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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Elektronikmodul, wie es insbesondere zur Implementierung eines Steuergeräts wie beispielsweise eines Getriebesteuergeräts in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist, und ein Verfahren zum Fertigen eines Elektronikmoduls.
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Stand der Technik
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Elektronikmodule werden dazu eingesetzt, Schaltkreise aufzubauen, bei denen verschiedene elektrische und/oder elektronische Bauelemente miteinander verschaltet sind. Mithilfe derart verschalteter Bauelemente kann das Elektronikmodul bestimmte Funktionalitäten bereitstellen.
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Beispielsweise werden Elektronikmodule in Form von Getriebesteuermodulen dazu eingesetzt, Funktionen eines Getriebes in einem Kraftfahrzeug zu steuern. Neben einfachen Bauelementen wie zum Beispiel Widerständen, Kondensatoren, Induktivitäten etc. oder auch komplexeren Bauelementen wie zum Beispiel integrierten Schaltungen (IC - Integrated Circuit) oder anwendungsspezifischen ICs (ASIC - application-specific integrated circuit) kann ein Elektronikmodul dabei auch Sensoren aufweisen, um beispielsweise Zustände innerhalb des zu steuernden Getriebes oder in einer Umgebung zu messen, und/oder Stecker aufweisen, um beispielsweise das Elektronikmodul oder Teile desselben mit externen Schaltkreisen elektrisch verbinden zu können. Die Bauelemente können dabei auf einer Leiterplatte angeordnet sein.
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Empfindliche Bauelemente eines Elektronikmoduls sollten gegen Schädigungen durch mechanische Belastungen sowie Schädigungen durch einen Angriff chemisch aggressiver Substanzen geschützt werden. Hierzu können die Bauelemente beispielsweise in einer Schutzmasse, welche eine Oberfläche der die Bauelemente tragenden Leiterplatte bedeckt, verkapselt sein. Die Schutzmasse kann aus Kunststoff, beispielsweise einem Duroplast, insbesondere einem Polymer, z.B. Epoxidharz, bestehen.
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Um die Leiterplatte elektrisch kontaktieren zu können, beispielsweise um weitere Bauelemente und/oder Gegenstecker an der Leiterplatte elektrisch anschließen zu können, können an der Leiterplatte Kontaktstifte vorgesehen sein, die durch eine die Leiterplatte bedeckende Schutzschicht aus Schutzmasse hindurch ragen.
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DE 10 2015 214 311 A1 beschreibt ein Elektronikmodul mit einem über ein Sockelelement flexibel platzierbaren Bauelement und ein Verfahren zum Fertigen desselben.
DE 10 2017 210 176 A1 beschreibt ein weiteres Elektronikmodul.
DE 10 2016 209 488 A1 beschreibt ein weiteres Elektronikmodul mit einer Klemmverbindung für ein Getriebesteuergerät.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Elektronikmodul sowie ein Verfahren zum Fertigen eines Elektronikmoduls gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, ein Elektronikmodul, welches insbesondere für ein Getriebesteuergerät eingesetzt werden kann, bereitzustellen und zu fertigen, bei dem eine Vielzahl von Kontaktstiften eng benachbart zueinander angeordnet werden kann und von außerhalb einer Schicht aus Schutzmasse zugänglich und kontaktierbar ist und welches einfach, zuverlässig und/oder kostengünstig zu fertigen ist.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Elektronikmodul vorgeschlagen, welches eine Leiterplatte, ein erstes Bauelement, eine Mehrzahl elektrisch leitfähiger, länglicher Kontaktstifte sowie eine elektrisch isolierende Schutzmasse aufweist. Das erste Bauelement ist an einer Bestückungsseite der Leiterplatte angeordnet und mit dieser elektrisch kontaktiert. Die Kontaktstifte kontaktieren jeweils mit einem leiterplattenseitigen Ende die Bestückungsseite der Leiterplatte elektrisch. Die Schutzmasse ist flüssig verarbeitbar und dann aushärtbar und bedeckt die Bestückungsseite der Leiterplatte als Schutzschicht derart, dass das erste Bauelement in die Schutzmasse eingekapselt ist und die Kontaktstifte seitlich von der Schutzmasse umgeben sind und ein leiterplattenfernes Ende der Kontaktstifte aus der Schutzmasse herausragt. Das Elektronikmodul zeichnet sich dadurch aus, dass die Kontaktstifte nebeneinander in einer Halteleiste angeordnet sind, welche alle Kontaktstifte derart mechanisch kontaktiert, dass die Kontaktstifte an der Halteleiste gehalten sind und durch die Halteleiste relativ zu einander positioniert sind.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen eines Elektronikmoduls, welches die oben beschriebenen Merkmale aufweist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Kontaktstifte des Elektronikmoduls nebeneinander in einer Halteleiste angeordnet bereitgestellt werden und die Halteleiste alle Kontaktstifte derart mechanisch kontaktiert, dass die Kontaktstifte an der Halteleiste gehalten sind und durch die Halteleiste relativ zu einander positioniert sind.
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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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Wie einleitend angedeutet, können Leiterplatten einschließlich darauf bestückter Bauelemente mithilfe von einer darüber verkapselnd abgeschiedenen Schutzmasse vor einer Schädigung durch chemisch aggressive Medien und/oder einer Schädigung durch äußere mechanische Einflüsse geschützt werden. Kontaktstifte können dabei von der Bestückungsseite der Leiterplatte her durch die Schutzmasse hindurchreichen, sodass sie von außen her kontaktierbar sind.
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Die Kontaktstifte können vor dem Aufbringen der Schutzmasse an die Bestückungsseite der Leiterplatte angebracht werden. Herkömmlich werden die Kontaktstifte meist vorab an die Bestückungsseite angelötet. Eventuell haben die Kontaktstifte hierfür einen verbreiterten Fuß, der flächig an Kontaktflächen an der Bestückungsseite angelötet werden kann.
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Anschließend kann die Schutzmasse aufgebracht werden, sodass diese die zu schützenden Bauelemente überdeckt und seitlich an die Kontaktstifte angrenzt bzw. diese umgibt, wobei ein leiterplattenfernes Ende der Kontaktstifte jeweils über die Schutzmasse hinaus nach außen abragt und somit frei zugänglich ist.
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Die Schutzmasse kann dann ausgehärtet werden. Hierzu wird die Leiterplatte mitsamt der Schutzmasse meist in einen Ofen, beispielsweise einen Durchlaufofen, eingebracht, um die Schutzmasse bei erhöhter Temperatur aushärten zu können. Die Leiterplatte einschließlich der Schutzmasse kann dabei eine geringe Bauhöhe aufweisen, sodass der eingesetzte Ofen möglichst platzsparend ausgelegt sein kann. Insbesondere kann ein Volumen, in dem die Leiterplatten zum Heizen in dem Ofen aufgenommen werden soll, flach sein.
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Nach dem Aushärten der Schutzmasse können an den freiliegenden leiterplattenfernen Enden der Kontaktstifte weitere Bauelemente und/oder von außen zugängliche Stecker angebracht werden. Deren elektrisch leitfähige Anschlüsse können dabei mit den Enden der Kontaktstifte elektrisch verbunden werden, beispielsweise durch Verlöten, Anklemmen oder vorzugsweise Verschweißen. Die weiteren Bauelemente bzw. Stecker brauchen daher beim Heizen und Aushärten der Schutzmasse noch nicht montiert sein, sodass für sie kein zusätzlicher Raum in dem zum Heizen eingesetzten Ofen vorgesehen werden braucht.
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Es wurde allerdings erkannt, dass insbesondere für den Fall, dass mehrere Kontaktstifte eng benachbart nebeneinander an der Bestückungsseite der Leiterplatte angeordnet werden sollen, Schwierigkeiten dahingehend auftreten können, dass die Kontaktstifte ausreichend nahe beieinander und/oder in geeigneter Positionierung relativ zueinander an der Leiterplatte angeordnet und mit dieser elektrisch verbunden werden können.
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Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird vorgeschlagen, die mehreren Kontaktstifte nicht einzeln an der Leiterplatte anzuordnen und mit der Leiterplatte zu verbinden. Stattdessen sollen die mehreren Kontaktstifte vorab in einer speziellen Halteleiste angeordnet werden, welche die Kontaktstifte geeignet relativ zueinander positioniert mechanisch hält. Die Halteleiste kann dann mitsamt den darin gehaltenen Kontaktstiften an der Bestückungsseite der Leiterplatte angeordnet werden und die Kontaktstifte elektrisch mit der Leiterplatte verbunden werden, beispielsweise durch Anlöten. Dies kann im Rahmen der Fertigung des Elektronikmoduls vorzugsweise geschehen, bevor die Schutzmasse auf die Bestückungsseite der Leiterplatte aufgebracht wird, um die Schutzschicht zu bilden. Wenn die Schutzmasse dann aufgebracht wird, kann diese die Halteleiste umgeben bzw. dicht an dieser anliegen, sodass die Schutzmasse nach dem Aushärten die Halteleiste an der Leiterplatte mechanisch fixiert.
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Die länglichen Kontaktstifte können dabei eine größere Länge, vorzugsweise eine mehr als doppelt oder sogar mehr als vierfach so große Länge, aufweisen wie ihre maximale Querschnittsabmessung. Anders ausgedrückt können die Kontaktstifte kleine Querschnittsabmessungen, d.h. bei runden Kontaktstiften einen kleinen Durchmesser, im Vergleich zu ihrer Länge aufweisen, sodass viele Kontaktstifte auf einer kleinen Teilfläche der Bestückungsseite der Leiterplatte nebeneinander angeordnet werden können. Insbesondere brauchen die Kontaktstifte keinen verbreiterten Fuß aufweisen, der ansonsten herkömmlich dafür eingesetzt wird, damit die langen dünnen Kontaktstifte an ihrem Fuß mit ausreichend mechanischem Halt an der Leiterplatte angebracht werden können, ohne bei Belastung seitlich weg zu knicken. Stattdessen können die Kontaktstifte über ihre gesamte Länge hin dünn sein und beispielsweise konstante Querschnittsabmessungen aufweisen. Solche Kontaktstifte sind einfach und kostengünstig zu fertigen. Die Kontaktstifte können dann an einem leiterplattenseitigen Ende und/oder in einem Bereich weiter entfernt von dem leiterplattenseitigen Ende in der Halteleiste fixiert sein und von dieser unter anderem gegen ein seitliches Wegknicken gehalten werden.
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Vorzugsweise können dabei minimale seitliche Abstände zwischen nächstbenachbarten Kontaktstiften kleiner, vorzugsweise weniger als halb so groß oder sogar weniger als ein Viertel so groß, sein wie eine Länge der Kontaktstifte. Mit anderen Worten können die Kontaktstifte sehr nahe beieinander, d.h. auf kleiner Fläche, angeordnet werden, wobei die Halteleiste für eine korrekte Positionierung und/oder ausreichende Beabstandung zwischen benachbarten Kontaktstiften sorgen kann.
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Die Halteleiste kann hierbei derart in die Schutzmasse eingebettet sein, dass die Schutzmasse an einen leiterplattenseitigen Bereich der Halteleiste angrenzt und ein leiterplattenferner Bereich der Halteleiste aus der Schutzmasse herausragt. Anders ausgedrückt kann die Schutzmasse die Halteleiste seitlich umgeben und bis an diese seitlich heranreichen. Dabei kann die aus der Schutzmasse gebildete Schutzschicht jedoch eine geringere Dicke als die Höhe der Halteleiste aufweisen, sodass die Halteleiste von der Leiterplatte weg über die Schutzschicht übersteht. Die Halteleiste kann somit ähnlich wie die darin aufgenommenen Kontaktstifte von außen her zugänglich sein, sodass die Halteleiste beispielsweise mit anderen Komponenten des Elektronikmoduls gekoppelt werden kann.
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Das Elektronikmodul kann hierbei über wenigstens ein zweites Bauelement verfügen, welches mit dem leiterplattenfernen Ende zumindest eines der Kontaktstifte elektrisch verbunden ist, insbesondere verschweißt ist. Das zweite Bauelement kann beispielsweise ein Sensor sein, welcher von der Leiterplatte abragt, um lokal physikalische Parameter messen zu können. Alternativ kann das zweite Bauelement beispielsweise ein Stecker sein, der von außen her kontaktiert werden kann, um beispielsweise eine elektrische Verbindung mit externen Sensoren oder weiteren Schaltkreisen herstellen zu können. Das zweite Bauelement kann dabei eine ähnliche oder größere Bauhöhe aufweisen wie die Leiterplatte mit der darauf aufgebrachten Schutzmasse. Das zweite Bauelement kann gegebenenfalls nachträglich, d.h. nachdem die Leiterplatte mit der Schutzmasse versehen und die Schutzmasse ausgehärtet wurde, mit den leiterplattenfernen Enden der Kontaktstifte verbunden werden. Hierzu können beispielsweise metallische Kontaktanschlüsse des zweiten Bauelements mit den Kontaktstiften elektrisch leitfähig verschweißt, insbesondere laserverschweißt, werden. Dementsprechend braucht beim Aushärten der Schutzmasse in einem hierfür eingesetzten Ofen kein zusätzlicher Bauraum für die zweiten Bauelemente vorgehalten werden.
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Das zweite Bauelement kann zumindest in einem Kontaktbereich über eine Gegenleiste verfügen, welche mechanisch mit der Halteleiste zusammenwirkt, um das zweite Bauelement an der Halteleiste zu fixieren. Die Gegenleiste und die Halteleiste können dabei jeweils geometrisch derart ausgebildet sein, dass sie kraftschlüssig und/oder formschlüssig miteinander gekoppelt werden können. Insbesondere kann die Gegenleiste das zweite Bauelement und/oder von diesem abragende Komponenten wie zum Beispiel elektrische Leitungen oder Anschlüsse umschließen und somit mechanisch weitgehend starr mit dem zweiten Bauelement verbunden sein. Wenn die Gegenleiste mit der Halteleiste gekoppelt ist, ist somit das zweite Bauelement an der Halteleiste und über diese an der Leiterplatte befestigt. Auf das zweite Bauelement wirkende Kräfte brauchen dabei nicht mehr über beispielsweise eine Schweißverbindung oder Lötverbindung zwischen Anschlusselementen des zweiten Bauelements und den Kontaktstiften abgeleitet werden, sondern können größtenteils über die mechanisch miteinander gekoppelten Gegen- und Halteleisten abgeleitet werden.
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Das Elektronikmodul kann ferner einen Spanschutzdeckel aufweisen, welcher leiterplattenferne Bereiche der Kontaktstifte abdeckt. Der Spanschutzdeckel kann hierbei insbesondere Bereiche der Kontaktstifte abdecken, welche ohne den Spanschutzdeckel freiliegenden würden und an welchen beispielsweise elektrisch leitfähige Metallspäne in Kontakt mit den Kontaktstiften gelangen und diese untereinander kurzschließen könnten. Der Spanschutzdeckel kann dabei mit der Halteleiste und/oder der Gegenleiste gekoppelt sein, das heißt an dieser fixiert sein. Zusammen mit der Halteleiste und/oder der Gegenleiste kann der Spanschutzdeckel dann ein Volumen, in dem die Kontaktstifte aufgenommen sind, derart umschließen, dass keine Späne, welche eine kritische Größe aufweisen, die ausreichend wäre, um benachbarte Kontaktstifte kurzzuschließen, in das umschlossene Volumen gelangen können. Das Volumen braucht dabei jedoch nicht notwendigerweise hermetisch dicht umschlossen sein, d.h., ein Fluid wie beispielsweise Getriebeöl kann eventuell an dem Spanschutzdeckel vorbei in das Volumen eindringen.
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Die Halteleiste und die Gegenleiste bzw. der Spanschutzdeckel können hierbei geometrisch derart ausgebildet sein, dass an einer Kontaktfläche, an der die Halteleiste mit der Gegenleiste bzw. dem Spanschutzdeckel zusammenwirkt, eine Labyrinthdichtung gebildet wird. Die Labyrinthdichtung kann dabei derart ausgestaltet sein, dass Späne mit der oben genannten kritischen Größe nicht mehr durch sie hindurch in das von dem Spanschutzdeckel überdeckte Volumen gelangen können.
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Die Halteleiste, die Gegenleiste und/oder der Spanschutzdeckel können Kunststoffbauelemente, insbesondere Spritzgussbauelemente, sein. Solche Kunststoffbauteile können einfach und kostengünstig und mit einer für das jeweilige Bauteil ausreichenden Präzision hergestellt werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen des Elektronikmoduls einerseits und des Verfahrens zum Fertigen des Elektronikmoduls andererseits beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- 1 zeigt eine perspektivische Querschnittansicht durch ein erfindungsgemäßes Elektronikmodul.
- 2 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf ein mit einem zweiten Bauelement gekoppeltes erfindungsgemäßes Elektronikmodul.
- 3 zeigt eine perspektivische Querschnittansicht durch ein mit einem Spanschutzdeckel versehenes erfindungsgemäßes Elektronikmodul.
- 4 zeigt eine Längsschnittansicht durch ein mit einem Spanschutzdeckel versehenes erfindungsgemäßes Elektronikmodul.
- 5 (a), 5 (b) zeigen Längsschnittansichten durch verschiedene Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Elektronikmoduls.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Querschnittansicht durch ein Elektronikmodul 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Elektronikmodul 1 umfasst eine Leiterplatte 3, an deren Bestückungsseite 7 ein oder vorzugsweise mehrere Bauelemente 5 (der Einfachheit halber lediglich äußerst schematisch dargestellt) angeordnet sind. Die Bauelemente 5 können mit elektrisch leitfähigen Strukturen (nicht explizit dargestellt) wie beispielsweise Leiterbahnen auf der Leiterplatte 3 elektrisch verbunden sein. Diese leitfähigen Strukturen können wiederum mit Kontaktstiften 9 verbunden sein, mithilfe derer eine Kontaktierung hin zu anderen Bauelementen oder eine von außen her zu erreichende Kontaktierung in Form eines Steckers geschaffen werden kann.
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Die Kontaktstifte 9 sind dabei in einer Halteleiste 17 angeordnet, welche die Kontaktstifte 9 mechanisch hält und relativ zueinander eng benachbart positioniert. Die Kontaktstifte 9 sind deutlich länger sowohl als ihr Durchmesser als auch als ein Abstand zwischen nächstbenachbarten Kontaktstiften 9. Vorzugsweise können die Kontaktstifte 9 parallel zueinander ausgerichtet in der Halteleiste 17 aufgenommen sein. Die Halteleiste 17 kann ein einfaches Kunststoffbauteil sein. Beispielsweise können mehrere Kontaktstifte 9 durch Spritzguss mit elektrisch isolierendem Kunststoff umspritzt werden.
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Beim Zusammenbau des Elektronikmoduls 1 können mehrere Kontaktstifte 9 in der Halteleiste 17 aufgenommen gemeinsam montiert werden, indem die Halteleiste 17 an der Bestückungsseite 7 der Leiterplatte 3 angeordnet wird und dann leiterplattenseitige Enden 13 der Kontaktstifte 9 mit zugehörigen Kontaktflächen an der Leiterplatte 3 elektrisch verbunden, beispielsweise verlötet, werden.
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Um die ersten Bauelemente 5 insbesondere vor einem Angriff durch chemisch aggressive Medien wie Getriebeöl zu schützen, wird beim Fertigen des Elektronikmoduls 1 die Bestückungsseite 7, nachdem dort die Bauelemente 5 und die Halteleiste 17 mit den Kontaktstiften 9 angeordnet wurden, mit einer polymeren Schutzmasse 11 bedeckt. Die Schutzmasse 11 überdeckt dabei die Bauelemente 5 und kapselt diese somit ein. Im Vergleich zu den Bauelementen 5 weist die Halteleiste 17 jedoch eine größere Höhe auf, die insbesondere größer ist als die Dicke der durch die Schutzmasse 11 gebildeten Schutzschicht, sodass die Schutzmasse 11 zwar an einen leiterplattenseitigen Bereich der Halteleiste 17 angrenzt, ein leiterplattenferner Bereich der Halteleiste 17 jedoch nach oben aus der Schutzmasse 11 herausragt und somit freiliegt.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Elektronikmoduls 1, bei dem die Leiterplatte 3 mit einem zweiten Bauelement 19 verbunden wurde. Das zweite Bauelement kann beispielsweise eine zusätzliche Leiterplatte, ein Stanzgitter oder Ähnliches mit darauf bestückten Bauteilen sein. Alternativ kann das zweite Bauelement 19 auch ein Sensor, ein Gegenstecker oder Ähnliches sein. Das zweite Bauelement 19 kann über eine Gegenleiste 21 mit der Halteleiste 17 gekoppelt sein. Dabei können in der Gegenleiste 21 angeordnete Kontaktanschlüsse 25 die in der Halteleiste 17 aufgenommenen Kontaktstifte 9 an deren leiterplattenfernen Enden 15 elektrisch kontaktieren und mit diesen insbesondere verschweißt sein. Eine lasttragende mechanische Kopplung zwischen der Leiterplatte 3 und dem zweiten Bauelement 19 findet jedoch vorzugsweise nicht überwiegend über die mit den Kontaktstiften 9 verbundenen Kontaktanschlüsse 25 statt, sondern wird durch eine geeignete mechanische Kopplung zwischen der Halteleiste 17 und der Gegenleiste 21 etabliert.
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3 zeigt eine Querschnittansicht durch ein Elektronikmodul 1, welches über seine Halteleiste 17 mit der Gegenleiste 21 eines zweiten Bauelements 19 verbunden ist. 4 zeigt eine Längsschnittansicht durch ein ähnlich aufgebautes Elektronikmodul 1. Die Gegenleiste 21 und die Halteleiste 17 sind dabei geometrisch derart ausgebildet, dass sie einfach, zuverlässig und ausreichend mechanisch belastbar miteinander gekoppelt werden können. Beispielsweise können die Gegenleiste 21 und die Halteleiste 17 miteinander verklipst werden. Ein eventuell an der Halteleiste 17 vorgesehenes Halteelement 27 kann dabei zum Beispiel in eine in der Gegenleiste 21 vorgesehene Ausnehmung 29 eingreifen, um eine mechanische Verbindung zwischen der Halteleiste 17 und der Gegenleiste 21 zu stabilisieren, sodass Kräfte, die auf das zweite Bauelement 19 wirken, die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstiften 9 in der Halteleiste 17 und den Kontaktanschlüssen 25 in der Gegenleiste 21 nicht übermäßig belasten.
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Um vermeiden zu können, dass beispielsweise in umgebendem Getriebeöl schwimmende Metallspäne zu den Kontaktstiften 9 oder den Kontaktanschlüsse 25 gelangen und diese elektrisch kurzschließen können, ist nahe einer Verbindungsstelle zwischen der Halteleiste 17 und der Gegenleiste 21 ein Spanschutzdeckel 23 vorgesehen. Dieser Spanschutzdeckel 23 kann leiterplattenferne Bereiche der Kontaktstifte 9 in der Nähe ihrer leiterplattenfernen Enden 15 abdecken, sodass keine Metallspäne dorthin gelangen können. In ähnlicher Weise kann der Spanschutzdeckel 23 auch die Kontaktanschlüsse 25 abdecken. Der Spanschutzdeckel 23 kann dabei ähnlich wie die Halteleiste 17 und die Gegenleiste 21 aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial bestehen und beispielsweise ein einfaches Spritzguss-Bauteil sein.
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Der Spanschutzdeckel 23, die Halteleiste 17 und die Gegenleiste 21 können geometrisch derart ausgebildet sein, dass sich an einem Übergang zwischen diesen Komponenten eine Labyrinthdichtung ausbildet. Entlang dieser Labyrinthdichtung ist ein Weg ins Innere des von dem Spanschutzdeckel 23 überdeckten Volumens derart labyrinthartig geschwungen, dass keine länglichen Metallspäne hindurch gelangen können. Fluide wie insbesondere das Getriebeöl können eventuell jedoch dennoch durch diese Labyrinthdichtung hindurch gelangen.
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In den 5(a) und 5 (b) sind Längsschnitte durch mögliche Ausgestaltungen des Elektronikmoduls 1 und insbesondere durch dessen Halteleiste 17 dargestellt.
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Wie in 5(a) veranschaulicht kann die Halteleiste 17 mit Öffnungen 31 ausgestaltet sein, durch die hindurch die Kontaktstiften 9 mit einem gewissen seitlichen Spiel verlaufen. Die Kontaktstifte 9 sind dabei lediglich über einen Steg 33 am Rest der Halteleiste 17 gehalten. Hierdurch sind die Kontaktstifte 9 zwar in der Halteleiste 17 grob positioniert, können aber beim Montieren der Halteleiste 17 noch geringfügig seitlich verlagert werden, bevor sie dann mit ihrem leiterplattenseitigen Ende 13 beispielsweise mit einer Kontaktfläche 35 an der Bestückungsseite 7 der Leiterplatte 3 an gelötet werden.
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Alternativ kann die Halteleiste 17, wie in 5(b) dargestellt, die Kontaktstifte 9 eng umschließen und somit fest positionieren. Beispielsweise können die Kontaktstifte 9 in enge Öffnungen in der Halteleiste 17 eingepresst werden oder direkt beim Fertigen der Halteleiste 17 eingegossen werden.
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Nachfolgend werden ergänzende Informationen zu Ausführungsformen und mögliche Ausgestaltungen von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls mit teilweise geringfügig modifizierter Wortwahl erläutert.
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Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine mechanische und elektrische Anbindung von diskreten Bauteilen in einem Elektronikmodul, vorzugsweise für eine Getriebesteuerung für ein Automatikgetriebe. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für die Anbindung von Steckverbindern, Sensormodulen, etc. mit vielen zu fügenden elektrischen Leitern geeignet.
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Bekannte Elektronikmodule enthalten u. a. ein Steuergerät mit elektrischen Bauteilen für eine Signalverarbeitung, eine Leistungselektronik sowie diskrete Bauteile wie Sensoren zur Erfassung von Position und Drehzahlen, elektrische Schnittstellen beispielsweise in Form von Steckverbindungen, sowie mindestens eine Steckverbindung zum Anschluss an den Fahrzeugkabelbaum.
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Die Elektronikmodule werden z.T. unter Getriebeöl verbaut und sind hohen Temperaturen (z.B. -40 ... +150°C) im Getriebe ausgesetzt. Deswegen sollte ein Design von Steuermodulen verschiedenen Ansprüchen genügen, wie zum Beispiel einen chemischen Angriff durch aggressives Öl vermeiden helfen sowie eine gute Temperatur- und Vibrationsbeständigkeit und einen Schutz vor Kurzschlüssen durch metallische Späne bewirken.
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Die Position diskreter Bauteile wird dabei meist durch eine Konstruktion des Getriebes vorgegeben. In der Regel liegt diese Position außerhalb einer Ebene des Steuergerätes. Für die elektrische Verbindung zum Steuergerät wird ein elektrischer Leiter benötigt. Dies kann z.B. ein Kabel, ein Stanzgitter oder eine Flexfolie sein. Zusätzlich wird für die mechanische Positionierung und Fixierung im Raum ein Träger benötigt. Dies kann z.B. ein Kunststoffkörper sein. Der elektrische Leiter und der mechanische Träger können in einer Baugruppe bzw. einem Bauteil zusammengefasst werden und werden im Folgenden als Sensordom bezeichnet.
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In der Regel werden Steuergeräte und diskrete Bauteile wie Sensordome in separaten Fertigungsschritten hergestellt. Im Anschluss daran werden diese Komponenten zusammengefügt. Für die elektrische Kontaktierung werden Verfahren wie Löten, Schweißen und Steckverbindungen verwendet. Signalunterbrechungen und Widerstandsänderungen einer Kontaktzone im Betrieb müssen dabei vermieden werden. Für eine mechanische Anbindung werden z. B. Schrauben, Kunststofflaserschweißen, Metall-Nieten oder Kunststoff-Heißnieten eingesetzt.
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Ausführungsformen der Erfindung sind besonders vorteilhaft für eine neue Modulplattform für Steuermodule mit einem polymeren Schutzsystem der Anmelderin einsetzbar. Dabei werden die elektronischen Bauteile auf einem Substrat wie z.B. einer Leiterplatte angeordnet und anschließend mit flüssigem Polymer, das später aushärtet, umschlossen.
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Um möglichst viele Leiterplatten in den Aushärteprozess beispielsweise in einem Ofen zu bekommen, sollte das Bauteil möglichst flach sein. Eine Montage eines Sensordoms oder eines anderen diskreten Bauteils soll hierbei nach dem Aushärten des Polymers erfolgen.
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Ausführungsformen der Erfindung können jedoch auch in anderen Elektronikmodulen, insbesondere anderen Steuergeräten, zum Einsatz kommen.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es unter anderem, eine einfachere und damit kostengünstigere Verbindung zwischen z.B. Steuergerät und diskreten Bauteilen wie Sensoren und Steckverbindern herstellen zu können.
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Die mit Ausführungsformen des hierin beschriebenen Elektronikmoduls erzeugte Verbindung ist mechanisch sehr robust. Insbesondere ist sie im Vergleich zu direkt in Leiterplatten eingelöteten Pins robust bei Vibrationsbelastung und thermischen Wechseln.
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Es sollen möglichst wenige Kontaktstellen zwischen einzelnen Leiterbahnabschnitten notwendig sein. Elektrische Kontaktstellen sind ein Qualitätsrisiko im Betrieb und steigern die Herstellungskosten durch benötigte Prozesse.
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Ausführungsformen der Erfindung sind besonders dann vorteilhaft, wenn eine große Anzahl von Verbindungen hergestellt werden müssen, wie dies bei Steckern und Sensormodulen als diskrete Bauteile der Fall ist.
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Besonders vorteilhaft ist diese Lösung, wenn ein polymeres Schutzsystems für die Verpackung des Steuergerätes verwendet wird. Bei diesen Schutzsystemen sind Prozesse wie Reflowlöten, Aushärteprozess, Moldprozesse, und Ähnliches notwendig, bei denen die zu verarbeitenden Bauteile möglichst flach sein sollen, da sonst die Kosten durch größere Werkzeuge und Anlagen erheblich steigen. Diskrete Bauteile, welche aus der Ebene des Steuergerätesubstrats herausragen müssen, können daher zu erheblich gesteigerten Kosten bei der Fertigung des Elektronikmoduls führen.
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Die Fertigung der diskreten Bauteile/Baugruppen ist üblicherweise unabhängig von der eigentlichen Leiterplattenfertigung. So kann jeweils für jede Baugruppe das günstigste Design, Lieferant und Fertigungsmethode gewählt werden.
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Zusammengefasst können sich folgende Vorteile ergeben:
- - Hohe Zuverlässigkeit im Betrieb aufgrund sicherer Verbindung an elektrischen Kontaktstellen durch Schweißverbindung;
- - Niedrige Kosten, da ein Verbindungsprozess für alle Bauteile und Baugruppen ausreicht;
- - Hohe Zuverlässigkeit hinsichtlich Unterbrechungen, Widerstandsänderungen, Wechselwirkungen der Kontaktstelle mit Medien (z.B. Getriebeflüssigkeit (ATF)); kein Ausgleich von thermischen Ausdehnungen oder Mikrobewegungen durch Vibrationsbelastung in Kontaktfläche notwendig. (Vorteil Schweißverbindung zu Steck- oder Federkontakt)
- - Hohe Anzahl an Verbindungen sind kostengünstig umsetzbar.
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Vorteile insbesondere für Plattform mit polymerem Schutzsystem:
- - Flache Baugruppe für Aushärteprozess führt zu erheblicher Kostenreduzierung;
- - Minimaler Platzverbrauch auf PCB (Leiterplatte) führt zu mehr Platz für Bestückung elektrischer Bauteile für Steuergerät;
- - Position für elektrische Anbindung flexibler als konventionelle Lösungen.
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Beim erfindungsgemäßen Aufbau eines Elektronikmoduls wird ein Kontaktstift oder Pin auf eine Leiterplatte (FR4, HDI,...) des Steuergerätes gelötet. Vorzugsweise wird dies im SMD Verfahren vollzogen. Dies kann im gleichen Schritt geschehen, wenn andere SMD-Bauteile platziert und gelötet werden. Anschließend wird die Leiterplatte mit einem Harz (z.B. Epoxidharz) übergossen und ausgehärtet. Der Pin schaut mit seiner Stirnfläche aus dem Harz heraus.
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Auf die Stirnfläche wird eine Kontaktfläche eines Kontaktanschlusses des diskreten Bauteils aufgelegt und vorzugsweise per Laserschweißen eine nicht lösbare elektrische Verbindung geschaffen.
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Um möglichst viele Kontakte/Schweißungen gleichzeitig zu verbinden, können beliebig viele Kontaktstifte auf engstem Raum in eine oder mehrere Reihen gestellt werden. Die Kontaktflächen des diskreten Bauteils können aus einer Metallplatine gestanzt werden.
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Die Kontaktstifte können auf die Leiterplatte bestückt werden, indem sie eingelassen mit oder ohne Spiel in einer Kunststoff-Halteleiste an der Bestückungsseite der Leiterplatte angeordnet werden und danach gelötet und mit Harz vergossen werden.
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Als Spanschutz kann eine Metallplatine des diskreten Bauteils mit Kunststoff umspritzt sein, z.B. in Form eines umspritzten Stanzgitters. Dieser Kunststoff kann in die Kunststoff-Halteleiste eingreifen. Ein weiterer Spanschutzdeckel kann darüber angeordnet sein und schützt und separiert die einzelnen Pins voneinander.
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Um die elektrische Verbindungstelle zu entlasten, kann das zweite Bauelement beispielsweise mit seinem umspritzten Stanzgitter an der Kunststoff-Halteleiste oder an der Leiterplatte fixiert, thermisch genietet, werden.
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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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- DE 102015214311 A1 [0006]
- DE 102017210176 A1 [0006]
- DE 102016209488 A1 [0006]
