DE102016214277A1

DE102016214277A1 - Leiterplatte und Sensor

Info

Publication number: DE102016214277A1
Application number: DE102016214277.1A
Authority: DE
Inventors: Erich Mattmann; Robert Peter; Waldemar Brinkis; Martin Maasz; Burkhard Dasbach
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-08-02
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2018-02-08
Also published as: EP3494764A1; CN109644565B; US10791630B2; WO2018024451A1; CN109644565A; KR102163147B1; US20190200456A1; KR20190023107A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit auf einer Seite eines Substrates 1 ausgebildeten Leiterbahnen 2, wobei das Substrat 1 an einer Kontaktfläche 2 mit einer Abdeckung zum Schutz der Leiterbahnen 2 stoffschlüssig verbindbar ist. Das Substrat umfasst dabei eine Stufung 3, die gegenüber einem Hilfsstoff zur Begünstigung der stoffschlüssigen Verbindung eine Barriere bildet, um eine Benetzung der Leiterbahnen mit dem Hilfsstoff zu unterbinden. Ferner betrifft die Erfindung einen Sensor mit einer solchen Leiterplatte, etwa zur Verwendung in einem Kraftstofffüllstandsmesssystem eines Fahrzeugs.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leiterplatte und einen Sensor mit einer solchen Leiterplatte.
Nach dem Stand der Technik sind sogenannte magnetische, passive Positionssensoren bekannt, die in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs zur Kraftstofffüllstandserfassung zum Einsatz kommen. Derartige Sensoren sind auch unter der Bezeichnung MAPPS bekannt (MAgnetic Passiv Position Sensor). Ein derartiger Sensor enthält eine Leiterplatte, die auf einer Seite eines Substrates mit Leiterbahnen und einer Kontaktfederstruktur bestückt ist, wobei die Kontaktfederstruktur je nach Kraftstofffüllstand des Tanks mittels eines Magneten mit den Leiterbahnen kontaktiert ist.
Die Leiterbahnen und die Kontaktfederstruktur sind sehr fein ausgebildet und daher vor Verunreinigungen und Korrosion zu schützen. Aus diesem Grund ist die mit den Leiterbahnen und der Kontaktfederstruktur bestückte Seite des Substrates flüssigkeitsdicht bzw. hermetisch abgekapselt. Daher ist ein solcher Sensor unabhängig von der Kraftstoffzusammensetzung und somit für alle Kraftstoffarten gleichermaßen geeignet. Zudem stellt ein solcher Sensor ein sogenanntes geschlossenes System dar. Herkömmliche offene Systeme hingegen ohne eine solche Kontaktfederstruktur werden durch spezielle Legierungen gegen Korrosion geschützt, um sie in einem aggressiven Medium, wie Benzin oder Diesel einsetzen zu können. Die Legierungen sind dabei auf die Kraftstoffe der jeweiligen Region und deren Anteil an Schwefel, Ethanol oder Methanol abgestimmt.
Solch ein Sensor bzw. MAPPS ist z.B. aus der aus der Patentschrift EP 0 844 459 B1 bekannt, die hiermit zum Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung gemacht wird.
Zur hermetischen Abkapselung des MAPPS wird die Leiterplatte mit einem Deckel bzw. einer Abdeckung beispielsweise durch Verlöten stoffschlüssig verbunden. Beim Verlöten wird ein Flussmittel als Hilfsstoff zur stoffschlüssigen Verbindung hinzugegeben, der eine bessere Benetzung der Kontakt- bzw. Verbindungsfläche der Leiterplatte bzw. des Substrates der Leiterplatte mit einem Lotmittel ermöglicht. Die Verwendung eines solchen Hilfsstoffes kann allerdings zu einer unerwünschten Benetzung von anderen Flächen der abzukapselnden Leiterplattenseite als der besagten Kontakt- bzw. Verbindungsfläche führen, wobei diese unerwünschte Benetzung die Kontaktierung der Leiterbahnen durch Kontaktfederstruktur beeinträchtigen kann.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, derartige Beeinträchtigungen zu unterbinden.
Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst. Die Ansprüche 13, 14 und 15 stellen einen Sensor mit einer derartigen Leiterplatte, ein Kraftstofffüllstandsmesssystem mit einem solchen Sensor und ein Fahrzeug mit einem solchen Kraftstofffüllstandsmesssystem unter Schutz. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es wird eine Leiterplatte vorgeschlagen mit auf einer Seite eines Substrates ausgebildeten Leiterbahnen, wobei das Substrat an einer Kontakt- bzw. Verbindungsfläche mit einer Abdeckung zum Schutz der Leiterbahnen bzw. zum Schutz der bestückten Substratseite stoffschlüssig verbindbar ist.
Die stoffschlüssige Verbindung kann dabei – wie im Falle des MAPPS – so ausgebildet sein, dass sie eine hermetische Abdichtung der bestückten Substratseite gewährleistet, so dass diese Seite absolut frei von Verschmutzungen und Korrosion ist.
Das Substrat weist dabei eine Stufung auf, die gegenüber einem Hilfsstoff zur Begünstigung der stoffschlüssigen Verbindung eine Barriere bildet, um eine Benetzung der Leiterbahnen bzw. der bestückten Substratseite mit dem Hilfsstoff zu unterbinden. Somit unterbleibt die eingangs genannte unerwünschte Benetzung anderer nicht zur Benetzung vorgesehener Flächen der bestückten Substratseite.
Eine Stufung im Sinne dieser Anmeldung ist eine Variation einer Substratdicke bzw. -stärke, die durch die Variation erhöht und/oder verringert werden kann. In anderen Worten ausgedrückt kann die Stufung demnach substratverstärkend und/oder substratabschwächend ausgeführt sein. Eine positive Stufung erhöht die Substratdicke bzw. –stärke, wohingegen eine negative Stufung die Substratdicke bzw. –stärke verringert.
Ein Hilfsstoff im Sinne dieser Anmeldung ist ein zur stoffschlüssigen Verbindung mittels eines Verbindungsstoffes zugegebener Stoff, der eine bessere Benetzung der Kontakt- bzw. Verbindungsfläche der Leiterplatte bzw. des Substrates der Leiterplatte mit dem Verbindungsstoff zur stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Leiterplatte und der Abdeckung bzw. einem Deckel ermöglicht. Bei dem Verbindungsstoff kann es sich dabei um einen Zusatzwerkstoff handeln, etwa einem Lot, Schweißzusatzwerkstoff oder Kleber. Grundsätzlich kann aber eine stoffschlüssige Verbindung auch ohne einen solchen Zusatzwerkstoff zustande kommen, indem die miteinander zu verbindenden Flächen miteinander verschmelzen. In diesem Fall stellt zumindest eines der Materialien der Flächen den Verbindungsstoff dar.
Beispielsweise ist ein Flussmittel ein solcher Hilfsstoff. Ein Flussmittel ist ein beim Löten zugegebener Hilfsstoff im Sinne dieser Anmeldung, der eine bessere Benetzung einer zu verbindenden Oberfläche bzw. Kontaktfläche des Substrates mit einem Lot als Verbindungsstoff bewirkt. Es entfernt an der Oberfläche aufliegende Oxide durch chemische Reaktion. Gleiches gilt für Oxide, die während eines Lötvorgangs durch den Sauerstoff der Luft entstehen.
Eine solche Lötverbindung stellt nur eine Möglichkeit zur stoffschlüssigen Verbindung dar. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Substrat und der Abdeckung auch durch eine Verklebung und/oder Verschweißung zustande kommen. Entsprechend kann ein Verbindungsstoff auch ein Kleber und/oder ein Schweißzusatzwerkstoff sein. Nach einer Ausführungsform ist die Stufung mit Bezug auf das Substrat innenliegend gegenüber der Kontaktfläche des Substrates angeordnet. Dies verhindert die zuvor beschriebene unerwünschte Benetzung anderer nicht zur Benetzung vorgesehener Flächen der bestückten Substratseite.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Stufung substratverstärkend ausgebildet, d.h. dass die Stufung im Sinne einer positiven Stufung die Substratdicke bzw. –stärke erhöht. Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst die Stufung die Kontaktfläche des Substrates. D.h., dass die Kontaktfläche unmittelbar in die Stufung übergeht. Oder anders ausgedrückt, die Stufung schließt sich direkt an die Kontaktfläche an. Dies ermöglicht eine sehr platzsparende Ausgestaltung der Leiterplatte. Grundsätzlich ist aber auch eine Beabstandung der Stufung zur Kontaktfläche bzw. -schicht denkbar.
Die Stufung kann dabei einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein. Dabei können für die Schichten gleiche oder verschiedene Materialien verwendet werden.
Nach einer Ausführungsform umfasst die Stufung eine erste Schicht, eine zweite Schicht und eine dritte Schicht, wobei die erste und zweite Schicht die Kontaktschicht bilden und die dritte Schicht die Barriere bildet.
Die Stufung kann dabei metallhaltig sein. Dadurch eignet sich die Stufung z.B. zum Verlöten mit einer metallischen oder zumindest metallisierten Kontaktfläche der Abdeckung.
Nach einer Ausführungsform ist die Stufung aus einer silberhaltigen Sinterpaste ausgebildet. Grundsätzlich kann es sich bei der Sinterpaste um jede nur denkbare, vorzugsweise metallhaltige Sinterpaste handeln, die sich zur Herstellung einer solchen Stufung eignet.
Eine derartige Sinterpaste, die etwa auf einem Substrat aus einer Aluminiumoxidkeramik aufgedruckt sein kann, verdichtet und verfestigt sich bei einer Trocknung und Sinterung in einem Sinterofen zu einem festen Material.
Unter Sinterung bzw. Sintern versteht man dabei eine Verfestigung und Verdichtung einer Sinterpaste zu einem kompakten Werkstoff infolge einer Temperaturbehandlung in einem Sinterofen. Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Stufung umlaufend um die Leiterbahnen ausgebildet. Dabei kann die Stufung durchgehend umlaufend ausgebildet sein, so dass – falls notwendig, wie etwa beim MAPPS – eine hermetische Abdichtung der abzudeckenden, bestückten Substratseite erreicht werden kann.
Je nachdem wie die abzudeckende Substratseite ausgeführt sein soll, kann die Stufung entlang der Ränder des Substrates ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine sehr platzsparende Ausgestaltung der Leiterplatte.
Das Substrat kann dabei aus einer Sinterkeramik ausgebildet sein. Grundsätzlich kann das Substrat aus jedem nur denkbaren Material hergestellt sein, welches sich für eine Leiterplatte eignet, etwa im Zusammenhang mit dem MAPPS.
Es wird ferner ein Sensor mit einer Abdeckung vorgeschlagen, der eine Leiterplatte der zuvor beschriebenen Art aufweist. Ferner wird ein Kraftstofffüllstandsmesssystem vorgeschlagen mit einem Sensor der zuvor beschriebenen Art.
Darüber hinaus wird ein Fahrzeug vorgeschlagen mit einem Kraftstofffüllstandsmesssystem der zuvor beschriebenen Art.
Im Weiteren wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Figurendarstellungen im Einzelnen erläutert. Aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen ergeben sich weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Hierzu zeigen:
1 eine Leiterplatte nach dem Stand der Technik,
2 eine erfindungsgemäß modifizierte Leiterplatte,
3 eine mögliche Stufenausbildung und
4 eine schematische Darstellung einer Anordnung aus einer Leiterplatte und einer Abdeckung bzw. eines Deckels. Gleiche oder gleichwirkende Merkmale sind über alle Figuren hinweg mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 veranschaulicht eine nach dem Stand der Technik bekannte Leiterplatte 10 eines MAPPS (MAgnetic Passiv Position Sensor). Die Leiterplatte 10 umfasst ein Substrat 1, das aus einer Aluminiumoxid-Sinterkeramik ausgebildet ist. Das Substrat 1 ist auf einer Seite mit Leiterbahnen 2 bedruckt, die im Schablonendruck- oder im Siebdruckverfahren aufgebracht sein können. Zudem weist das Substrat 1 entlang seiner Ränder eine durchgehend umlaufende Kontaktfläche 2 bzw. -schicht auf, welche die Leiterbahnen 2 umgibt. Sowohl die Leiterbahnen 2 als auch die Kontaktfläche 2 bzw. -schicht sind dabei aus einer metallhaltigen Sinterpaste ausgebildet. Dabei handelt es sich zweckmäßigerweise um das gleiche Material, etwa einer silberhaltigen Sinterpaste. Auch die Dicke dieser Schichten ist zweckmäßigerweise identisch. Die Kontaktfläche 2 bzw. -schicht ist mit einer entsprechenden metallischen oder zumindest metallisierten Abdeckung stoffschlüssig derart verbindbar, dass die bedruckte Substratseite hermetisch abgedichtet werden kann und folglich frei von Verschmutzungen und Korrosion bleibt.
2 veranschaulicht eine weiterentwickelte Leiterplatte 10, bei der auf der abzudeckenden Seite des Substrates 1 sowohl Leiterbahnen 2 aus der metallhaltigen Sinterpaste als auch eine Widerstandsbahn 8 bzw. -schicht – die als solche nicht in 1 dargestellt ist – aufgedruckt sind. Sowohl die Leiterbahnen 2 als auch die Widerstandsbahn 8 können dabei im Schablonendruck- oder im Siebdruckverfahren aufgebracht sein.
Analog zur 1 sind die Leiterbahnen 2 und die Widerstandsbahn 8 von der durchgehend umlaufenden Kontaktfläche 2 bzw. -schicht umgeben, die entlang der Ränder des Substrates 1 aufgedruckt ist, um eine hermetische Abdichtung mit einer entsprechend verbindbaren Abdeckung zu gewährleisten. Diese Kontaktfläche 2 besteht dabei aus dergleichen Sinterpaste, die auch für die Leiterbahnen 2 verwendet wird. An diese Kontaktfläche 2 schließt sich ferner eine Stufung 3 an, die in Bezug auf das Substrat 1 innenliegend gegenüber der Kontaktfläche 2 angeordnet ist und die analog zur Kontaktfläche 2 durchgehend umlaufend ausgebildet ist, so dass sie die Leiterbahnen 2 und die Widerstandsbahn 8 umgibt.
Die Stufung 3 fungiert dabei als Barriere bzw. Damm gegenüber einem Flussmittel, mit dem die Kontaktfläche 2 benetzt wird, um die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Kontaktfläche 2 und einer entsprechenden Kontaktfläche der Abdeckung mittels eines Lotes zu begünstigen.
3 veranschaulicht den Randbereich 7 des in 2 gezeigten Substrates 1 in einer Querschnittsdarstellung. Im Einzelnen ist eine mögliche Ausführung der Stufung 3 zu sehen. Die Stufung 3 umfasst dabei die Kontaktfläche 2 bzw. -schicht der Sinterpaste, d.h., dass die Kontaktfläche unmittelbar in die Stufung übergeht. Oder anders ausgedrückt, die Stufung schließt sich direkt an die Kontaktfläche an, so dass sich die Substratdicke erhöht bzw. verstärkt.
Vom Rand des Substrates 1 ausgehend verändert sich dabei die Dicke der Sinterpaste durch einen im Wesentlichen positiven Stufen- bzw. Flankensprung von Y auf Y'. Die Breite der Sinterpaste entspricht X und die Breite der Stufung entspricht X'. In diesem Beispiel betragen Y = 0,015mm, Y' = 0,025mm und X = 1,2mm, X' = 0,7mm. Die Sinterpaste einschließlich des Kontaktflächenabschnitts und der Stufung ist dabei einschichtig ausgebildet. Dazu wird die Sinterpaste mittels einer entsprechenden Schablone oder mittels eines entsprechenden Siebs auf das Keramiksubstrat aufgedruckt. Die Schablone bzw. das Sieb ist dabei entsprechend feinmaschig ausgebildet, so dass sie bzw. es einen derart gestuften Aufdruck auf das Substrat ermöglicht. Alternativ dazu kann die Sinterpaste auch schichtweise bzw. lagenweise aufgetragen werden (vgl. 4).
Die 3 und 4 veranschaulichen dabei eine besonders einfache und zugleich wirkungsvolle Ausführung einer substratverstärkenden Stufung, welche die Gestalt einer im Wesentlichen positiv treppenförmigen Substratverstärkung mit zumindest einer Stufe bzw. Flanke aufweist. Grundsätzlich sind aber auch andere Stufungen mit sowohl positiven bzw. substratverstärkenden als auch negativen bzw. substratschwächenden Abschnitten denkbar, um die eingangs genannte unerwünschte Benetzung anderer nicht zur Benetzung vorgesehener Flächen der bestückten Substratseite zu verhindern.
4 veranschaulicht einen mehrschichtigen Aufbau einer entlang der Ränder des Substrates 1 gestuft aufgedruckten Sinterpaste. Diese Sinterpaste umfasst dabei eine erste Schicht 2, eine zweite Schicht 2' bzw. Verstärkungsschicht und eine dritte Schicht 3, wobei die erste und zweite Schicht 2, 2' den Kontaktflächenabschnitt bilden, auf welchen die dritte Schichte 3 aufgedruckt ist, um als Barriere bzw. Damm zu fungieren. Die Dicke der ersten Schicht 2 entspricht dabei der Schichtdicke der angedeuteten Leiterbahn 2, über welche sich ein angedeutetes Kontaktfederelement 4 erstreckt. Der gestufte Sinterpastenabschnitt 2, 2', 3 und die Leiterbahn 2 bestehen dabei zweckmäßigerweise aus demselben Material, z.B. aus der zuvor genannten silberhaltigen Sinterpaste.
Eine derart bedruckte Aluminiumoxid-Sinterkeramik, die bereits vor dem Aufdrucken der Sinterpasten 2, 2', 3 ausgesintert ist, durchläuft schließlich einen Sinterofen, in dem die Sinterpasten 2, 2', 3 getrocknet und gesintert werden. Dabei verdichten und verfestigen sich die Sinterpasten 2, 2', 3 zu einer physikalisch festen Struktur und gehen dabei eine stoffschlüssige Verbindung mit der Aluminiumoxid-Sinterkeramik ein.
Ein derartiges Substrat bzw. Trägermaterial eignet sich für einen Hochtemperatur- bzw. Sinterprozess nach der sogenannten LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) oder HTCC (High Temperature Cofired Ceramics) Technologie, d.h. für eine Behandlung bei etwa 950°C oder auch bei etwa 1500°C.
Ein angedeuteter Deckel 5 ist mittels eines Lotes 6 mit der Kontaktfläche 2' stoffschlüssig verbunden. Der Deckel 5 liegt dabei nicht an der Barriere 3 an, auch wenn er dies durchaus könnte. Das Lot 6 ist dabei am Substratrand angebracht und demnach zur Barriere 3 beabstandet. Grundsätzlich kann das Lot aber auch an der Barriere anliegen.
Eine Barriere nach 3 oder 4 verhindert wirksam die Benetzung der Leiterbahn 2 und somit auch die Benetzung des Kontaktfederelementes 4 durch das Flussmittel. Somit unterbleibt eine Verklebung des Kontaktfederelementes 4 mit der Leiterbahn 2 infolge einer solchen Benetzung.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0844459 B1 [0004]

Claims

Leiterplatte mit auf einer Seite eines Substrates (1) ausgebildeten Leiterbahnen (2), wobei das Substrat (1) an einer Kontaktfläche (2) mit einer Abdeckung zum Schutz der Leiterbahnen (2) stoffschlüssig verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Stufung (3) aufweist, die gegenüber einem Hilfsstoff zur Begünstigung der stoffschlüssigen Verbindung eine Barriere bildet, um eine Benetzung der Leiterbahnen mit dem Hilfsstoff zu unterbinden.
Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufung (3) mit Bezug auf das Substrat (1) innenliegend gegenüber der Kontaktfläche (2) des Substrates (1) angeordnet ist.
Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufung (3) substratverstärkend ausgebildet ist.
Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufung (3) die Kontaktfläche (2) umfasst.
Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufung (3) zumindest einschichtig ausgebildet ist.
Leiterplatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufung (3) eine erste Schicht (2), eine zweite Schicht (2') und eine dritte Schicht (3) umfasst, wobei die dritte Schicht die Barriere bildet.
Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufung (3) metallhaltig ist.
Leiterplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufung (3) aus einer silberhaltigen Sinterpaste ausgebildet ist.
Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufung (3) umlaufend um die Leiterbahnen (2) ausgebildet ist.
Leiterplatte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufung (3) durchgehend umlaufend ausgebildet ist.
Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufung (3) entlang der Ränder des Substrates (1) ausgebildet ist.
Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) aus einer Sinterkeramik ausgebildet ist.
Sensor mit einer Abdeckung und mit einer Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Kraftstofffüllstandsmesssystem mit einem Sensor nach Anspruch 13.
Fahrzeug mit einem Kraftstofffüllstandsmesssystem nach Anspruch 14.