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Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte sowie eine Baugruppe mit einer solchen Leiterplatte.
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Leiterplatten werden üblicherweise zum Aufbau von elektronischen Schaltungen eingesetzt. Die Leiterplatten dienen dabei meist als Tragstruktur für elektrische (meist insbesondere elektronische) Bauteile, wie z.B. Transistoren, Mikroprozessoren, ASICs und dergleichen, sowie zur Bereitstellung von Leiterbahnen, mittels derer die elektrischen Bauteile im bestimmungsgemäßen Montagezustand untereinander kontaktiert sind. Eine elektronische Schaltung kann beispielsweise ein Steuergerät (auch als Steuereinheit bezeichnet) eines Motors und/oder Getriebes eines Kraftfahrzeugs bilden. Um die elektrischen Bauteile vor mechanischen und/oder chemischen Einflüssen und/oder Verschmutzung zu schützen werden die Leiterplatten, die die Schaltungen tragen, herkömmlicherweise in einem Gehäuse angeordnet.
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Bei Kraftfahrzeugen kommen Steuergeräte für Motoren und/oder Getriebe üblicherweise im Motorraum, im oder am Getriebe selbst zum Einsatz. Deshalb kommt der Mediendichtheit des Gehäuses dieser Steuergeräte eine besondere Bedeutung zu, insbesondere da in diesen Einsatzbereichen vergleichsweise aggressive Medien, wie beispielsweise Öldämpfe, Gase und/oder Flüssigkeiten auftreten können, die die elektrischen Bauteile und/oder deren Kontaktstellen zur Leiterplatte (bspw. durch Kurzschluss oder beschleunigte Korrosion) schädigen können.
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Zur Abdichtung des Gehäuses werden an den Nahtstellen des Gehäuses, d.h. zwischen einem oft wannenartigen Gehäusegrundkörper und einem diesem zugeordneten Gehäusedeckel Dichtungselemente, wie z.B. Dichtungsringe, eingesetzt. Der Einsatz eines solchen zweiteiligen Gehäuses erfordert allerdings ausreichend Platz („Bauraum“) in dem Bereich, in dem die elektronische Schaltung eingesetzt werden soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei geringem Bauraumbedarf eine einfache und effektive Abdichtung von elektrischen Bauteilen zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Leiterplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Die erfindungsgemäße Leiterplatte umfasst ein Schichtpaket, das wenigstens eine Leiterbahnschicht und wenigstens eine Trägerschicht aufweist, auf der die Leiterbahnschicht (vorzugsweise eine der Leiterbahnschichten) angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Leiterplatte einen Abdichtrahmen, der teilweise in das Schichtpaket, vorzugsweise in die Trägerschicht oder mehrere der Trägerschichten, eingebettet ist, sodass eine mediendichte Verbindung mit dem Schichtpaket gebildet ist. Der Abdichtrahmen weist dabei auf einer von dem Schichtpaket abgewandten Seite eine Dichtfläche auf, in der eine Dichtungsnut zur Aufnahme eines Dichtungselements ausgeformt ist. Die Leiterplatte, konkret der Abdichtrahmen ist dabei dazu eingerichtet, in einem bestimmungsgemäßen Montagezustand mit der Dichtfläche – vorzugsweise mit dem in die dortige Dichtungsnut eingebrachten Dichtungselement – gegen eine (Gehäuse-)Wand einer übergeordneten oder zumindest separaten Baueinheit montiert zu sein.
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Mittels des im bestimmungsgemäßen Montagezustand eingelegten Dichtungselements ist, insbesondere in Zusammenwirkung mit der Gehäusewand, vorzugsweise eine mediendichte Umhausung wenigstens eines an dem Schichtpaket angeordneten elektrischen Bauteils gegenüber der Umgebung gebildet.
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Dadurch, dass der Abdichtrahmen als Teil der Leiterplatte selbst ausgebildet und mediendicht in das Schichtpaket der Leiterplatte eingebettet ist, kann vorteilhafterweise ein zusätzliches (d. h. von der Leiterplatte vollständig separates) Gehäuse, das die gesamte Leiterplatte umgibt, entfallen. Das Schichtpaket bildet mithin selbst einen Teil der Umhausung.
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In einer bevorzugten Ausführung ist der Abdichtrahmen aus thermoplastischem Kunststoff gebildet, insbesondere spritzgegossen. Dadurch ist eine besonders große Gestaltungsfreiheit bei gleichzeitig einfacher Herstellung möglich.
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In einer zweckmäßigen Ausführung umfasst die Trägerschicht des Schichtpakets einen faserverstärkten duroplastischen Kunststoff. Insbesondere ist die Trägerschicht aus einem (vorzugsweise Glas- oder Aramid-)Fasergewebe, das mit dem duroplastischen Kunststoff (beispielsweise einem Epoxidharz) getränkt ist, gebildet. Das Schichtpaket ist somit insbesondere nach Art einer FR4- oder FR5-Leiterplatte ausgebildet.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist der duroplastische Kunststoff der Trägerschicht und der thermoplastische Kunststoff des Abdichtrahmens insbesondere derart gewählt, dass diese eine besonders gute Haftung untereinander aufweisen. Somit wird auf einfache Weise eine mediendichte Abdichtung des Abdichtrahmens gegen das Schichtpaket ermöglicht.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung bildet der Abdichtrahmen einen ringförmig geschlossenen Rand um wenigstens einen Teilbereich des Schichtpakets. Der derart umrandete (Teil-)Bereich des Schichtpakets, insbesondere der Oberfläche des Schichtpakets, wird im Folgenden auch als „Elektronikbereich“, in Bezug auf das auf der umrandeten Fläche aufsetzende Raumvolumen insbesondere als „Elektronikraum“ bezeichnet. In diesem Elektronikraum sind im bestimmungsgemäßen Montagezustand das elektrische Bauteil bzw. die zu umhausenden elektrischen Bauteile angeordnet.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung ist der Abdichtrahmen – zumindest ein Teil des Abdichtrahmens – an einer Flachseite des (vorzugsweise plattenartig ausgebildeten) Schichtpakets der Leiterplatte zugänglich. D.h. der Abdichtrahmen liegt an dieser Flachseite des Schichtpakets zum Teil offen. Der in diesem Fall von dem Abdichtrahmen definierte (umrandete) Elektronikraum deckt dabei eine im Vergleich zur Gesamtfläche des Schichtpakets kleinere Fläche (d.h. den vorstehend beschriebenen Teilbereich der Flachseite) ab.
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In einer bevorzugten Weiterbildung steht der Abdichtrahmen dabei insbesondere über die Oberfläche einer der Flachseiten des (insbesondere plattenartigen) Schichtpakets über. Der Abdichtrahmen bildet dabei vorzugsweise einen im Folgenden als „Rahmensteg“ bezeichneten, über die Oberfläche des Schichtpakets überstehenden Steg. In einer beispielhaften Ausführung ist dieser Rahmensteg dabei derart hoch über die Oberfläche der Flachseite überstehend ausgeführt, dass im bestimmungsgemäßen Montagezustand auf dem Schichtpaket angeordnete elektrische Bauteile von dem von dem Schichtpaket wegweisenden Ende des Rahmenstegs überragt werden. Dadurch kann die mit den elektrischen Bauteilen bestückte Leiterplatte bei der Montage auf einfache Weise gegen eine flache Wand der übergeordneten bzw. separaten Baueinheit montiert werden, ohne dass das Risiko besteht, die elektrischen Bauteile zwischen der Wand und dem Schichtpaket zu klemmen.
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In einer alternativen Ausführung steht der Abdichtrahmen insbesondere an den Schmalseiten des (vorzugsweise plattenartigen) Schichtpakets vor. Das heißt, dass der Abdichtrahmen in Richtung der Ebene des Schichtpakets über dieses hinausragt. In diesem Fall ist die Dichtfläche des Abdichtrahmens im Wesentlichen quer (insbesondere senkrecht) zur Ebenenrichtung des Schichtpakets ausgerichtet und somit die Dichtungsnut in der Ebenenrichtung des Schichtpakets geöffnet.
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Die erfindungsgemäße Baugruppe umfasst die vorstehend beschriebene Leiterplatte. Auf dem Schichtpaket der Leiterplatte ist dabei eine Anzahl von elektrischen Bauteilen angeordnet. In die Dichtungsnut des Abdichtrahmens ist ein Dichtungselement, vorzugsweise ein Dichtring, eingebracht (eingelegt) und die Leiterplatte ist mit dem Abdichtrahmen an eine Gehäusewand (bspw. einen Gehäusedeckel) einer übergeordneten oder separaten Baueinheit angeschlagen, sodass das oder wenigstens eines der elektrischen Bauteile mittels des Dichtungselements mediendicht gegenüber der Umgebung eingehaust ist.
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Die Baugruppe stellt beispielsweise ein Steuergerät für einen Motor oder ein Getriebe (die wiederum die vorstehend genannte Baueinheit bilden) eines Kraftfahrzeugs dar, wobei das Steuergerät vorzugsweise mit dem Motor bzw. Getriebe, insbesondere dessen Gehäuse verbunden ist. In diesem Fall bildet das Steuergerät vorzugsweise einen integralen Teil dieser Baueinheiten. Bei der Gehäusewand handelt es sich in diesem Fall vorzugsweise um die Wand des Motor- oder Getriebegehäuses. Die elektronische Schaltung des Steuergeräts wird insbesondere durch die auf der Leiterplatte angeordneten elektrischen Bauteilen gebildet. Die Leiterplatte ist dabei beispielsweise mittels Befestigungsschrauben an der Gehäusewand befestigt.
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Aufgrund der mediendichten Integration des Abdichtrahmens in das Schichtpaket der Leiterplatte kann vorteilhafterweise ein zusätzliches (d. h. von der Leiterplatte vollständig separates) Gehäuse, das die gesamte Leiterplatte umgibt und mittels dessen die Leiterplatte an der Gehäusewand der übergeordneten oder separaten Baueinheit befestigt ist, entfallen. Dadurch kann vorteilhafterweise auch Montageaufwand eingespart werden. Die Leiterplatte bildet dabei mithin insbesondere selbst einen Teil ihres Gehäuses (ihrer Umhausung), insbesondere einen Gehäuseboden aus, so dass im vorstehend beschriebenen Montagezustand die gesamte Baugruppe vergleichsweise wenig Bauraum in Anspruch nimmt.
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In einer optional zusätzlichen, zweckmäßigen Ausführung stellt der durch den Abdichtrahmen auf dem Schichtpaket definierte Elektronikraum eine Wanne dar, die (im bestimmungsgemäßen Montagezustand) mittels einer vorzugsweise spritzgießtechnisch eingebrachten Vergussmasse verfüllt ist. Die in dem Elektronikraum angeordneten elektrischen Bauteile sind dabei mediendicht und vibrationsgedämpft von der Vergussmasse umschlossen. Bei der Vergussmasse handelt es sich insbesondere um ein sogenanntes Gießharz. Optional handelt es sich bei der Vergussmasse um ein Gel, das gegenüber einem herkömmlichen Gießharz eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweist, sodass die Ableitung der im Betrieb der Baugruppe von den elektrischen Bauteilen abgegebenen Wärme vorteilhaft verbessert ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Leiterplatte, die ein Schichtpaket sowie einen darin integrierten Abdichtrahmen umfasst,
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2 und 3 in Ansicht gemäß 1 jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel der Leiterplatte, und
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4 in Ansicht gemäß 1 eine Baugruppe, die die Leiterplatte gemäß 1 umfasst.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Leiterplatte 1 dargestellt. Die Leiterplatte 1 umfasst ein in Form einer ebenen Platte ausgebildetes Schichtpaket 2 (auch als „Laminatpaket“ bezeichnet), das nach dem Prinzip einer FR4-Leiterplatte aufgebaut ist. Das Schichtpaket 2 umfasst somit mehrere (nicht näher dargestellte) Schichten („Laminat-Lagen“), die jeweils zur Leitung elektrischer Signale oder zur mechanischen Stabilisierung dienen. Die zur Leitung der elektrischen Signale sowie zur Kontaktierung von elektrischen oder elektronischen Bauteilen 4 (in 1 gestrichelt dargestellt) dienenden Schichten werden hier und im Folgenden als Leiterbahnschichten bezeichnet. Die Leiterbahnschichten weisen dabei (in der Ebene des Schichtpakets 2 verlaufende) Leiterbahnen auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Kupfer gebildet sind. Die Schichten zur mechanischen Stabilisierung (der Leiterbahnschichten) werden hier und im Folgenden als Trägerschichten bezeichnet. Die Trägerschichten sind aus einem Glasfasergewebe gebildet, das mit einem duroplastischen Harz, beispielsweise einem Epoxid-Harz, getränkt ist. Die Leiterplatte 1 umfasst außerdem ein aus thermoplastischem Kunststoff gebildetes Element, das zumindest teilweise in das Schichtpaket 2, konkret in das duroplastische Harz wenigstens einer der Trägerschichten eingebettet ist. Dieses Element dient dabei zur Ausbildung einer mediendichten Umhausung der im bestimmungsgemäßen Montagezustand auf einer der Flachseiten 6 des Schichtpakets 2 angeordneten Bauteile 4. Dieses aus thermoplastischem Kunststoff gebildete Element wird hier und im Folgenden als Abdichtrahmen 8 bezeichnet.
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In einem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abdichtrahmen 8 durch ein im Wesentlichen T-förmiges Profil gebildet, das innerhalb einer der Flachseiten 6 des Schichtpakets 2 einen Teilbereich dieser Flachseite 6 ringförmig geschlossen umrandet. Der von dem Abdichtrahmen 8 umrandete Teil- oder Flächenbereich wird hier und im Folgenden auch als Elektronikbereich, der auf diesen Flächenbereich aufstehende und von dem Abdichtrahmen 8 umrandete Raum als „Elektronikraum 10“ bezeichnet.
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Der Querbalken des T-förmigen Profils des Abdichtrahmens 8 bildet einen Fuß 12, mittels dessen der Abdichtrahmen 8 in dem Schichtpaket 2 eingebettet ist. Der Fuß 12 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl stoffschlüssig als auch formschlüssig in dem Schichtpaket 2, konkret in der entsprechenden Trägerschicht, fixiert. Das Harz der entsprechenden Trägerschicht bildet dabei außerdem eine mediendichte Verbindung mit dem thermoplastischen Kunststoff des Abdichtrahmens 8.
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Der senkrechte Balken des T-förmigen Profils des Abdichtrahmens 8 bildet im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen senkrecht auf der Flachseite 6 des Schichtpakets 2 aufstehenden Rahmensteg 14 aus, der den Elektronikraum 10 ringförmig geschlossen umrandet. In dem Abdichtrahmen 8, konkret in dem von der Flachseite 6 des Schichtpakets 2 abgewandten Ende des Rahmenstegs 14 (konkret der dortigen als Dichtfläche bezeichneten Endfläche) ist eine Dichtungsnut 16 eingebracht. In dieser Dichtungsnut 16 ist im bestimmungsgemäßen Montagezustand der Leiterplatte 1 an einer Gehäusewand 20 einer übergeordneten Baueinheit (vgl. 4) ein Dichtungselement, konkret ein Dichtring 22 eingelegt.
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In einem weiteren in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf beiden Flachseiten 6 des Schichtpakets 2 jeweils ein Abdichtrahmen 8 der vorstehend beschriebenen Art angeordnet.
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In einem weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Abdichtrahmen 8 gemäß 2 einstückig miteinander, konkret an ihren jeweiligen Füßen 12 verbunden.
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In einem alternativen, in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abdichtrahmen 8 entlang der quer zu den Flachseiten 6 verlaufenden Kanten 24 des Schichtpakets 2 umlaufend angeordnet. Die Dichtungsnut 16 ist dabei in der Richtung der Ebene des Schichtpakets 2 umlaufend um das Schichtpaket 2 in den Abdichtrahmen 8 eingebracht.
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In 4 ist die Leiterplatte 1 im bestimmungsgemäßen Montagezustand dargestellt. Die Leiterplatte 1 ist dabei Teil einer Baugruppe 30, die ein in ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs integriertes Steuergerät darstellt. Das Steuergerät ist dabei durch die Leiterplatte 1 und die mit deren Schichtpaket 2 kontaktierten elektrischen bzw. elektronischen Bauteile 4 gebildet. Das Getriebe als übergeordnete Baueinheit umfasst ein Getriebegehäuse, das durch die (Gehäuse-)Wand 20 angedeutet ist. Die Leiterplatte 1 ist mittels (Befestigungs-)Schrauben 32 an der Wand 20 fixiert. Die Schrauben 32 bringen dabei den für die mediendichte Abdichtung der Leiterplatte 1 gegen das Getriebegehäuse erforderlichen Dichtungsdruck auf den in die Dichtungsnut 16 eingelegten Dichtring 22 auf. Das Schichtpaket 2 und der Abdichtrahmen 8 bilden somit (in Zusammenwirkung mit der Wand 20) integral ein Gehäuse für die Bauteile 4.
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Im in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eines der elektronischen Bauteile 4 durch einen Sensor 34 gebildet, der durch einen Gehäusedurchbruch 36 des Getriebegehäuses in Richtung auf die Getriebekomponenten vorsteht, um im Betrieb des Getriebes Betriebskenngrößen erfassen zu können. Der Gehäusedurchbruch 36 ist dabei ebenfalls mediendicht gegenüber der Umgebung des Getriebes mittels der Leiterplatte 1 abgedichtet.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- Schichtpaket
- 4
- Bauteil
- 6
- Flachseite
- 8
- Abdichtrahmen
- 10
- Elektronikraum
- 12
- Fuß
- 14
- Rahmensteg
- 16
- Dichtungsnut
- 20
- Gehäusewand
- 22
- Dichtring
- 24
- Kante
- 30
- Baugruppe
- 32
- Befestigungsschraube
- 34
- Sensor
- 36
- Gehäusedurchbruch
