DE102018217456B4 - Elektronische Steuervorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Steuervorrichtung - Google Patents

Elektronische Steuervorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Steuervorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuervorrichtung (1) umfassend:
- eine Leiterplatte (2) mit einer ersten Oberflächenseite (2.1) und einer zweiten Oberflächenseite (2.2) und mit mindestens einem elektronischen Bauteil (3), welches auf zumindest einer der Oberflächenseiten (2.1, 2.2) der Leiterplatte (2) angeordnet ist,
wobei mindestens ein Kühlkörper (8) auf der zum elektronischen Bauteil (3) gegenüberliegenden Oberflächenseite (2.1, 2.2) an der Leiterplatte (2) zur Wärmeableitung angeordnet ist, und wobei die Leiterplatte (2) mit dem elektronischen Bauteil (3) und dem Kühlkörper (8) von einer Umhüllung (4) aus einem Duroplastmaterial (D) derart umgeben ist, dass zumindest eine Außenseite des Kühlkörpers (8) frei von Duroplastmaterial (D) ist, wobei der Kühlkörper (8) aus einem Thermoplastmaterial (T) gebildet ist, und mit der Oberflächenseite (2.1, 2.2) der Leiterplatte (2) derart stoffschlüssig verbunden ist, dass sich beim Spritzprozess des Duroplastmaterials (D) die Leiterplatte (2) in den Kühlkörper (8) aus dem Thermoplastmaterial (T) zumindest partiell hinein drückt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Steuervorrichtung.
  • Es sind elektronische Steuervorrichtungen mit einem Aluminiumblech-Gehäuse oder einem Aluminium-Druckguss-Gehäuse und Verfahren zur Herstellung von elektronischen Steuervorrichtungen mit einem solchen Gehäuse bekannt.
  • DE 10 2009 033 949 A1 beschreibt ein Kühlelement für eine Halbleiterlichtquelle eines Kraftfahrzeugs mit einem zur Abgabe von Wärme an die Umgebung eingerichteten Kühlkörper.
  • Die US 2015/0359107 A1 beschreibt ein Elektronikmodul zur Verwendung als Steuergerät in einem Kraftfahrzeug mit einer mit Kunststoff umhüllten elektronischen Schaltung, die auf einem Kühlkörper angeordnet ist.
  • Die US 2014/0252265 A1 beschreibt eine thermoplastische Formmasse, die bevorzugt als Material für Kühlkörper Verwendung findet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte elektronische Steuervorrichtung und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Steuervorrichtung anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektronische Steuervorrichtung, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Steuervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die elektronische Steuervorrichtung umfasst erfindungsgemäß eine Leiterplatte mit einer ersten Oberflächenseite und einer zweiten Oberflächenseite und mit mindestens einem elektronischen Bauteil, beispielsweise ein Widerstand, ein Kondensator oder ein induktives Bauelement. Das elektronische Bauteil ist auf zumindest einer der Oberflächenseiten der Leiterplatte angeordnet. Mindestens ein Kühlkörper ist auf der zum elektronischen Bauteil gegenüberliegenden Oberflächenseite an der Leiterplatte zur Wärmeableitung angeordnet. Die Leiterplatte mit dem elektronischen Bauteil und dem Kühlkörper ist von einer Umhüllung aus einem Duroplastmaterial derart umgeben, dass zumindest eine Außenseite des Kühlkörpers frei von Duroplastmaterial ist. Beispielsweise ist der Kühlkörper zumindest einseitig, insbesondere innenseitig (in Richtung Leiterplatte) vom Duroplastmaterial bedeckt oder umhüllt. Alternativ kann der Kühlkörper auch beidseitig vom Duroplastmaterial umhüllt sein.
  • Beispielsweise weist das Duroplastmaterial derartige Materialeigenschaften auf, dass es keine Spaltbildung zwischen der Umhüllung und dem Kühlkörper gibt. Zum Beispiel ist das Duroplastmaterial beim Verarbeitung und Einbringen als Spaltmaterial hinreichend fließ- und dehnungsfähig und weist einen entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus. Im erhärteten Zustand ist dann das Duroplastmaterial hinreichend fest.
  • Erfindungsgemäß sind durch eine Verwendung eines wärmeleitfähigen Thermoplasts als Kühlkörper Fügeverfahren verwendbar, welche einen Kleber oder einen Laminierfilm vermeiden.
  • Ein weiterer Vorteil der angegebenen elektronischen Steuervorrichtung ist, dass ein zusätzlicher Prozessschritt zur Montage eines Kühlkörpers vermieden wird, da ein Prozessschritt zum Verquetschen eines Klebers oder eine Lamination einer Grundplatte und einer Leiterplatte dadurch vermieden werden, dass diese Prozesse bereits bei einer Steckermontage durchgeführt werden.
  • Weiterhin hat die angegebene elektronische Steuervorrichtung den Vorteil, dass die Geometrie des Kühlkörpers an die zu kühlenden Stellen der Leiterplatte angepasst werden kann. Beispielsweise ist es möglich, dass der Kühlkörper eine komplexe Geometrie, insbesondere Vergrößerungen, wie abstehende Rippen, aufweist.
  • Das angegebene Verfahren zur Herstellung der elektronischen Steuervorrichtung hat zum Vorteil, dass das Verfahren günstiger ist als beispielsweise ein Aluminiumdruckguss-Gehäuse oder Blechgehäuse.
  • Erfindungsgemäß ist der Kühlkörper aus einem Thermoplast gebildet. Beispielsweise weist der Thermoplast eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Thermoplast, welches als Kühlkörper verwendet wird, mit wärmeleitfähigen Partikeln versehen. Zum Beispiel wird dadurch eine Wärme, die beispielsweise ein Bauteil der Leiterplatte erzeugt, besser von der Leiterplatte abgeführt.
  • Eine weitere mögliche Ausführungsform sieht vor, dass die wärmeleitfähigen Partikel Graphit-Partikel und/oder Metallpartikel, insbesondere Aluminiumpartikel, sind. Die wärmeleitfähigen Partikel weisen eine Wärmeleitfähigkeit auf, welche beispielsweise vergleichbar mit der Wärmeleitfähigkeit von metallischen Bauteilen ist. Die Metallpartikel, insbesondere die Aluminiumpartikel weisen zudem noch eine elektrische Leitfähigkeit auf. Die Graphit-Partikel weisen elektrisch isolierende Eigenschaften auf und bilden zusammen mit dem Thermoplastmaterial eine elektrisch isolierende Schicht.
  • Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der elektronischen Steuervorrichtung ist der Kühlkörper zur Oberflächenseite der Leiterplatte hin eben ausgebildet. Darüber hinaus kann der Kühlkörper gegenüberliegend mit einem Profil, insbesondere einer Flächenvergrößerung, wie einem Rippenprofil, versehen sein. Beispielsweise ist der Kühlkörper flächig oder großflächig an der Oberflächenseite der Leiterplatte angeordnet und ein Rippenprofil ist auf der von der Leiterplatte wegweisenden Oberfläche des Kühlkörpers angeordnet.
  • Erfindungsgemäß ist der Kühlkörper mit der Oberflächenseite der Leiterplatte, beispielsweise nach einem Aufbringen einer Umhüllung, stoffschlüssig verbunden.
  • Gemäß einer Weiterbildung liegt der Kühlkörper über Auflagepunkte an mindestens eine mechanische Schnittstelle, beispielsweise eine Gehäuse, zu einem Gerät, beispielsweise ein Motor oder Hydraulikelement, auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Umhüllung mindestens eine Bohrung auf. Beispielsweise kann ein Befestigungselement, beispielsweise eine Schraube, durch die Bohrung gesteckt werden. Dadurch wird die Leiterplatte beispielsweise an einer mechanischen Schnittstelle, beispielsweise einem Gehäuse eines Motors, befestigt. Alternativ kann die Leiterplatte mittels eines zusätzlichen Befestigungselements, zum Beispiel einer Klammer, an einem Gerätegehäuse befestigt werden.
  • Das Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Steuervorrichtung umfasst eine Leiterplatte mit einer ersten Oberflächenseite und einer zweiten Oberflächenseite und mit mindestens einem elektronischen Bauteil, welches auf zumindest einer der Oberflächenseiten der Leiterplatte angeordnet wird, wobei mindestens ein Kühlkörper auf der zum elektronischen Bauteil gegenüberliegenden Oberflächenseite an der Leiterplatte zur Wärmeableitung angeordnet wird, und wobei die Leiterplatte mit dem elektronischen Bauteil und dem Kühlkörper von einer Umhüllung aus einem Duroplastmaterial derart umgeben wird, dass zumindest eine Außenseite des Kühlkörpers frei von Duroplastmaterial bleibt.
  • Beispielsweise wird der Kühlkörper in einem Werkzeug fixiert und beispielsweise mittels einer Schließkraft des Werkzeugs auf die Leiterplatte gedrückt. Beispielsweise wird eine Umhüllung aus Duroplastmaterial mittels eines Spritzvorgangs beidseitig auf die Leiterplatte mit dem elektronischen Bauteil und dem Kühlkörper aufgetragen.
  • Beispielsweise erwärmen und erweichen die Leiterplatte und der Kühlkörper während des Spritzvorgangs. Beispielsweise wird die Leiterplatte beim Spritzvorgang wegen eines hydrostatischen Drucks des flüssigen Duroplastmaterials gegen den in einem Werkzeug fixierten Kühlkörper gedrückt.
  • Zum Beispiel wird durch eine Erweichung der Leiterplatte und des Kühlkörpers zumindest die in Richtung des Kühlkörpers weisende Oberflächenseite der Leiterplatte mit oder ohne Stecker und/oder Bauteile teilweise in das Thermoplastmaterial des Kühlkörpers eingetaucht oder eingepresst.
  • Erfindungsgemäß wird dadurch nach einer Abkühlung der Leiterplatte und des Kühlkörpers zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper eine stoffschlüssige Verbindung gebildet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Darin zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer elektronischen Steuervorrichtung in Seitenansicht und
    • 2 eine schematische Darstellung einer elektronischen Steuervorrichtung und einem Gehäuse in Seitenansicht. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine elektronische Steuervorrichtung 1 aufweisend eine Leiterplatte 2 mit einer ersten Oberflächenseite 2.1 und einer zweiten Oberflächenseite 2.2 und mit mindestens einem elektronischen Bauteil 3, welches auf der Oberflächenseiten 2.1 der Leiterplatte 2 angeordnet ist. Mindestens ein Kühlkörper 8 ist auf der zum elektronischen Bauteil 3 gegenüberliegenden Oberflächenseite 2.2 an der Leiterplatte 2 zur Wärmeableitung angeordnet. Die Leiterplatte 2 mit dem elektronischen Bauteil 3 und dem Kühlkörper 8 ist beidseitig von einer Umhüllung 4 aus einem Duroplastmaterial D derart umgeben, dass zumindest eine Außenseite des Kühlkörpers 8 frei von Duroplastmaterial D ist.
  • Alternativ kann die Leiterplatte 2 mit dem elektronischen Bauteil 3 und dem Kühlkörper 8 einseitig von der Umhüllung 4 umgeben (nicht näher dargestellt).
  • Beispielsweise weist das Duroplastmaterial D Materialeigenschaften, beispielsweise eine thermische Dehnung oder eine Steifigkeit, auf, dass es keine Spaltbildung zwischen der Umhüllung 4 und dem Kühlkörper 8 gibt.
  • Weiterhin weist die elektronische Steuervorrichtung 1 einen Kunststoffstecker 6 und ein Steckerstanzgitter 7 auf.
  • Das zumindest eine elektronische Bauteil 3, beispielsweise ein Widerstand, ein Kondensator oder ein induktives Bauelement, ist auf der Oberflächenseite 2.1 der Leiterplatte 2 angeordnet.
  • Der Kühlkörper 8 ist auf der zum elektronischen Bauteil 3 gegenüberliegenden Oberflächenseite 2.2 an der Leiterplatte 2 angeordnet und leitet so die Wärme der elektronischen Bauteile 3 ab. Der Kühlkörper 8 ist zur Oberflächenseite 2.2 der Leiterplatte 2 eben und beispielsweise flächig oder großflächig ausgebildet und gegenüberliegend beispielsweise mit Rippen 8.1 versehen.
  • Der Kühlkörper 8 ist aus einem wärmeleitfähigen Thermoplastmaterial T gebildet und mit wärmeleitfähigen Partikeln P versehen, beispielsweise mit wärmeleitfähigen Partikeln P gefüllt. Beispielsweise sind als wärmeleitfähige Partikel P Graphit-Partikel und/oder Metallpartikel, insbesondere Aluminiumpartikel vorgesehen. Beispielsweise weisen zumindest die Metallpartikel eine elektrische Leitfähigkeit auf.
  • Beispielsweise ist der Kühlkörper 8 mit der Leiterplatte 2 mittels Heißverstemmen, Pressverbindungen oder Klipsverbindung, beispielsweise mittels Zapfen, form-, stoff- oder kraftschlüssig verbunden.
    Beispielsweise wird der Kühlkörper 8 und der Kunststoffstecker 6 im gleichen Prozessschritt an der Leiterplatte 2 angeordnet.
  • Auch ist es möglich den Kühlkörper 8 bei Raumtemperatur durch Verpressen oder Verklipsen mit der Leiterplatte 2 zu verbinden. Erfolgt die Verbindung von Kühlkörper 8 und Leiterplatte 2 beim Spritzprozess des Duroplastmaterials D, so drückt sich die Leiterplatte 2 in den Kühlkörper 8 aus dem Thermoplastmaterial T zumindest partiell hinein, um so eine stoffschlüssige Verbindung von Leiterplatte 2 und Kühlkörper 8 herzustellen.
  • Der Kühlkörper 8 ist insbesondere aus einem Thermoplastmaterial T und wird während des Spritzprozesses, insbesondere des Umhüllvorgangs des Duroplastmaterials D, stoffschlüssig mit der Leiterplatte 2 verbunden.
  • Beispielsweise weist der Kühlkörper 8 mindestens einen Auflagepunkt 8.2 auf, welcher beispielsweise an einem Gehäuse eines Motors oder eines Hydraulikelements aufliegt.
  • Die Umhüllung 4 weist mindestens eine Bohrung 5 auf und ist aus einem duroplastischen Material gebildet.
  • Der Kunststoffstecker 6 ist an der Leiterplatte 2 montiert und dient einer Kontaktierung zu beispielsweise einem weiteren nicht gezeigten elektronischen Bauteil. Beispielsweise wird der Kunststoffstecker 6 an die Leiterplatte 2 heißverstemmt oder gepresst. Der Kunststoffstecker 6 ragt aus der Umhüllung 4 heraus und ist beispielsweise mittels des Steckerstanzgitters 7 mit der Leiterplatte 2 und/oder einem weiteren nicht gezeigten elektronischen Bauteils verbunden.
  • 2 zeigt eine Steuervorrichtung 1 wie in 1 gezeigt, wobei die Steuervorrichtung 1 beispielsweise an einer mechanischen Schnittstelle 9, beispielsweise einem Gehäuse eines Motors oder einer Hydraulikeinheit, fixiert ist.
  • Beispielsweise liegt der zumindest eine Auflagepunkt 8.2 des Kühlkörpers 8 auf der mechanischen Schnittstelle 9 auf.
  • Die Steuervorrichtung 1 ist beispielsweise mittels der Bohrung 5 und einem Befestigungsmittel 10, beispielsweise einer Schraube, an der mechanischen Schnittstelle 9 befestigt.
  • Alternativ ist die elektronische Steuervorrichtung 1 mittels einer nicht näher gezeigten Klammer an der mechanischen Schnittstelle 9 befestigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Steuervorrichtung
    2
    Leiterplatte
    2.1
    Oberflächenseite
    2.2
    Oberflächenseite
    3
    elektronisches Bauteil
    4
    Umhüllung
    5
    Bohrung
    6
    Kunststoffstecker
    7
    Steckerstanzgitter
    8
    Kühlkörper
    8.1
    Rippe
    8.2
    Auflagepunkt
    9
    mechanische Schnittstelle
    10
    Befestigungsmittel
    D
    Duroplastmaterial
    P
    Partikel
    T
    Thermoplastmaterial

Claims (7)

  1. Elektronische Steuervorrichtung (1) umfassend: - eine Leiterplatte (2) mit einer ersten Oberflächenseite (2.1) und einer zweiten Oberflächenseite (2.2) und mit mindestens einem elektronischen Bauteil (3), welches auf zumindest einer der Oberflächenseiten (2.1, 2.2) der Leiterplatte (2) angeordnet ist, wobei mindestens ein Kühlkörper (8) auf der zum elektronischen Bauteil (3) gegenüberliegenden Oberflächenseite (2.1, 2.2) an der Leiterplatte (2) zur Wärmeableitung angeordnet ist, und wobei die Leiterplatte (2) mit dem elektronischen Bauteil (3) und dem Kühlkörper (8) von einer Umhüllung (4) aus einem Duroplastmaterial (D) derart umgeben ist, dass zumindest eine Außenseite des Kühlkörpers (8) frei von Duroplastmaterial (D) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (8) aus einem Thermoplastmaterial (T) gebildet ist, und mit der Oberflächenseite (2.1, 2.2) der Leiterplatte (2) derart stoffschlüssig verbunden ist, dass sich beim Spritzprozess des Duroplastmaterials (D) die Leiterplatte (2) in den Kühlkörper (8) aus dem Thermoplastmaterial (T) zumindest partiell hinein drückt.
  2. Elektronische Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoplastmaterial (T) mit wärmeleitfähigen Partikeln (P) versehen ist.
  3. Elektronische Steuervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als wärmeleitfähige Partikel (P) Graphit-Partikel und/oder Metallpartikel, insbesondere Aluminiumpartikel, im Thermoplastmaterial (T) vorgesehen sind.
  4. Elektronische Steuervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (8) zur Oberflächenseite (2.1, 2.2) der Leiterplatte (2) hin eben ausgebildet ist und gegenüberliegend mit einem Profil, insbesondere Rippenprofil, versehen ist.
  5. Elektronische Steuervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (8) Auflagepunkte (8.2) zum Aufliegen auf mindestens einer mechanischen Schnittstelle (9) eines Gerätes aufweist.
  6. Elektronische Steuervorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (4) mindestens eine Bohrung (5) aufweist.
  7. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Steuervorrichtung (1), umfassend eine Leiterplatte (2) mit einer ersten Oberflächenseite (2.1) und einer zweiten Oberflächenseite (2.2) und mit mindestens einem elektronischen Bauteil (3), welches auf zumindest einer der Oberflächenseiten (2.1, 2.2) der Leiterplatte (2) angeordnet ist, wobei mindestens ein Kühlkörper (8), der aus einem Thermoplastmaterial (T) gebildet ist, auf der zum elektronischen Bauteil (3) gegenüberliegenden Oberflächenseite (2.1, 2.2) an der Leiterplatte (2) zur Wärmeableitung angeordnet wird, und wobei die Leiterplatte (2) mit dem elektronischen Bauteil (3) und dem Kühlkörper (8) von einer Umhüllung (4) aus einem Duroplastmaterial (D) derart umgeben wird, dass zumindest eine Außenseite des Kühlkörpers (8) frei von Duroplastmaterial (D) bleibt, wobei der Kühlkörper (8) mit der Oberflächenseite (2.1, 2.2) der Leiterplatte (2) derart stoffschlüssig verbunden wird, dass sich beim Spritzprozess des Duroplastmaterials (D) die Leiterplatte (2) in den Kühlkörper (8) aus dem Thermoplastmaterial (T) zumindest partiell hinein drückt.
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