DE102017212968A1

DE102017212968A1 - Gehäuse für eine elektronische steuereinheit und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102017212968A1
Application number: DE102017212968.9A
Authority: DE
Inventors: Jeff Reuter; Motozo Horikawa; Hiram Avalos; Mark Ryskamp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: DE102017212968B4; US10398021B2; CN107708342A; US20180042101A1

Abstract

Ein Gehäuseaufbau für eine elektronische Schaltung einschließlich einer elektronischen Steuereinheit (ECU) ist eine im Allgemeinen rechteckige Vorrichtung von niedrigem Profil, die ein Unterteil, eine Abdeckung, die ein offenes Ende des Unterteils verschließt, und eine Leiterplatte (PCB) umfasst. Der Gehäuseaufbau hält die PCB und ihre zugeordneten elektronischen Komponenten sicher und bietet dabei verbesserte Kühleigenschaften und geringere Herstellungskosten. Dies wird durch Bereitstellung von passiven Kühlmerkmalen auf einer Außenfläche der Abdeckung und durch Einsetzen eines wärmeleitfähigen Kunststoffs, um die passiven Kühlmerkmale zu bilden, erreicht, wobei die Abdeckung vorbestimmte und definierte anisotrope Wärmeleiteigenschaften aufweist, die dafür ausgelegt sind, die Wärmeleitung und das Kühlen der ECU zu optimieren.

Description

HINTERGRUND
Ein Gehäuse für eine elektronische Steuereinheit (Electronic Control Unit, ECU) wird verwendet, um eine elektronische Schaltung, die die ECU enthält, zu halten und zu schützen. Zum Beispiel kann die elektronische Steuereinheit (ECU) verwendet werden, um die Elektronik einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs zu steuern. Das Gehäuse kann ein schalenartiges Unterteil und eine Abdeckung, die das Unterteil überlagert und verschließt, aufweisen, und eine Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) wird zwischen dem Unterteil und der Abdeckung gehalten. Die elektronische Steuereinheit und/oder andere elektronische Komponenten sind auf der PCB montiert. Die PCB kann auch einen oder mehrere Verbindungsstecker aufweisen, die dafür ausgelegt sind, einen elektrischen Kabelbaum aufzunehmen, der die ECU mit dem Fahrzeugmotor verbindet. Die ECU und weitere Elektronik, die auf der PCB vorgesehen und zwischen der Abdeckung und dem Unterteil eingeschlossen ist, erzeugen Wärme, die die Leistung der ECU beeinträchtigen kann, wenn sie nicht ausreichend abgeführt wird. Aus diesem Grund kann das Gehäuse passive Kühlmerkmale aufweisen. Obwohl ECU-Gehäuse mit passiven Kühlmerkmalen bekannt sind, ist es wünschenswert, solche Gehäuse zu geringeren Kosten und mit einer verbesserten Kühlfähigkeit bereitzustellen.
KURZFASSUNG
Gemäß einigen Aspekten wird ein Gehäuseaufbau für eine elektronische Steuereinheit zur Verfügung gestellt. Der Gehäuseaufbau umfasst einen Rahmenabschnitt, der dafür ausgelegt ist, eine Leiterplatte zu halten, und der aus einem ersten Material gebildet ist; einen Wärmesenkenabschnitt, der auf dem Rahmenabschnitt gehalten und aus einem zweiten Material gebildet ist; und die Leiterplatte. Die Leiterplatte umfasst eine erste Seite, die am Wärmesenkenabschnitt anliegt, und eine zweite Seite, die zur ersten Seite entgegengesetzt ist. Das erste Material unterscheidet sich von dem zweiten Material, und das zweite Material ist ein wärmeleitfähiger Kunststoff.
Der Gehäuseaufbau kann eine oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen: Das zweite Material ist thermisch anisotrop und dafür ausgelegt, in vorbestimmten Richtungen eine stärkere Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen als in anderen Richtungen. Der Wärmesenkenabschnitt umfasst einen planaren Bereich, der eine Ebene definiert und Kühlrippen aufweist, die von einer Seite des planaren Bereichs nach außen vorstehen. Außerdem ist das zweite Material thermisch anisotrop und dafür ausgelegt, innerhalb des planaren Bereichs in einer Richtung parallel zur Ebene eine stärkere Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen als in einer Richtung senkrecht zur Ebene, und innerhalb der Kühlrippen in einer Richtung senkrecht zur Ebene eine stärkere Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen als in einer Richtung parallel zur Ebene. Das erste Material ist ein Kunststoffmaterial mit einer größeren Festigkeit als das zweite Material. Der Wärmesenkenabschnitt ist von dem Rahmenabschnitt umgeben. Der Wärmesenkenabschnitt umfasst eine nach außen weisende Seite, eine nach innen weisende Seite, die zur nach außen weisenden Seite entgegengesetzt ist und an der Leiterplatte anliegt, und Kühlrippen, die von der nach außen weisenden Seite nach außen vorstehen. Der Wärmesenkenabschnitt umfasst einen gewölbten Bereich, der von der nach außen weisenden Seite nach außen vorsteht, und die Kühlrippen sind zwischen dem gewölbten Bereich und der Umfangskante angeordnet. Die Leiterplatte hält elektronische Komponenten auf der ersten Seite, und der gewölbte Bereich überlagert die elektronischen Komponenten. Ein Schlitz ist entlang eines Umfangs einer Umfangskante des Wärmesenkenabschnitts gebildet, und ein Abschnitt des Rahmenabschnitts ist in dem Schlitz aufgenommen. Die Leiterplatte umfasst elektronische Komponenten, die auf der zweiten Seite gehalten sind, und wärmeleitfähige Durchgänge, die sich zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite erstrecken. Der Rahmenabschnitt umfasst eine Umfangskante und eine Durchgangsöffnung, die von der Umfangskante umgeben ist, wobei die Durchgangsöffnung so geformt und bemessen ist, dass sie den Wärmesenkenabschnitt in sich aufnehmen und halten kann. Eine nach außen weisende Oberfläche des Rahmenabschnitts umfasst nach außen vorstehende Versteifungsrippen. Jede Versteifungsrippe umfasst ein Ende, das an einem Abschnitt der Umfangskante angeordnet ist, und ein entgegengesetztes Ende, das von dem Abschnitt der Umfangskante beabstandet ist, und jede Versteifungsrippe ist so ausgerichtet, dass sie sich in eine Richtung senkrecht zum Abschnitt der Umfangskante erstreckt.
Gemäß einigen Aspekten umfasst ein Verfahren zur Optimierung der Wärmeleiteigenschaften einer Komponente aus einem wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial das Bereitstellen eines Formwerkzeugs und einer Einspritzkonfiguration für einen Spritzgussprozess, bei dem das Formwerkzeug sowie Spritzvorrichtungen derart angeordnet sind, dass während der Herstellung der Komponente eingespritztes Material in eine Richtung entsprechend einer Richtung der gewünschten Wärmeleitung fließt. Das Verfahren umfasst auch das Ausführen eines Spritzgießens unter Verwendung des Werkzeugs und der Einspritzkonfiguration, um die Komponente mit anisotropen Wärmeleiteigenschaften herzustellen, welche in der Richtung der gewünschten Wärmeleitung eine stärkere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu anderen Richtungen bereitstellt.
Das Verfahren kann einen oder mehrere der folgenden zusätzlichen Schritte und/oder Merkmale umfassen: Der Schritt des Bereitstellens eines Formwerkzeugs und einer Einspritzkonfiguration für das Formwerkzeug umfasst das Bestimmen optimaler Fließrichtungen durch Ausführen einer thermalen Finite-Element-Analyse einer Ausführung der Komponente. Die Komponente umfasst einen Gehäuseaufbau für eine elektronische Steuereinheit, wobei der Gehäuseaufbau aufweist: einen Rahmenabschnitt, der dafür ausgelegt ist, eine Leiterplatte zu halten, und der aus einem spritzgegossenen ersten Kunststoffmaterial gebildet ist; und einen Wärmesenkenabschnitt, der auf dem Rahmenabschnitt gehalten und aus einem zweiten spritzgegossenen Kunststoffmaterial gebildet ist. Das zweite Kunststoffmaterial ist der wärmeleitfähige Kunststoff mit anisotropen Wärmeleiteigenschaften. Der Rahmenabschnitt wird zusammen mit dem Wärmesenkenabschnitt eingespritzt. Die Komponente umfasst einen Gehäuseaufbau für eine elektronische Steuereinheit, wobei der Gehäuseaufbau einen planaren Bereich umfasst, der eine Ebene definiert und Kühlrippen aufweist, die von einer Seite des planaren Bereichs nach außen vorstehen. Außerdem haben die anisotropen Wärmeleiteigenschaften innerhalb des planaren Bereichs in einer Richtung parallel zur Ebene eine stärkere Wärmeleitfähigkeit als in einer Richtung senkrecht zur Ebene, und innerhalb der Kühlrippen eine stärkere Wärmeleitfähigkeit in einer Richtung senkrecht zur Ebene als in einer Richtung parallel zur Ebene.
Es wird ein Gehäuseaufbau für eine ECU offenbart, der ein schalenartiges Unterteil, eine Abdeckung, die das Unterteil überlagert, und eine PCB umfasst, die zwischen der Abdeckung und dem Unterteil eingefasst ist. Die Abdeckung ist eine zweiteilige Komponente, die einen Rahmenabschnitt, der dafür ausgelegt ist, die PCB zu halten, und der aus einem ersten Material gebildet ist, und einen Wärmesenkenabschnitt aufweist, der auf dem Rahmenabschnitt gehalten und aus einem zweiten Material gebildet ist. Das erste Material, das verwendet wird, um den Rahmenabschnitt zu bilden, unterscheidet sich vom zweiten Material, das verwendet wird, um den Wärmesenkenabschnitt zu bilden. Insbesondere ist das erste Material ein Kunststoffmaterial mit einer größeren Festigkeit als das zweite Material, und das zweite Material ist ein wärmeleitfähiges Kunststoffmaterial. Das wärmeleitfähige Kunststoffmaterial ist anisotrop und dafür ausgelegt, in vorbestimmten Richtungen eine stärkere Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen als in anderen Richtungen. Zum Beispiel umfasst in einer Ausführungsform der Wärmesenkenabschnitt einen planaren Bereich, der eine Ebene definiert und Kühlrippen aufweist, die von einer Seite des planaren Bereichs nach außen vorstehen. Bei dieser Ausführungsform ist der Wärmesenkenabschnitt dafür ausgelegt, innerhalb des planaren Bereichs in einer Richtung parallel zur Ebene eine stärkere Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen als in einer Richtung senkrecht zur Ebene, und innerhalb der Kühlrippen in einer Richtung senkrecht zur Ebene eine stärkere Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen als in einer Richtung parallel zur Ebene.
In manchen Ausführungsformen wird der Wärmesenkenabschnitt der Abdeckung, die aus dem wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial gebildet ist, derart hergestellt, dass in vorbestimmten Richtungen innerhalb der Komponente eine verbesserte Wärmeleitung bereitgestellt wird. Bei manchen Ausführungsformen sind die vorbestimmten Richtungen so eingestellt, dass die Kühlfunktion des Wärmesenkenabschnitts optimiert wird.
Der hier offenbarte Gehäuseaufbau wird vorteilhafterweise aus spritzgegossenem Kunststoff gebildet. Somit ist der hier offenbarte Gehäuseaufbau viel kosteneffektiver in der Herstellung als einige herkömmliche ECU-Gehäuse, bei denen die Abdeckung aus Aluminiumdruckguss gebildet wird. Neben der Senkung von Materialkosten bringt die Verwendung von Kunststoff außerdem dadurch Kostensenkungen mit sich, dass die Werkzeugausstattung, die verwendet wird, um das offenbarte Gehäuse zu bilden, eine viel längere Lebensdauer hat als diejenige, die zur Bildung des herkömmlichen ECU-Gehäuses verwendet wird. Zum Beispiel kann ein einzelnes Spritzgusswerkzeug in der Lage sein, in etwa eine Million Schüsse bereitzustellen, während das Werkzeug, das zum Druckgießen der Aluminiumabdeckung verwendet wird, typischerweise in der Lage sein kann, in etwa 100.000 Gusserzeugnisse bereitzustellen.
Weitere Vorteile der Verwendung von Kunststoff, um den Gehäuseaufbau zu bilden, sind ein verringertes Gewicht im Vergleich zum Gewicht einiger herkömmlicher ECU-Gehäuse, bei denen die Abdeckung aus Aluminiumdruckguss gebildet ist.
Bei manchen Ausführungsformen hat der wärmeleitfähige Kunststoff eine schwarze Farbe, wodurch seine Strahlungseigenschaften im Vergleich zu einigen herkömmlichen ECU-Gehäusen, bei denen die Abdeckung aus Aluminiumdruckguss gebildet ist und somit eine silberne Farbe hat, weiter verbessert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Gehäuseaufbaus, einschließlich einer Abdeckung, einer PCB und eines Unterteils.
2 ist eine Draufsicht der Abdeckung des Gehäuseaufbaus.
3 ist eine Draufsicht der Abdeckung des Gehäuseaufbaus von unten.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Gehäuseaufbaus.
5 ist eine vergrößerte Ansicht der Querschnittsansicht, die in 4 veranschaulicht ist.
6 ist eine perspektivische Querschnittsansicht des Gehäuseaufbaus.
7 ist ein Flussdiagramm eines Herstellungsverfahrens des Gehäuseaufbaus.
8 ist eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform der Abdeckung des Gehäuseaufbaus.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf die 1 bis 6 ist ein Gehäuseaufbau 10 für eine elektronische Schaltung mit einer ECU 120 eine im Allgemeinen rechteckige Vorrichtung von niedrigem Profil. Der Gehäuseaufbau 10 umfasst ein Unterteil 90, eine Abdeckung 20, die ein offenes Ende des Unterteils 90 verschließt, und eine PCB 100. Die PCB 100 ist zwischen dem Unterteil 90 und der Abdeckung 20 derart angeordnet, dass die PCB 100 innerhalb des Gehäuseaufbaus 10 fixiert ist. In der veranschaulichten Ausführungsform wird die PCB 100 verwendet, um elektrische Verbindungen zwischen Verbindungssteckern 112, 114, der ECU 120 und anderen elektronischen Komponenten zur Steuerung einer externen Vorrichtung, zum Beispiel einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt), zu halten und bereitzustellen. Der Gehäuseaufbau 10 hält die PCB 100 und ihre zugeordneten elektronischen Komponenten sicher und bietet dabei verbesserte Kühleigenschaften und geringere Herstellungskosten. Dies wird durch Bereitstellung von passiven Kühlmerkmalen auf einer Außenfläche der Abdeckung 20 und durch Einsetzen eines wärmeleitfähigen Kunststoffs, um die passiven Kühlmerkmale zu bilden, erreicht, wobei die Abdeckung 20 vorbestimmte und definierte anisotrope Wärmeleiteigenschaften aufweist, die dafür ausgelegt sind, die Wärmeleitung und das Kühlen der ECU zu optimieren, wie es später genauer besprochen wird.
Das Unterteil 90 des Gehäuseaufbaus 10 ist ein flacher Behälter, der eine Unterteilfläche 92 aufweist, die von einem Rand 94 zurückgesetzt und zu diesem parallel ist. Der Rand 94 bildet eine rechteckige Umrandung um den Umfang der Unterteilfläche 92. Der Rand 94 umfasst Durchgangslöcher 98, die Befestigungsmittel 99 durch diese aufnehmen. Die Befestigungsmittel 99 werden verwendet, um das Unterteil 90 an der Abdeckung 20 zu sichern. Der Versatz zwischen der Unterteilfläche 92 und dem Rand 94 ist so bemessen, dass er ein geringes Spiel zur Aufnahme von auf der PCB 100 angeordneten elektronischen Komponenten bietet, zum Beispiel die elektronischen Komponenten, die auf einer Oberfläche 104 der PCB 100 montiert sind, die zur Unterteilfläche 92 weist.
Die PCB 100 ist eine starre mehrschichtige Lage aus Isoliermaterial, das elektrisch leitfähige Spuren (nicht gezeigt) umfasst, die verwendet werden, um elektronische Komponenten miteinander und/oder mit den Verbindungssteckern 112, 114 elektrisch zu verbinden. Die Verbindungsstecker 112, 114 sind auf einer ersten Seite 102 der PCB 100 an einer Stelle zwischen einer Mitte der PCB 100 und der Umfangskante 106 der PCB 100 angeordnet. Die Verbindungsstecker 112, 114 sind von der Art, die verwendet wird, um ein Kabelbaum-Verbindungsstück (nicht gezeigt) anzuschließen. Die PCB 100 hält elektronische Komponenten, wie die ECU 120, Elektrolytkondensatoren, Energiekomponenten usw., sowohl auf der ersten Seite 102, die zur Abdeckung 20 weist, als auch auf der entgegengesetzten zweiten Seite 104, die zum Unterteil 90 weist. Außerdem umfasst die PCB 100 wärmeleitfähige Durchgänge 110, die sich zwischen der ersten und der zweiten Seite 102, 104 erstrecken. Bei manchen Ausführungsformen sind die Durchgänge 110 zur Wärmeleitung gedacht, während die Durchgänge 110 bei anderen Ausführungsformen als elektrisch leitfähige und wärmeleitfähige Wege dienen. Innerhalb des Gehäuseaufbaus 10 stößt die erste Seite 102 der PCB 100 an die Abdeckung 20 an, welche Kühlmerkmale umfasst, wie später besprochen wird. Somit wird das Kühlen der PCB und ihrer zugeordneten Elektronik über Wärmeleitung und Wärmekonvektion zwischen der PCB 100 und der Abdeckung 20 erreicht. Außerdem werden die auf der zweiten Seite 104 der PCB 100 gehaltenen elektronischen Komponenten durch die wärmeleitfähigen Durchgänge 110 gekühlt, die sich zwischen der ersten Seite 102 und der zweiten Seite 104 der PCB 100 erstrecken.
Die Abdeckung 20 des Gehäuseaufbaus 10 ist dafür ausgelegt, das offene Ende des Unterteils 90 zu schließen und ein passives Kühlen des Aufbaus bereitzustellen. Die Abdeckung 20 umfasst einen Rahmenabschnitt 22, der dafür ausgelegt ist, in den Rand 94 des Unterteils 90 einzugreifen und mit dem Unterteil 90 zusammenzuwirken, um die PCB 100 zu halten. Die Abdeckung 20 umfasst auch einen Wärmesenkenabschnitt 60, der von dem Rahmenabschnitt 22 umgeben und gehalten ist.
Der Rahmenabschnitt 22 ist eine starre Lage mit einer Umfangsform und Abmessungen, die der rechteckigen Form und den Abmessungen des Unterteils 90 entsprechen. Der Rahmenabschnitt 22 umfasst Stecköffnungen 32, 34, die zwischen einer Mitte 42 des Rahmenabschnitts 22 und der Umfangskante 28 des Rahmenabschnitts 22 entlang einer Seite 28a des Rahmenabschnitts 22 angeordnet sind. Außerdem umfasst der Rahmenabschnitt 22 eine Wärmesenkenöffnung 30, die entlang einer gegenüberliegenden Seite 28b des Rahmenabschnitts 22 angeordnet ist. Die Wärmesenkenöffnung 30 hat eine im Allgemeinen rechteckige Form und ist von der Umfangskante 28 umgeben. Die Wärmesenkenöffnung 30 definiert einen relativ großen Öffnungsbereich A₁ im Vergleich zum gesamten Bereich des Rahmenabschnitts A₂. Zum Beispiel liegt in manchen Ausführungsformen der Öffnungsbereich A₁ in einem Bereich von 30 % bis 70 % des Gesamtbereichs A₂. In der veranschaulichten Ausführungsform beträgt der Öffnungsbereich A₁ in etwa 45 % des gesamten Bereichs A₂ und überlagert die Mitte 42. Die Wärmesenkenöffnung 30 ist so geformt und bemessen, dass sie der Form und den Abmessungen des Wärmesenkenabschnitts 60 entspricht, wie später besprochen wird.
Eine nach außen weisende Oberfläche 24 des Rahmenabschnitts 22 umfasst nach außen vorstehende Versteifungsrippen 36. Jede Versteifungsrippe 36 geht von einem Abschnitt der Umfangskante 28 aus und ist so ausgerichtet, dass sie sich in eine Richtung senkrecht zum Abschnitt der Umfangskante 28 erstreckt. Die nach außen weisende Oberfläche 24 des Rahmenabschnitts 22 umfasst auch nach außen vorstehende Wulste 38, die entlang der Umfangskante 28 angeordnet sind. Die Wulste 38 sind dafür ausgelegt, die Befestigungsmittel 99 aufzunehmen und in Eingriff zu nehmen. Hierfür umfasst jeder Wulst 38 ein mit Gewinde versehenes internes Sackloch 39, das sich an der nach innen weisenden Oberfläche 26 des Rahmenabschnitts 22 öffnet.
Der Wärmesenkenabschnitt 60 stellt Kühlmerkmale bereit, die das Kühlen des Gehäuseaufbaus 10 erleichtern. Der Wärmesenkenabschnitt 60 ist eine starre Lage, die eine nach außen weisende Seite 64 und eine nach innen weisende Seite 66 umfasst, die zur nach außen weisenden Seite entgegengesetzt ist und an die PCB 100 anstößt. Ein Schlitz 70 ist in der Umfangskante 68 des Wärmesenkenabschnitts 60 gebildet. Der Schlitz 70 erstreckt sich entlang des gesamten Umfangs des Wärmesenkenabschnitts 60 und ist dafür ausgelegt, einen Abschnitt des Rahmenabschnitts 22 aufzunehmen. Insbesondere ist eine Innenkante des Rahmenabschnitts 22 entsprechend der Wärmesenkenöffnung 30 innerhalb des Schlitzes 70 angeordnet, wodurch der Wärmesenkenabschnitt 60 an dem Rahmenabschnitt 22 gesichert ist. Diese Konfiguration wird durch ein Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahren erreicht, bei dem der Rahmenabschnitt 22 und der Wärmesenkenabschnitt 60 zusammen auf demselben Spritzgusswerkzeug angeordnet werden.
Der Wärmesenkenabschnitt 60 umfasst einen im Allgemeinen planaren Bereich 72, der eine Ebene 78 definiert, und einen gewölbten Bereich 76, in dem der Wärmesenkenabschnitt 60 relativ zur Ebene 78 nach außen vorsteht. Dadurch wird eine Vertiefung in der nach innen weisenden Seite 66 des Wärmesenkenabschnitts an einer Stelle entsprechend dem gewölbten Bereich 76 gebildet. Der gewölbte Bereich 76 ist in Draufsicht im Allgemeinen rechteckig und ist so positioniert, dass er einen Abschnitt der PCB 100 überlagert, der relativ große elektronische Komponenten hält, wie große Elektrolytkondensatoren, welche wiederum im Allgemeinen mittig auf der ersten Seite 102 der PCB 100 positioniert sind. Außerdem ist der gewölbte Bereich 76 entlang einer Seite 68a des Wärmesenkenabschnitts 60 positioniert. Der planare Bereich 72 umgibt drei Seiten des gewölbten Bereichs 76.
Der planare Bereich 72 ist mit passiven Kühlmerkmalen ausgebildet. Die Merkmale umfassen Kühlrippen 74, die von der nach außen weisenden Oberfläche 64 des Wärmesenkenabschnitts 60 nach außen vorstehen. Die Kühlrippen 74 erstrecken sich linear zwischen dem gewölbten Bereich 76 und der Umfangskante 68 in einer Richtung senkrecht zu der einen Seite 68a. Die Kühlrippen 74 umfassen jeweils einen Grundabschnitt 75, der integral an den planaren Bereich 72 angefügt ist, und ein abgerundetes Abschlussende 77, das von dem Grundabschnitt 75 beabstandet ist. Jede Kühlrippe 74 ist etwas kegelförmig, so dass das Abschlussende 77 eine Breite aufweist, die kleiner als die Breite der Rippe am Grundabschnitt 75 ist. Die Form und die Höhe der Kühlrippen 74 (z. B. der Abstand zwischen dem Abschlussende 77 und dem Grundabschnitt 75) sind zur Effizienz und zur Vermeidung von Materialabfall optimiert. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Höhe der Kühlrippen 74 kleiner als die Höhe des gewölbten Bereichs.
Der Rahmenabschnitt 22 und der Wärmesenkenabschnitt 60 sind aus unterschiedlichen Materialien gebildet. Insbesondere ist der Rahmenabschnitt 22 aus einem ersten Material gebildet, welches ein Kunststoffmaterial mit einer relativ großen Festigkeit ist. Zum Beispiel ist der Rahmenabschnitt aus Ultradur^® B4330 G6 HR (PBT-GF30), wie es von BASF SE aus Ludwigshafen, Deutschland, hergestellt wird, oder aus einem ähnlichen Kunststoffmaterial gebildet. Der Wärmesenkenabschnitt 60 ist aus einem wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial mit anisotropen Wärmeeigenschaften gebildet. Zum Beispiel ist das zweite Material aus Therma-Tech^® TT3300–5001 EC Grey, wie es von der Polyone Corporation aus Avon Lake, Ohio, hergestellt wird, oder aus einem ähnlichen Kunststoffmaterial gebildet. In der veranschaulichten Ausführungsform hat der Wärmesenkenabschnitt 60 anisotrope Wärmeleiteigenschaften, die durch ein vorstehend besprochenes Herstellungsverfahren dafür ausgelegt wurden, die Wärmeleitung durch den Wärmesenkenabschnitt 60 in gewünschten vorbestimmten Richtungen zu optimieren, um die Wärmeleitfähigkeit des Wärmesenkenabschnitts 60 und das Kühlen des Gehäuseaufbaus 10 zu optimieren.
Folglich ist der Wärmesenkenabschnitt 60 dafür ausgelegt, in vorbestimmten Richtungen eine größere Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen als in anderen Richtungen.
In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Wärmeleitfähigkeit des planaren Bereichs 72 innerhalb der durch den planaren Bereich 72 definierte Ebene 78 stärker als in Richtungen senkrecht zur Ebene. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Kühlrippen 74 in Richtungen parallel zur Höhenrichtung der Rippe stärker als in Richtungen senkrecht zur Höhenrichtung der Rippe.
Mit anderen Worten wird der Wärmesenkenabschnitt 60 aus dem zweiten Material gebildet, welches thermal anisotrop und dafür ausgelegt ist, a) innerhalb des planaren Bereichs 72 in Richtungen parallel zur Ebene 78 eine stärkere Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen als in nicht parallelen Richtungen, einschließlich Richtungen senkrecht zur Ebene 78, und b) innerhalb der Kühlrippen 74 in Richtungen senkrecht zur Ebene 78 eine stärkere Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen als in nicht senkrechten Richtungen, einschließlich Richtungen parallel zur Ebene 78.
Ein negatives Merkmal von wärmeleitfähigen Kunststoffmaterialien der Art, die verwendet wird, um den Wärmesenkenabschnitt 60 zu bilden, besteht darin, dass diese im Vergleich zu einigen anderen Kunststoffmaterialien relativ spröde sind. Aus diesem Grund wird der Rahmenabschnitt 22 aus dem ersten Material gebildet, welches eine größere Festigkeit als das zweite Material und eine ausreichend große Festigkeit hat, um zu gewährleisten, dass das Gehäuse 10, einschließlich der Abdeckung 20, eine ausreichende strukturelle Integrität aufweist, um die ECU 120 innerhalb eines Motorraums eines Fahrzeugs zu halten und zu schützen. Folglich können die Vorteile der Verwendung eines leichtgewichtigen Materials, wie Kunststoff, verwirklicht werden, während ein Gehäuseaufbau 10 bereitgestellt wird, der dafür ausgelegt ist, die PCB 100 einschließlich der ECU 120 sicher aufzunehmen. Durch Bilden der Abdeckung 20 als Unteraufbau, der einen Kunststoffrahmenabschnitt 22 mit einer relativ großen Festigkeit und einen Kunststoff-Wärmesenkenabschnitt 60 mit optimierten Wärmeleiteigenschaften umfasst, wird ein leichtgewichtiger, kostengünstiger Gehäuseaufbau zur Verfügung gestellt.
Außerdem hält der Gehäuseaufbau 10 die PCB 100 und ihre zugeordneten elektronischen Komponenten sicher, während er passive Kühlmerkmale auf einer Außenfläche der Abdeckung 20 bietet, wo die Abdeckung 20 vorbestimmte und definierte anisotrope Wärmeleiteigenschaften hat, die dafür ausgelegt sind, die Wärmeleitung und das Kühlen der ECU 120 zu optimieren. Zum Beispiel stößt in der veranschaulichten Ausführungsform die erste Seite 102 der PCB 100 an den Wärmesenkenabschnitt 60 der Abdeckung 20 an. Durch die an beiden Seiten 102, 104 der PCB 100 gehaltenen elektronischen Komponenten erzeugte Wärme wird an den Wärmesenkenabschnitt 60 durch den planaren Bereich 72 und zu den Kühlrippen 74 übertragen, die einen großen Oberflächenbereich bieten, durch den Wärme an die Atmosphäre übertragen wird.
Mit Bezug auf 7 wird nun ein Verfahren zur Herstellung der Abdeckung 20 des Gehäuseaufbaus 10 auf eine solche Weise, dass die Wärmeleiteigenschaften der Abdeckung 20 optimiert werden, beschrieben. Das Verfahren basiert auf der Erkenntnis, dass das wärmeleitfähige Kunststoffmaterial, das verwendet wird, um den Wärmesenkenabschnitt 60 zu bilden, durch Kontrollieren des Spritzgussprozesses mit spezifischen thermisch anisotropen Eigenschaften versehen werden kann. Das Verfahren nutzt das Merkmal, gemäß dem die thermische Anisotropie innerhalb des Materials kontrolliert und darauf basierend definiert werden kann, wie das Spritzen des Kunststoffs ausgeführt wird. Insbesondere durch Ausführen des Spritzgießens des wärmeleitfähigen Kunststoffmaterials in der Weise, dass ein Füllstoff innerhalb des wärmeleitfähigen Kunststoffmaterials mit einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet wird, wird die Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitfähigen Materials entlang der vorbestimmten Richtung relativ zu anderen Richtungen innerhalb des Materials verbessert.
Als Anfangsschritt (Schritt 200) werden ein Formwerkzeug und eine Einspritzkonfiguration für einen Spritzgussprozess bereitgestellt. Das Formwerkzeug und Einspritzvorrichtungen einer Spritzgussvorrichtung werden so angeordnet, dass eingespritztes Material während der Herstellung der Abdeckung 20 in eine Richtung entsprechend einem Weg der gewünschten Wärmeleitung fließt.
Der Weg der gewünschten Wärmeleitung innerhalb der Abdeckung 20 wird durch Ausführen einer thermischen Finite-Element-Analyse (FEA) der Abdeckung 20 unter Berücksichtigung der anisotropen Eigenschaften des wärmeleitfähigen Kunststoffs bestimmt. Die thermische FEA wird verwendet, um eine optimale Wärmeleitfähigkeitskarte zu identifizieren, die zur Kühleffizienz der Abdeckung optimiert ist. Insbesondere stellt die optimale Wärmeleitfähigkeitskarte Wege der Wärmeleitung innerhalb der Abdeckung 20 bereit, die das Kühlen der Abdeckung 20 optimieren.
Die optimale Wärmeleitfähigkeitskarte wird dann verwendet, um eine Anordnung des Spritzgusswerkzeugs und der Einspritzvorrichtung innerhalb einer Spritzgussvorrichtung zu bestimmen, die Kunststoff in die Form spritzt, so dass eine Fließrichtung des eingespritzten Kunststoffs mit den Wegen der gewünschten Wärmeleitung ausgerichtet wird. Dies hat wiederum die Wirkung, dass Füllmaterial innerhalb des wärmeleitfähigen Kunststoffs mit den Wegen der gewünschten Wärmeleitung ausgerichtet wird. Das heißt, die Einspritzvorrichtungen und das Werkzeug wirken zusammen, um einen Strom von eingespritztem Material bereitzustellen, in dem das Füllmaterial in vorbestimmten Richtungen ausgerichtet wird, die den Wegen der gewünschten Wärmeleitfähigkeit entsprechen. Dadurch wird die Wärmeleitung innerhalb der Abdeckung 20, die sich aus dem Spritzgussprozess ergibt, entlang der Wege der gewünschten Wärmeleitung relativ zu anderen Richtungen verbessert.
In der Abdeckung 20 wurden die Wege der gewünschten Wärmeleitung innerhalb des planaren Bereichs 72 so bestimmt, dass sie innerhalb der Ebene 78 liegen, wobei der Weg in dem planaren Bereich 72 in Richtungen parallel zur Ebene 78 eine stärkere Wärmeleitfähigkeit bereitstellt als in nicht parallelen Richtungen, einschließlich Richtungen senkrecht zur Ebene 78. Außerdem wurde bestimmt, dass die Wege der gewünschten Wärmeleitung innerhalb der Kühlrippen 74 senkrecht zur Ebene 78 (z. B. parallel zu einer Höhenrichtung der Kühlrippen) sind, wobei der Weg in Richtungen senkrecht zur Ebene 78 eine stärkere Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Kühlrippen 74 bereitstellt.
In einem anschließenden Schritt (Schritt 202) wird das Spritzgießen der Abdeckung 20 unter Verwendung des Werkzeugs und der Einspritzkonfiguration ausgeführt, die in Schritt 201 bereitgestellt sind, um die Komponente mit anisotropen Wärmeleiteigenschaften herzustellen, die in der Richtung der gewünschten Wärmeleitung relativ zu anderen Richtungen eine stärkere Wärmeleitfähigkeit bereitstellen. Bei manchen Ausführungsformen wird die Abdeckung 20, die den Rahmenabschnitt 22 aus dem ersten Kunststoffmaterial und den Wärmesenkenabschnitt 60 aus dem zweiten Material umfasst, unter Verwendung eines Zwei-Komponenten-Spritzgussprozesses hergestellt, wobei der Rahmenabschnitt 22 und der Wärmesenkenabschnitt 60 zusammen auf demselben Spritzgusswerkzeug hergestellt werden.
Obwohl das Gehäuse 10, einschließlich des Unterteils 90, der PCB 100 und der Abdeckung 20, in Draufsicht mit einer rechteckigen Form gezeigt ist, sind das Unterteil 90, die PCB 100 und die Abdeckung 20 nicht darauf beschränkt, eine rechteckige Form zu haben. Zum Beispiel können das Unterteil 90, die PCB 100 und die Abdeckung 20 eine andere vieleckige Form, eine ungleichmäßige Form mit Ausschnitten oder eine andere Form haben, wie durch die Anforderungen der Anwendung bestimmt wird.
In der in den 1 bis 6 veranschaulichten Ausführungsform erstrecken sich die Kühlrippen 74 linear zwischen dem gewölbten Bereich 76 und der Umfangskante 68 in eine Richtung senkrecht zur ersten Seitenkante 68a. Die Kühlrippen 74 sind jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel können sich in einer alternativen Ausführungsform des Wärmesenkenabschnitts 160 die Kühlrippen 74 in eine Richtung parallel zur ersten Seitenkante 68a (in 8 gezeigt) oder in einem spitzen Winkel relativ zur ersten Seitenkante 68a (nicht gezeigt) erstrecken.
Ausgewählte veranschaulichende Ausführungsformen des Systems und der Vorrichtung sind vorstehend im Einzelnen beschrieben. Es versteht sich, dass hier nur Strukturen, die zur Verdeutlichung des Systems und der Vorrichtung als notwendig angesehen werden, beschrieben worden sind. Andere herkömmliche Strukturen und solche von zugehörigen zusätzlichen Komponenten des Systems und der Vorrichtung werden als bekannt und von den Fachleuten in der Technik verstanden vorausgesetzt. Außerdem sind, während vorstehend ein Arbeitsbeispiel des Systems und der Vorrichtung beschrieben worden sind, das System und die Vorrichtung nicht auf die vorstehend beschriebenen Arbeitsbeispiele beschränkt, sondern es können verschiedene Änderungen an der Gestalt vorgenommen werden, ohne von dem System und der Vorrichtung, wie sie in den Ansprüchen angegeben sind, abzuweichen.

Claims

Gehäuseaufbau für eine elektronische Steuereinheit, wobei der Gehäuseaufbau Folgendes umfasst: einen Rahmenabschnitt, der dafür ausgelegt ist, eine Leiterplatte zu halten, und der aus einem ersten Material gebildet ist; einen Wärmesenkenabschnitt, der auf dem Rahmenabschnitt gehalten und aus einem zweiten Material gebildet ist; und die Leiterplatte, wobei die Leiterplatte eine erste Seite, die am Wärmesenkenabschnitt anliegt, und eine zweite Seite, die zur ersten Seite entgegengesetzt ist, umfasst, wobei sich das erste Material von dem zweiten Material unterscheidet und das zweite Material ein wärmeleitfähiger Kunststoff ist.
Gehäuseaufbau nach Anspruch 1, wobei das zweite Material thermisch anisotrop und dafür ausgelegt ist, in vorbestimmten Richtungen eine stärkere Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen als in anderen Richtungen.
Gehäuseaufbau nach Anspruch 1, wobei der Wärmesenkenabschnitt einen planaren Bereich umfasst, der eine Ebene definiert und Kühlrippen aufweist, die von einer Seite des planaren Bereichs nach außen vorstehen, und das zweite Material thermisch anisotrop und dafür ausgelegt ist, innerhalb des planaren Bereichs in einer Richtung parallel zur Ebene eine stärkere Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen als in einer Richtung senkrecht zur Ebene, und innerhalb der Kühlrippen in einer Richtung senkrecht zur Ebene eine stärkere Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen als in einer Richtung parallel zur Ebene.
Gehäuseaufbau nach Anspruch 1, wobei das erste Material ein Kunststoffmaterial mit einer größeren Festigkeit als das zweite Material ist.
Gehäuseaufbau nach Anspruch 1, wobei der Wärmesenkenabschnitt von dem Rahmenabschnitt umgeben ist.
Gehäuseaufbau nach Anspruch 1, wobei der Wärmesenkenabschnitt Folgendes umfasst: eine nach außen weisende Seite, eine nach innen weisende Seite, die zur nach außen weisenden Seite entgegengesetzt ist und an die Leiterplatte anstößt, und Kühlrippen, die von der nach außen weisenden Seite nach außen vorstehen.
Gehäuseaufbau nach Anspruch 6, wobei der Wärmesenkenabschnitt einen gewölbten Bereich umfasst, der von der nach außen weisenden Seite nach außen vorsteht, und die Kühlrippen zwischen dem gewölbten Bereich und der Umfangskante angeordnet sind.
Gehäuseaufbau nach Anspruch 7, wobei die Leiterplatte elektronische Komponenten auf der ersten Seite hält und der gewölbte Bereich die elektronischen Komponenten überlagert.
Gehäuseaufbau nach Anspruch 1, wobei ein Schlitz entlang eines Umfangs einer Umfangskante des Wärmesenkenabschnitts gebildet ist und ein Abschnitt des Rahmenabschnitts in dem Schlitz aufgenommen ist.
Gehäuseaufbau nach Anspruch 1, wobei die Leiterplatte elektronische Komponenten, die auf der zweiten Seite gehalten werden, und wärmeleitfähige Durchgänge umfasst, die sich zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite erstrecken.
Gehäuseaufbau nach Anspruch 1, wobei der Rahmenabschnitt eine Umfangskante und eine Durchgangsöffnung umfasst, die von der Umfangskante umgeben ist, wobei die Durchgangsöffnung so geformt und bemessen ist, dass sie den Wärmesenkenabschnitt in sich aufnimmt und hält.
Gehäuseaufbau nach Anspruch 11, wobei eine nach außen weisende Oberfläche des Rahmenabschnitts nach außen vorstehende Versteifungsrippen umfasst.
Gehäuseaufbau nach Anspruch 12, wobei jede Versteifungsrippe ein Ende, das an einem Abschnitt der Umfangskante angeordnet ist, und ein entgegengesetztes Ende umfasst, das von dem Abschnitt der Umfangskante beabstandet ist, und wobei jede Versteifungsrippe so ausgerichtet ist, dass sie sich in eine Richtung senkrecht zum Abschnitt der Umfangskante erstreckt.
Verfahren zur Optimierung der Wärmeleiteigenschaften einer Komponente aus einem wärmeleitfähigen Kunststoffmaterial, umfassend: Bereitstellen eines Formwerkzeugs und einer Einspritzkonfiguration für einen Spritzgussprozess, bei dem das Formwerkzeug und die Einspritzvorrichtungen so angeordnet werden, dass eingespritztes Material während der Herstellung der Komponente in eine Richtung entsprechend einer Richtung der gewünschten Wärmeleitung fließt, und Ausführen des Spritzgießens unter Verwendung des Werkzeugs und der Einspritzkonfiguration, um die Komponente mit anisotropen Wärmeleiteigenschaften herzustellen, welche in der Richtung der gewünschten Wärmeleitung relativ zu anderen Richtungen eine stärkere Wärmeleitfähigkeit bereitstellen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Formwerkzeugs und einer Einspritzkonfiguration für das Formwerkzeug das Bestimmen optimaler Fließrichtungen durch Ausführen einer thermalen Finite-Element-Analyse einer Ausführung der Komponente umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Komponente einen Gehäuseaufbau für eine elektronische Steuereinheit umfasst, wobei der Gehäuseaufbau Folgendes aufweist: einen Rahmenabschnitt, der dafür ausgelegt ist, eine Leiterplatte zu halten, und der aus einem spritzgegossenen ersten Kunststoffmaterial gebildet ist; und einen Wärmesenkenabschnitt, der auf dem Rahmenabschnitt gehalten und aus einem zweiten spritzgegossenen Kunststoffmaterial gebildet ist, wobei das zweite Kunststoffmaterial der wärmeleitfähige Kunststoff mit anisotropen Wärmeleiteigenschaften ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Rahmenabschnitt zusammen mit dem Wärmesenkenabschnitt eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Komponente einen Gehäuseaufbau für eine elektronische Steuereinheit umfasst, wobei der Gehäuseaufbau einen planaren Bereich umfasst, der eine Ebene definiert und Kühlrippen aufweist, die von einer Seite des planaren Bereichs nach außen vorstehen, und die anisotropen Wärmeleiteigenschaften innerhalb des planaren Bereichs in einer Richtung parallel zur Ebene eine stärkere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als in einer Richtung senkrecht zur Ebene, und innerhalb der Kühlrippen in einer Richtung senkrecht zur Ebene eine stärkere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als in einer Richtung parallel zur Ebene.