenter Deckel angeordnet. Im Kontaktbereich zwischen dem Leadframe und dem Deckel sind am Leadframe Aufschmelzrippen vorgesehen, die mittels Laserenergie durch den Deckel hindurch in einen schmelzflüssigen Zustand gebracht werden. Der Deckel sinkt in den Schmelzbereich ein und nach dem Erkalten der Schmelze ist eine stoffschlüssige Schweißverbindung hergestellt.
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Aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Kunststoff und Metall können bei kunststoffumspritzten Leadframes zwischen metallischen Leiterzügen und Kunststoff Spalten entstehen. Ebenso können im Kunststoff selbst zwischen Vor- und Hauptumspritzung Spalten auftreten, wenn bei der Hauptumspritzung der Kunststoff der Vorumspritzung oberflächlich keine Verbindung mit dem Kunststoff der Hauptumspritzung eingeht. Dadurch ist ein Eindringen korrosiver Medien, wie beispielsweise Getriebe- oder Motorölen, durch Kapillarwirkung bei Temperaturwechsel in das Gehäuseinnere möglich.
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Ferner wird beim Entfernen der beschriebenen Stege vor der Hauptumspritzung eine Oberflächenschutzschicht, beispielsweise die Zinnschicht bei kupferverzinnten Leadframes, im Bereich der Stanzkanten beschädigt, so dass der Kupferkern freiliegt und korrosiv geschädigt werden kann.
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Ein Verzinnen der Stanzkanten vor der Hauptumspritzung ist zwar möglich, jedoch kostenintensiv. Zudem ist eine Überwachung eines weiteren Prozessschrittes erforderlich, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Nachträglich aufgebrachtes Zinn kann während der Hauptumspritzung durch Temperatureinwirkung der heißen Kunststoffschmelze an einer Schmelzfront weggetragen werden. Das Zinn lagert sich dann an nicht vorhersehbaren Stellen ab, wodurch ungewollte Kriechströme auftreten können.
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Weiterhin können korrosive, beispielsweise schwefelhaltige Medien – meist im gasförmigen Zustand – durch Spalten entlang der Stanzgitter in den Bereich des Schaltungsträgers gelangen und dort zu Schädigungen führen.
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Alternative Durchführungen sind als Keramikdurchführungen bekannt und beispielhaft in der
DE 10 2011 009 867 B4 beschrieben, welche Keramikdurchführungen für eine medizinisch implantierbare Vorrichtung offenbart.
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Ferner ist in der
DE 197 00 528 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Keramikformkörpern mit metallischen Aussehen beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte elektronische Komponente sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektronischen Komponente anzugeben.
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Hinsichtlich der elektronischen Komponente wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Eine elektronische Komponente umfasst ein Gehäuse und mindestens ein elektrisches Leitungselement zur elektrischen Kontaktierung eines in einem Gehäuseinneren angeordneten, elektronischen Moduls. Das mindestens eine elektrische Leitungselement ist dabei durch eine im Gehäuse angeordnete Durchgangsöffnung hindurchgeführt und verbindet somit das elektronische Modul mit einer außerhalb des Gehäuses angeordneten Komponente, z. B. ein Sensor oder ein Fahrzeugstecker. Die elektronische Komponente ist somit als ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug, z. B. als Getriebesteuergerät, einsetzbar.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gehäuse zumindest abschnittsweise, insbesondere in einem die Durchgangsöffnung begrenzenden Bereich, aus einem keramischen Werkstoff geformt ist und die Durchgangsöffnung zumindest in einem Verbindungsbereich zwischen dem Leitungselement und der Durchgangsöffnung mit einer metallischen Schicht versehen ist.
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Die keramische Ausbildung des Gehäuses im Bereich der Durchgangsöffnungen ermöglicht eine gegenüber einem metallischen Gehäuse mit Glas-Metall-Durchführung größere Variabilität eines Durchmessers der Durchgangsöffnungen. Dies ist dadurch begründet, dass Glas-Metall-Durchführungen üblicherweise mittels Druckspannungen des Gehäuses auf den Glaskörper und vom Glaskörper auf den metallischen Leiter abgedichtet werden. Zur Herstellung derartiger Druckspannungen ist eine ausreichend hohe Wandstärke zur Leiterdurchführung erforderlich. Im Gegensatz zur keramischen Ausbildung des Gehäuses sind bei Glas-Metall-Durchführungen die Durchmesser metallischer Leiter sowie ein Abstand zwischen den Leitern begrenzt. Da die keramische Ausbildung ohne zusätzlichen Glasisolator vollständig zur Aufnahme eines Leitungselements vorgesehen ist, der Abstand zwischen den Leitern sehr gering gewählt werden kann und der Durchmesser eines Leitungselements die Stromtragfähigkeit im Betrieb der elektronischen Komponente bestimmt, ist eine Leistungsfähigkeit der elektronischen Komponente gegenüber dem Stand der Technik verbessert.
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Die metallische Schicht dient hierbei einer mechanisch stabilen Verbindung des Leitungselements, welches üblicherweise aus Metall gebildet ist, und dem keramisch ausgebildeten Gehäuse. Die metallische Schicht bietet dabei eine Verbindungsfläche zum Löten oder Schweißen, so dass das Leitungselement mit dem Gehäuse auf einfache Art und Weise stoffschlüssig verbindbar ist.
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Vorzugsweise sind der thermische Längenausdehnungskoeffizient des keramischen Werkstoffs und der thermische Längenausdehnungskoeffizient des mindestens einen Leitungselements derart aneinander angepasst, dass das das Gehäuse gegebenenfalls auftretende Zug-, oder Druckkräfte aufnehmen kann, ohne dass eine Funktion der elektronischen Komponente und eine Dichtheit des Gehäuses beeinträchtigt werden.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die metallische Schicht auf einer inneren Oberflächenseite des Gehäuses angeordnet ist, wobei die Durchgangsöffnung von der metallischen Schicht umschlossen ist. Hierbei ist es möglich, das Leitungselement formschlüssig in der Durchgangsöffnung anzuordnen, so dass ein maximal möglicher Durchmesser des Leitungselements mit dem Durchmesser der Durchgangsöffnung korrespondiert. Nachdem der Durchmesser des Leitungselements und der damit korrespondierende Durchgangsöffnungsdurchmesser frei wählbar sind, ist gegenüber dem Stand der Technik höhere Stromtragfähigkeit erreichbar ist.
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Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die metallische Schicht an einem Innenumfang der Durchgangsöffnung angeordnet ist. Hierbei ist ein maximal möglicher Durchmesser des Leitungselements kleiner als der Durchmesser der Durchgangsöffnung jedoch größer als der Durchmesser eines Leitungselements in einem metallischen Gehäuse mit vergleichbar großer Durchgangsöffnung, so dass auch hierbei eine gegenüber dem Stand der Technik höhere Stromtragfähigkeit erreichbar ist.
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In beiden Ausgestaltungen der Erfindung befindet sich zur Fixierung des Leitungselements zwischen dem Leitungselement und der metallischen Schicht eine stoffschlüssige Kontaktstelle, mittels welcher das Leitungselement stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden ist.
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Die stoffschlüssige Kontaktstelle kann als eine Lötstelle oder als eine Schweißstelle ausgebildet sein.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Bondmodul vor, welches als Teil der elektronischen Komponente einen keramischen Abschnitt einer Gehäusegrundplatte und das mindestens eine Leitungselement umfasst, welches durch die Durchgangsöffnung hindurchgeführt ist. Die Herstellung der elektronischen Komponente ist damit wesentlich vereinfacht, da insbesondere bei komplexen Formen des Gehäuses die Leitungselemente im Bondmodul auf einfache Art und Weise fixiert werden können.
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Das Bondmodul weist zur kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssigen Verbindung mit dem Gehäuse einen Wechselfalz als Verbindungsfläche auf. Der Wechselfalz bietet gegenüber einem ebenen Flansch eine vergrößerte Oberfläche, so dass die Verbindung zwischen dem Bondmodul und dem Gehäuse mechanisch besonders stabil herstellbar ist.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei vor, dass der Wechselfalz mit einer metallischen Schicht versehen ist. Damit kann der keramische Abschnitt des Bondmoduls, welcher den Wechselfalz umfasst, mit der Gehäusegrundplatte mittels Schweißen oder Löten verbunden werden. Die Gehäusegrundplatte weist vorzugsweise eine zum Wechselfalz korrespondierende Ausformung auf, so dass eine Montage des Bondmoduls besonders einfach durchführbar ist. Zudem ist es möglich, die Ausformung nach dem Nut-Feder-Prinzip zu gestalten, wobei das sogenannte „Poka Yoke“-Prinzip zu bevorzugen ist, so dass Montagefehler vermeidbar sind.
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Die Erfindung sieht weiterhin ein Verfahren zur Herstellung der elektronischen Komponente vor, welches folgende Schritte umfasst:
- – Herstellung zumindest eines keramischen Abschnitts eines Gehäuses mit einer Anzahl von Durchgangsöffnungen,
- – Metallisierung der Anzahl von Durchgangsöffnungen, wobei diese zumindest abschnittsweise mit einer metallischen Schicht versehen werden,
- – Anordnen und Fixieren einer Anzahl von Leitungselementen in den Durchgangsöffnungen, wobei durch jeweils eine Durchgangsöffnung ein Leitungselement hindurchgeführt ist,
- – elektrisch leitendes Verbinden der Anzahl von Leitungselementen mit einem elektronischen Modul im Gehäuseinneren, und
- – hermetisches Verschließen des Gehäuses.
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Das Verfahren ermöglicht die Herstellung einer elektronischen Komponente mit einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Funktionalität, da aufgrund der keramischen Ausbildung des Gehäuses im Bereich der Durchgangsöffnungen Leitungselemente mit gegenüber dem Stand der Technik größeren Durchmessern anordenbar sind, so dass höhere Stromtragfähigkeiten im Betrieb der elektronischen Komponente realisierbar sind. Die Metallisierung der Durchgangsöffnungen kann dabei mittels bekannter Verfahren, z. B. mittels Siebdruck, erfolgen. Separate elektrische Isolatoren im Bereich der Durchgangsöffnungen, wie es eingangs beschrieben ist, sind hierbei nicht erforderlich. Damit ist die Herstellung der elektronischen Komponente besonders einfach und kostengünstig.
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Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der keramische Abschnitt des Gehäuses und die Anzahl von Leitungselementen im keramischen Abschnitt in Form eines Bondmoduls hergestellt werden, wobei das Bondmodul kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig mit dem verbleibenden Gehäuse, insbesondere mit einer verbleibenden Gehäusegrundplatte verbunden wird. Die Herstellung eines Bondmoduls vereinfacht die Herstellung der elektronischen Komponente insbesondere bei komplexen Formen des Gehäuses, bei denen eine Montage der Leitungselemente erschwert ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts aus einer elektronischen Komponente gemäß dem Stand der Technik,
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2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts aus einer elektronischen Komponente gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
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3 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts aus einer elektronischen Komponente gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
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4 schematisch eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausschnitts aus der elektronischen Komponente gemäß 2,
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5 schematisch eine Draufsicht auf die elektronische Komponente gemäß 2,
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6 schematisch eine Schnittdarstellung eines Bondmoduls der elektronischen Komponente gemäß 4, und
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7 ein Verfahrensablaufdiagramm mit Verfahrensschritten zur Herstellung einer elektronischen Komponente gemäß 2 oder 3.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung, insbesondere einen Querschnitt eines Ausschnitts aus einer elektronischen Komponente E gemäß dem Stand der Technik.
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Die elektronische Komponente E ist beispielsweise ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug, z. B. ein Getriebesteuergerät.
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Die elektronische Komponente E umfasst ein Gehäuse 1, durch welches eine Anzahl elektrischer Leitungselemente 2 hindurchgeführt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei Leitungselemente 2 dargestellt.
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Das Gehäuse 1 ist aus Metall gebildet, wobei 1 eine Gehäusegrundplatte 1.1 des Gehäuses 1 zeigt.
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Die Gehäusegrundplatte 1.1 umfasst eine mit der Anzahl von Leitungselementen 2 korrespondierende Anzahl von Durchgangs-öffnungen D, durch welche die Leitungselemente 2 durch die Gehäusegrundplatte 1.1 hindurchgeführt sind.
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Die Leitungselemente 2 sind zur elektrischen Kontaktierung eines in dem Gehäuse 1 angeordneten elektronischen Moduls 3, gezeigt in 4, vorgesehen und beispielsweise als metallischer Kontaktstift mit einem runden Querschnitt ausgebildet. An einer in einem Gehäuseinneren I angeordneten Stirnseite weisen die Leitungselemente 2 jeweils eine Kontaktoberfläche 2.1 auf, die zur Anordnung und Befestigung eines Verbindungselements 4, in 4 als Bonddraht dargestellt, geeignet ist.
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Das Material der Leitungselemente 2 weist zweckmäßigerweise elektrisch leitende Eigenschaften auf und ist vorzugsweise aus Metall gebildet. Beispielsweise sind die Leitungselemente 2 jeweils aus Kupfer gebildet, welches mit einer Zinnschicht versehen ist. Alternativ können die Leitungselemente 2 auch aus Stahl oder einer Stahllegierung, z. B. 54 % Eisen, 29 % Nickel und 17 % Kobalt, gebildet sein.
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Um eine mediendichte, zumindest gasdichte Durchführung der Leitungselemente 2 durch die Gehäusegrundplatte 1.1 sicherzustellen, sind die Durchgangsöffnungen D in der Gehäusegrundplatte 1.1 gemäß dem Stand der Technik mit Glas verschlossen, welches zusätzlich elektrisch isolierende Eigenschaften zur Vermeidung von Kurzschlüssen aufweist. Zwischen dem Leitungselement 2 und dem Innendurchmesser der Durchgangsöffnung D ist somit ein dichtendes und elektrisch isolierendes Glasformteil 5 angeordnet, wobei die gasdichte Abdichtung der Durchgangsöffnung D durch Druckspannungen zwischen der Gehäusegrundplatte 1.1 und dem jeweiligen Glasformteil 5 sowie zwischen dem jeweiligen Glasformteil 5 und dem Leitungselement 2 realisiert wird. Alternativ kann das Glasformteil 5 auch aus Kunstharz gebildet sein.
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Zur Herstellung der Glasformteile 5 werden die Leitungselemente 2, Glasformteile 5 und die Gehäusegrundplatte 1.1 in einem thermischen Prozess bei einer Temperatur von ca. 1000°C hermetisch dicht miteinander verschmolzen.
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Anschließend werden die Leitungselemente 2 jeweils mittels eines Verbindungselements 4 mit dem elektronischen Modul 3 elektrisch leitend verbunden (beispielhaft in 4 dargestellt). Außerhalb des Gehäuses 1 werden die Leitungselemente 2 mittels Löt- oder Schweißverbindungen mit einem weiteren Bauteil, z. B. einem Sensor und/oder einer Getriebekomponente, elektrisch leitend verbunden.
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Abschließend wird die Gehäusegrundplatte 1.1 mit einem Gehäusedeckel 1.2 hermetisch dicht verschlossen, vorzugsweise mittels Schweißen. 4 zeigt beispielhaft einen solchen Gehäusedeckel 1.2.
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Ein jeweiliger Durchmesser der Leitungselemente 2 ist abhängig von einer Stromstärke im Betrieb der elektronischen Komponente E (Stromtragfähigkeit), wobei insbesondere hohe Stromstärken hohe Kosten verursachen. Zusätzlich dazu ist eine Reinigung der Leitungselemente 2 nach dem thermischen Verschmelzen mit dem Glasformteil 5 erforderlich, damit die Kontaktoberfläche 2.1 zur Aufnahme des Verbindungselements 4 geeignet ist. Typischerweise werden bei elektronischen Komponenten E in Getriebeanwendungen die Leitungselemente 2 aus Stahl gefertigt, deren Stromtragfähigkeit auf weniger als 15 Ampere mit einem daraus resultierenden Temperaturanstieg von 20°C begrenzt ist.
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Weiterhin ist es erforderlich, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Glasformteils 5 auf den thermischen Ausdehnungskoeffizient des Leitungselements 2 angepasst ist, so dass möglichst keine Schädigungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten auftreten.
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Ferner sind gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel der elektronischen Komponente E nur Leitungselemente 2 mit einem runden Querschnitt vorteilhaft, da mögliche Kanten am Leitungselement 2 zu Risswachstum im Glasformteil 5 führen können.
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Zur Lösung der genannten Probleme schlägt die Erfindung eine elektronische Komponente E sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektronischen Komponente E vor, wie es in den nachfolgenden 2 bis 7 beschrieben wird.
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2 zeigt dazu ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektronischen Komponente E, wobei eine Schnittdarstellung, insbesondere ein Querschnitt eines Ausschnitts aus der elektronischen Komponente E mit zwei Leitungselementen 2 gezeigt ist.
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Die elektronische Komponente E weist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine Gehäusegrundplatte 1.1 aus einem keramischen Werkstoff auf, der elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist.
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Auf einer Innenseite der Gehäusegrundplatte 1.1 ist im Bereich der Durchgangsöffnung D jeweils eine die Durchgangsöffnung D in Umfangsrichtung umschließende metallische Schicht 6 aufgebracht.
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Die Leitungselemente 2 sind über eine stoffschlüssige Kontaktstelle 7 stoffschlüssig mit der keramischen Gehäusegrundplatte 1.1 verbunden, wobei die stoffschlüssige Kontaktstelle 7 über die metallische Schicht 6 mit der keramischen Gehäusegrundplatte 1.1 stoffschlüssig verbunden ist. Vorzugsweise ist die stoffschlüssige Kontaktstelle 7 in Umfangsrichtung geschlossen. Die metallische Schicht 6 dient hierbei als Kontaktfläche für eine mechanisch stabile Verbindung zwischen dem Leitungselement 2 und der keramischen Gehäusegrundplatte 1.1.
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Die stoffschlüssige Kontaktstelle 7 ist beispielsweise eine Lötstelle oder eine Schweißstelle.
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3 zeigt ein zweites, alternatives Ausführungsbeispiel der elektronischen Komponente E, wobei eine Schnittdarstellung, insbesondere ein Querschnitt eines Ausschnitts aus der elektronischen Komponente E mit zwei Leitungselementen 2 gezeigt ist.
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Die Gehäusegrundplatte 1.1 ist analog zum ersten Ausführungsbeispiel aus einem elektrisch isolierenden, keramischen Werkstoff gebildet.
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Der Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel liegt hierbei in der Anordnung der metallischen Schicht 6, welche am Innenumfang der jeweiligen Durchgangsöffnung D angeordnet ist. Die metallische Schicht 6 dient analog zum ersten Ausführungsbeispiel als Lötfläche für eine mechanisch stabile Verbindung zwischen den Leitungselementen 2 und der keramischen Gehäusegrundplatte 1.1. Die stoffschlüssigen Kontaktstellen 7 sind somit innerhalb der Durchgangsöffnungen D jeweils zwischen dem Leitungselement 2 und dem Innenumfang der Durchgangsöffnung D angeordnet.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung werden im Zusammenhang mit den nachfolgenden 4 bis 7 näher beschrieben.
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Dabei zeigt 4 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts aus einer elektronischen Komponente E gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Leitungselement 2, einem Teil des elektronischen Moduls 3, dem Gehäuse 1 und einem Verbindungselement 4.
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5 zeigt ein Bondmodul B für eine elektronische Komponente E gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit vier Leitungselementen 2 in Draufsicht.
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6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Bondmoduls B einer elektronischen Komponente E gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Leitungselement 2.
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7 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm mit Verfahrensschritten S1 bis S6 zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elektronischen Komponente E.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird die keramische Gehäusegrundplatte 1.1 mittels Keramikspritzgießen hergestellt. Alternativ sind auch andere bekannte Verfahren zur Herstellung der keramischen Grundplatte, wie beispielsweise Extrudieren oder Pressen, denkbar.
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Die Gehäusegrundplatte 1.1 kann dabei in ihrer Form bestimmten Vorgaben angepasst werden und beispielsweise eine komplexe, einfache oder bondblechartige Form aufweisen. Die Endform der keramischen Gehäusegrundplatte 1.1 wird durch den Spritzgussvorgang sowie durch prozessbedingte Volumenänderungen des keramischen Werkstoffs bestimmt.
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Die in der Gehäusegrundplatte 1.1 angeordneten Durchgangsöffnungen D können mit einem beliebigen Durchmesser eingebracht werden, so dass eine Stromtragfähigkeit der Leitungselemente 2 an bestimmte Vorgaben anpassbar ist. Eine Beschränkung des Durchmessers ist lediglich durch eine endgültige Dimensionierung des Gehäuses 1 oder der Gehäusegrundplatte 1.1 gegeben, die wiederum abhängig von einem verfügbaren Bauraum der elektronischen Komponente E ist. Somit ist eine Beschränkung der Stromstärke nur durch den vordefinierten Bauraum gegeben.
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In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird eine metallische Schicht 6 einer Keramikoberfläche auf der Innenseite der Gehäusegrundplatte 1.1 um die Durchgangsöffnungen D herum aufgebracht und eingebrannt. Vorzugsweise erfolgt die Metallisierung mittels Siebdruck, wobei eine lötbare Paste auf die Keramikoberfläche aufgebracht wird. Die lötbare Paste kann beispielsweise Silber, eine Silberlegierung, Kupfer oder eine Kupferlegierung umfassen.
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Die Gehäusegrundplatte 1.1 kann wie bereits beschrieben vollständig aus Keramik (hier nicht dargestellt) oder alternativ aus einem lötbaren Metall hergestellt werden, wobei bei Letzterem die Gehäusegrundplatte 1.1 zumindest im Bereich des Bondmoduls B aus Keramik gefertigt ist, wie es 4 beispielhaft zeigt.
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Bei der vollständigen keramischen Ausführung der Gehäusegrundplatte 1.1 kann diese an jeder Stelle mit einer metallischen Schicht 6 versehen werden, an der eine stoffschlüssige Kontaktstelle 7 vorgesehen ist.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Teil der Gehäusegrundplatte 1.1, welcher die Leitungselemente 2 umfasst, als Bondmodul B gefertigt. Hierbei wird der Rand der keramischen Gehäusegrundplatte 1.1 im Bondmodul B, welches mit der verbleibenden, metallischen Gehäusegrundplatte 1.1 verbunden werden soll, mit einer metallischen Schicht 6 versehen. Die verbleibende Gehäusegrundplatte 1.1 kann alternativ auch aus einem keramischen Werkstoff gebildet sein (hier nicht dargestellt).
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In Abhängigkeit einer Form der Gehäusegrundplatte 1.1 und/oder der aufzubringenden metallischen Schicht 6 kann die metallische Schicht 6 alternativ zum Siebdruckverfahren auch mittels Ink-Jet-Verfahren oder Galvanikbädern aufgebracht werden, wobei für eine galvanische Metallisierung die keramische Oberfläche mit einer vorgegebene Dotierung mittels Laserenergie elektrisch anregbar sein muss.
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In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird in jeweils einer Durchgangsöffnung D ein Leitungselement 2 angeordnet. Als Material für das Leitungselement 2 kann jedes lötbare Metall verwendet werden. Beispielsweise ist das Leitungselement 2 aus Silber, einer Silberlegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung, Stahl oder einer Stahllegierung gebildet.
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Das Leitungselement 2 ist weiterhin beispielsweise als metallischer Rundstift ausgebildet, wobei ein Durchmesser des Leitungselements 2 an eine vorgegebene oder gewünschte Stromtragfähigkeit anpassbar ist. Eine Auswahl des Materials, der Geometrie und des Durchmessers des Leitungselements 2 ist hierbei im Vergleich zu der in 1 beschriebenen elektronischen Komponente E wesentlich größer.
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Das in der Durchgangsöffnung D angeordnete Leitungselement 2 wird anschließend mit einer geeigneten stoffschlüssigen Kontaktstelle 7 stoffschlüssig mit der Gehäusegrundplatte 1.1 verbunden, insbesondere verlötet oder verschweißt. Zusätzlich dazu kann das Leitungselement 2 mit der Durchgangsöffnung D verschraubt sein, wobei das Leitungselement 2 ein Außengewinde und die Durchgangsöffnung D ein korrespondierendes Innengewinde aufweist. Nach dem Verschrauben des Leitungselements 2 mit der Durchgangsöffnung D wird das Leitungselement 2 mit der Durchgangsöffnung D verschweißt oder verlötet. Damit ist eine mechanisch besonders stabile Fixierung des Leitungselements 2 hergestellt.
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Ist in den drei Verfahrensschritten S1 bis S3 ein Bondmodul B hergestellt worden, wie es die 5 und 6 beispielhaft zeigen, so kann dieses im Anschluss an den dritten Verfahrensschritt S3 in einem vierten Verfahrensschritt S4 an die verbleibende Gehäusegrundplatte 1.1 gelötet oder geschweißt werden. Hierbei ist eine Verbindungsausführung beispielsweise als ein L-förmiger Wechselfalz C ausgebildet, wie es die 4 und 6 zeigen. Eine derartige Verbindungsausführung vereinfacht eine Montage des Bondmoduls B wesentlich, wobei eine Löt- oder Schweißfläche gegenüber einer ebenen Verbindungsfläche vergrößert ist.
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Vorzugsweise weist die Gehäusegrundplatte 1.1 eine zum Wechselfalz C am Bondmodul B korrespondierende Ausformung A auf, so dass das Bondmodul B nach dem sogenannten „Poka Yoke“ Prinzip nur in einer nicht verwechselbaren Position mit der verbleibenden Gehäusegrundplatte 1.1 verbindbar ist. Das Bondmodul B wird dabei in einer dazu vorgesehenen Öffnung der verbleibenden Gehäusegrundplatte 1.1 angeordnet und mit einer weiteren stoffschlüssigen Kontaktstelle 7.1, z. B. eine weitere Lötstelle oder Schweißverbindung, mechanisch und hermetisch dicht verbunden.
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Die verbleibende Gehäusegrundplatte 1.1 besteht beispielsweise aus einem lötbaren metallischen Material und weist zweckmäßigerweise eine zum Wechselfalz C korrespondierende Form auf. Ist die verbleibende Gehäusegrundplatte 1.1 ebenfalls aus Keramik gebildet, ist das Aufbringen einer metallischen Schicht 6 an der Ausformung A erforderlich (hier nicht dargestellt).
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Damit ist das Bondmodul B in die Öffnung der Gehäusegrundplatte 1.1 automatisch einlegbar und kann auf einfache Art und Weise mit dieser stoffschlüssig verbunden werden.
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In einem fünften Verfahrensschritt S5 werden die Leitungselemente 2 im Gehäuseinneren I mit dem elektronischen Modul 3 elektrisch leitend verbunden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 4 wird als Verbindungselement 4 ein Bonddraht gezeigt.
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Zur Herstellung der Kontaktoberfläche 2.1 kann das Leitungselement 2 am im Gehäuseinneren I angeordneten Stirnende einen Flansch aufweisen.
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Außerhalb des Gehäuses 1 werden die Leitungselemente 2 mit weiteren Bauteilen der elektronischen Komponente E oder Bauteilen anderer Komponenten, z. B. Sensoren, Fahrzeugsteckern, Ventilen usw. elektrisch leitend verbunden, z. B. mittels Löten oder Schweißen. Eine Löt- oder Schweißtemperatur wird dabei derart eingestellt, dass die stoffschlüssigen Kontaktstellen 7 im Gehäuseinneren I mechanisch stabil bleiben.
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In einem sechsten Verfahrensschritt S6 erfolgt ein hermetischer Verschluss des Gehäuses 1.
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Dazu wird in das Gehäuse 1 ein Gel als Vibrationsdämpfungsmasse eingebracht. Anschließend wird der Gehäusedeckel 1.2 mit der Gehäusegrundplatte 1.1 hermetisch dicht verbunden, z. B. mittels Schweißen, insbesondere Reibrührschweißen. Hierbei taucht ein mit hoher Drehzahl rotierendes Werkzeug in das Gehäuse 1 ein. Durch die entstehende Reibungswärme sowie durch die Materialverdrängung wird der Gehäusedeckel 1.2 mit der Gehäusegrundplatte 1.1 stoffschlüssig verbunden. Alternativ kann der Gehäusedeckel 1.2 auch mit der Gehäusegrundplatte 1.1 verklebt oder verlötet werden.
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Vorzugsweise ist der thermische Längenausdehnungskoeffizient zumindest des keramischen Teils der Gehäusegrundplatte 1.1 im Bondmodul B an den thermischen Längenausdehnungskoeffizient des Leitungselements 2 oder der Leitungselemente 2 angepasst, so dass gegebenenfalls auftretende Zug-, oder Druckkräfte auf ein Minimum reduziert werden und somit keine Beschädigungen, die auf Zug-, oder Druckkräfte zurückzuführen sind, auftreten können.
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Weiterhin ermöglicht der Keramikspritzguss im Bereich der Formgebung ähnlich dem Kunststoffspritzguss die gleichen Freiheitsgrade, wodurch ein Durchmesser der Durchgangsöffnungen D größer als 0,l mm, gegebenenfalls in speziellen Fällen auch größer als 0,02 mm, sowie minimal realisierbare Wandstärken von größer als 0,2 mm möglich sind. Dies ermöglicht die Herstellung von Gehäusegrundplatten 1.1, die vollständig aus Keramik gebildet sind.
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Weiterhin sind Lötverbindungen reparierbar, so dass bei möglichen Undichtheiten ein Ausschuss und somit Kosten verringerbar sind.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass das beschriebene Bondmodul B universell für mehrere verschiedene Steuergeräte, z. B. Motorsteuergeräte, Steuergeräte für Hybridfahrzeuge, einsetzbar ist, die hohe Anforderungen an eine Dichtheit haben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 1.1
- Gehäusegrundplatte
- 1.2
- Gehäusedeckel
- 2
- Leitungselement
- 2.1
- Kontaktoberfläche
- 3
- elektronisches Modul
- 4
- Verbindungselement
- 5
- Glasformteil
- 6
- metallische Schicht
- 7
- stoffschlüssige Kontaktstelle
- 7.1
- weitere stoffschlüssige Kontaktstelle
- A
- Ausformung
- B
- Bondmodul
- C
- Wechselfalz
- D
- Durchgangsöffnung
- E
- elektronische Komponente
- I
- Gehäuseinneres
- S1 bis S6
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011009867 B4 [0028]
- DE 19700528 A1 [0029]
