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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für ein Fahrzeug, wie etwa ein Getriebesteuergerät für einen Pkw.
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Stand der Technik
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Ein üblicher und kostengünstiger Aufbau eines Steuergeräts umfasst eine Leiterplatte, bei der die Bauelemente aufgelötet sind und die in einem Gehäuse angeordnet ist. Für Leistungsbauelemente, die häufig gekühlt werden müssen, kann die Leiterplatte eine Anzahl von thermischen Durchkontaktierungen („thermal vias“) aufwiesen, die die thermische Verlustleistung durch die Leiterplatte hindurch führen, beispielsweise auf einen meist metallischen Kühlkörper auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte.
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Da sich zwischen Kühlkörper und Leiterplatte meist ein toleranzbehafteter Spalt befindet, sind zur Überbrückung häufig Maßnahmen meist in Form von elektrisch isolierenden Wärmeleitmedien (TIM, „thermal interface material“) nötig. Häufig werden dazu Wärmeleitfolien, Wärmeleitpasten oder Wärmeleitkleber verwendet.
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Im Fall von Wärmeleitpasten oder Wärmeleitklebern kann das Risiko bestehen, dass während dem Produktionsprozess, wie etwa der Montage der Leiterplatte in das Gehäuse, elektrisch leitfähige Partikel eingebunden werden und eine ungewollte elektrische Verbindung zwischen Bauelementen und dem Gehäuse, das meist mit Masse verbunden ist, hergestellt wird, so dass ein Kurzschluss entstehen kann.
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Bei sogenannten Slug-Up-Bauelementen wird die Wärme nicht nach unten in die Leiterplatte abgeführt, sondern kann nach oben direkt auf einen Kühlkörper geführt werden. Da in die mechanische Toleranzkette zusätzlich das Bauelement und die Lötgeometrie eingehen, müssen auch diese Bauelemente in der Regel mit isolierenden Wärmeleitmedien an den Kühlkörper angebunden werden.
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Weiter kann das zusätzliche Problem entstehen, dass zwischen dem Bauelement und dem Kühlkörper bzw. zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper eine kapazitive Kopplung entstehen kann, durch die Störsignale einer Schaltung auf das Gehäuse übertragen werden können. Dies ist insbesondere der Fall für schnell geschaltete Signale, insbesondere mit schnellen Flanken, wie sie typischerweise in Leistungsausgängen, in etwa von Endstufen oder Brückenschaltungen, vorhanden sind. Das EMV-Verhalten kann sich dadurch verschlechtern.
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Die
EP 0 854 666 A2 betrifft ein Steuergerät, bei dem ein Leistungsbauelement mit einer Oberseite über einen wärmeleitfähigen Haftvermittler mit einem Gehäuse verbunden ist.
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Die
EP 0 920 055 B1 zeigt eine Kühlvorrichtung für ein auf einer Leiterplatte angeordnetes wärmeerzeugendes Bauelement, die einen Kühlkörper auf der anderen Seite der Leiterplatte umfasst.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, ein kostengünstiges, leicht und fehlerfrei herzustellendes Steuergerät mit gutem EMV-Verhalten bereitzustellen.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für ein Fahrzeug. Das Steuergerät kann beispielsweise ein Getriebesteuergerät sein. Das Fahrzeug kann ein Pkw, Lkw, Bus, Baustellenfahrzeug oder Motorrad sein. Insbesondere kann das Steuergerät im Motorraum des Fahrzeugs angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Steuergerät eine Leiterplatte mit einer Mehrzahl von elektronischen Bauelementen; ein Gehäuse, in dem die Leiterplatte zumindest teilweise aufgenommen ist; wenigstens ein elektronisches Bauelement auf der Leiterplatte, das mit einer von der Leiterplatte abgewandten Oberseite mit dem thermisch leitenden Gehäuse in thermischen Kontakt steht; und ein Wärmeleitelement, das zwischen der Oberseite des elektronischen Bauelements und dem Gehäuse angeordnet ist.
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Beispielsweise kann die Leiterplatte bzw. das PCB zwischen zwei Schalen des Gehäuses aufgenommen sein. Das Gehäuse kann aus Metall bzw. Metallblechen geformt sein. Die elektronischen Bauelemente, wie etwa Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, ICs, etc., können auf einen oder beiden Seiten der Leiterplatte an diese angelötet sein.
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Das elektronische Bauelement, das mit dem Gehäuse über das Wärmeleitelement wärmeleitend in Kontakt steht kann ein Leistungselektronik-Bauelement sein. Es ist möglich, dass mehrere elektronische Bauelemente mit einem einzigen oder mit mehreren gleichartig aufgebauten Wärmeleitelementen mit dem Gehäuse verbunden sind.
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Das Wärmeleitelement weist zwei äußere elektrisch nicht-leitende Schichten und eine innere bzw. mittlere elektrisch leitende Schicht auf, die insbesondere durch die äußeren Schichten von dem Gehäuse und dem Bauelement elektrisch isoliert ist. Das Wärmeleitelement kann ein relativ dünnes und/oder folienartiges Element sein, das zwischen dem elektronischen Bauelement und dem Gehäuse mit direktem mechanischen Kontakt zu beiden angeordnet ist. Die elektrisch isolierenden aber wärmeleitenden äußeren Schichten stellen eine elektrisch isolierende Wärmeleitungsbrücke zwischen dem elektronischen Bauelement und dem Gehäuse bereit. Die elektrisch und Wärme leitende innere Schicht führt zu einer kapazitiven Entkopplung von elektronischem Bauelement und dem Gehäuse.
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Insgesamt kann das Wärmeleitelement eine toleranzausgleichende thermisch leitende Verbindung bereitstellen, die mehrlagig aufgebaut ist, beispielsweise aus drei Schichten.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst wenigstens eine der äußeren Schichten eine Wärmeleitfolie und/oder einen Wärmleitfilm, einen wärmeleitfähigen Klebstoff und/oder eine wärmeleitfähige Paste. Eine oder beide der äußeren Schichten können eine Wärmeleitfolie umfassen, die beispielsweise einseitig oder beidseitig mit einem wärmeleitfähigen Klebstoff beschichtet sein kann. Auf diese Weise kann, die innere Schicht an die Oberseite des Bauelements und/oder die innere Schicht an das Gehäuse geklebt werden. Ein Wärmeleitfilm kann eine Schicht aus einem wärmeleitfähigen Kunststoff sein, der (beispielsweise vor einem Aushärten) einseitig oder beidseitig auf die innere Schicht aufgetragen wurde.
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Weiter kann die Wärmeleitfolie einseitig oder beidseitig mit wärmeleitfähiger Paste beschichtet sein. Weiter ist auch möglich, dass die innere Schicht einseitig oder beidseitig mit wärmeleitfähigen Klebstoff und/oder wärmeleitfähiger Paste beschichtet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die innere Schicht eine Metallfolie oder ein Metallblech. Die Metallfolie oder das Metallblech kann beidseitig mit einer Wärmeleitfolie, einem Wärmeleitfilm, wärmeleitfähigem Klebstoff und/oder wärmeleitfähiger Paste beschichtet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das elektronische Bauelement ein Bauelementgehäuse mit einem metallischen Entwärmungskörper, der in die Oberseite des Bauelements integriert ist. Das Bauelement kann ein sogenanntes, Slug-Up-Bauelement sein, das extra dafür ausgeführt ist, dass die Wärmeableitung nicht nach unten durch die Leiterplatte, sondern über die Oberseite erfolgt. Der Entwärmungskörper kann beispielsweise ein Kupferklötzchen sein, das auf den in das Bauelementgehäuse integrierten Chip gebondet oder anderweitig befestigt ist. Es ist aber auch möglich, dass das elektronische Bauelement keinen gesonderten Entwärmungskörper aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die innere elektrisch leitende Schicht über eine Koppelschaltung mit einem Massepotential der Leiterplatte verbunden. Das Massepotential kann beispielsweise das Minuspotential (0 V) der Leiterplatte sein. Die Koppelschaltung kann dazu ausgeführt, die innere Schicht auf einem bestimmten elektrischen Potential zu halten und/oder das elektrische Potential der inneren Schicht zu bestimmen. Die Koppelschaltung kann auf der Leiterplatte angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Koppelschaltung einen Kondensator, der die innere elektrisch leitende Schicht mit dem Massepotential der Leiterplatte verbindet. Der Kondensator kann einen niedrigen Innenwiderstand und/oder eine niedrige Inneninduktivität, insbesondere bei hohen Frequenzen, aufweisen. Beispielsweise kann der Kondensator ein Keramikkondensator sein. Der Kondensator kann kapazitiv gekoppelte Störungen aufnehmen und sie an das Massepotential ableiten. Dadurch werden Spannungsflanken der inneren Schicht unterdrückt oder vermindert, wodurch eine kapazitive EMV-Auskopplung aus dem elektronischen Bauteil unterdrückt wird. Der Kondensator kann als Bauelement auf der Leiterplatte angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Koppelschaltung einen Spannungsteiler, der mit einem Spannungspotential und dem Massepotential verbunden ist, und dessen Mittelpunkt mit der inneren elektrisch leitenden Schicht verbunden ist. Das Spannungspotential kann ein Pluspotential der Leiterplatte (beispielsweise 5 V) sein. Der Spannungsteiler kann ein Widerstandsnetzwerk umfassen. Beispielsweise kann der Spannungsteiler einen Pullup-Widerstand zum Spannungspotential und einen Pulldown-Widerstand zum Massepotential umfassen. Zwischen den beiden Widerständen kann der Mittelpunkt, mit dem die innere Schicht verbunden ist, bereitgestellt sein. Die beiden Widerstände können ein Widerstandsverhältnis von 1:1 aufweisen. Der Spannungsteiler bewirkt, dass bei fehlerfreiem Aufbau am Mittelpunkt die halbe Versorgungsspannung entsteht. Der Spannungsteiler und/oder die Widerstände können als Bauelemente auf der Leiterplatte angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Steuergerät weiter eine Überwachungsschaltung, die mit dem Mittelpunkt des Spannungsteilers verbunden ist, und die dazu ausgeführt ist, ein Abweichen eines Potentials des Mittelpunkts von einem Sollwert zu erkennen und optional basierend darauf ein Warnsignal zu erzeugen. Das Potential der inneren Schicht kann über eine Überwachungsschaltung überwacht werden, die beispielsweise mittels eines Microrcontrollers realisier ist. Der Mittelpunkt des Spannungsteilers kann beispielsweise an einen Analogeingang des Microcontrollers angeschlossen sein. Sollte ein leitfähiges Partikel während der Produktion oder später zwischen das elektronische Bauelement und das Gehäuse geraten sein, ändert sich die Spannung bzw. das Potential am Mittelpunkt des Spannungsteilers und die Überwachungsschaltung kann einen Fehler erkennen und/oder melden. Die Überwachungsschaltung bzw. der Microcontroller kann als Bauelement auf der Leiterplatte angeordnet sein.
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Gegenüber der Lösung am Produktionsende eine Isolationsprüfung durchzuführen, um eventuelle leitfähige Partikel zu erkennen, kann mit der Überwachungsschaltung auch zusätzlich im weiteren Betrieb des Steuergeräts eine sich bildende ungewollte Verbindung erkannt werden und/oder eine Warnmeldung ausgelöst werden. So können beispielsweise auch ungewollte elektrische Verbindungen zwischen dem elektronischen Bauelement und dem Gehäuse erkannt werden, die erst durch Alterung oder Umwelteinflüsse wie Vibration oder eindringende Feuchtigkeit entstehen. Das Risiko eines Kurzschlusses kann damit erheblich reduziert werden.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei weder die Zeichnung noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- 1 zeigt schematisch ein Steuergerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Figur ist lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch ein Steuergerät 10, das ein Gehäuse 12 und eine in dem Gehäuse 12 aufgenommene Leiterplatte 14 umfasst. Das Gehäuse 12 kann beispielsweise aus einem oder mehreren Blechelementen aufgebaut sein.
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Auf der Leiterplatte 14, die eine Kunststoffplatte und darauf aufgebrachte elektrische Leiterbahnen umfassen kann, sind mehrere elektronische Bauelemente 16 angebracht, die beispielsweise auf die Leiterplatte 14 gelötet sein können. Die Bauelemente 16 bilden eine Steuerschaltung des Steuergeräts 10, mit der beispielsweise Sensorsignale aus einem Getriebe verarbeitet und Steuersignale für das Getriebe erzeugt werden können. Es ist möglich, dass die elektronischen Bauelemente 16 lediglich auf einer Seite oder auf zwei Seiten der Leiterplatte 14 angeordnet sind.
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Ein oder mehrere elektronische Leistungselektronik-Bauelemente 18 können über ein Wärmeleitelement 20 thermisch leitend an das Gehäuse 12 angekoppelt sein. Das Wärmeleitelement 20, das insgesamt thermisch gut leitend aber elektrisch isolierend ist, kann dabei flächig mit einer Seite mit einer Oberseite 22 des Bauelements 18 und flächig mit der anderen Seite mit einer Innenseite 24 des Gehäuses 12 verbunden sein. Das Gehäuse 12 kann an der Innenseite 24 eine Vorsprung 25 aufweisen, der auf das Bauelement 18 zuweist und an dem das Wärmeleitelement 20 das Gehäuse 12 berührt.
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Das Wärmeleitelement 20 ist mehrschichtig und umfasst zwei elektrisch isolierende äußere Schichten 26 und eine elektrisch leitende innere Schicht 28. Die zwei elektrisch leitenden Schichten 26 können beispielsweise von einer wärmeleitfähigen Paste und/oder einem wärmeleitfähigen Klebstoff bereitgestellt sein. Es ist auch möglich, dass die äußeren Schichten jeweils durch eine Wärmeleitfolie gebildet sind, die beispielsweise beidseitig klebend ist. Die innere Schicht 28 kann eine Metallfolie oder ein Metallblech sein.
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Es ist möglich, dass das Bauelement 18 ein sogenanntes Slug-Up-Bauelement ist, dass einen metallischen Entwärmungskörper 30 („heat slug“) umfasst, der in die Oberseite 22 eines Bauelementgehäuses 32 des Bauelements 18 integriert ist. Das Wärmeleitelement 20 bzw. eine dessen äußerer Schichten 26 kann mit dem metallischen Entwärmungskörper 30 in direkten Kontakt stehen.
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Die innere Schicht 28 ist über eine Koppelschaltung 34 mit der Leiterplatte 14 elektrisch verbunden. Die Koppelschaltung 34 weist einen Kondensator 36 auf, der die innere Schicht 28 mit einem Massepotential 38 der Leiterplatte 14, wie etwa 0 V, verbindet. Auf diese Weise befindet sich die innere Schicht 28 auf einem definiertem Potential und kann das Bauelement 18 kapazitativ von dem Gehäuse 12 entkoppeln.
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Weiter umfasst die Koppelschaltung 34 einen Spannungsteiler 40 mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen 42, 44, deren Mittelpunkt 46 mit der inneren Schicht 28 verbunden ist. Der Widerstand 42 verbindet den Mittelpunkt 46 dabei mit einem Spannungspotential 48, wie etwa +5 V. der Widerstand 44, der parallel zu dem Kondensator 36 geschaltet ist, verbindet den Mittelpunkt 46 mit dem Massepotential. Beide Widerstände 42, 44 können gleich groß sein und/oder hochohmig sein.
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Der Kondensator 36 und die Widerstände 42, 44 können als Bauelemente 16 auf der Leiterplatte 14 angeordnet sein.
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Wenn bei der Montage des Steuergeräts 10 oder später im Betrieb ein elektrisch leitendes Metallpartikel zwischen das Bauelement 18 und das Gehäuse 12 geraten ist und eine Kurzschluss verursacht, führt dies dazu, dass die Spannung am Mittelpunkt 46 des Spannungsteilers 40 nicht mehr der Spannung entspricht, die sich einstellt, wenn die innere Schicht 28 von dem Gehäuse 12 und dem Bauelement 18 elektrisch isoliert ist.
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Diese Spannungsabweichung kann von einer Überwachungsschaltung 50 ermittelt werden, die beispielsweise von einem Microcontroller 52 auf der Leiterplatte bereitgestellt werden kann. Beispielsweise kann ein Analogeingang 54 des Microcontrollers 52 mit dem Mittelpunkt 46 verbunden sein, der dann die dort anliegende Spannung regelmäßig sampelt und mit einem Sollwert vergleicht. Wenn der Sollwert und die am Mittelpunkt 46 ermittelte Spannung mehr als einen Schwellwert voneinander abweichen, kann die Überwachungsschaltung 50 bzw. der Microcontroller 52 ein Warnsignal erzeugen, mit dem beispielsweise das Steuergerät 10 dann abgeschaltet wird.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0854666 A2 [0007]
- EP 0920055 B1 [0008]
