DE102021214359A1

DE102021214359A1 - Protection concept for an electronic assembly and its use

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Publication number: DE102021214359A1
Application number: DE102021214359.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schulze
Original assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Schutzkonzept für eine elektronische Baugruppe, insbesondere in einem Kraft-fahrzeug, umfassend einen Schaltungsträger (1), mindestens ein elektronisches Bauteil (2) auf dem Schaltungsträger (1), eine Umhüllung (4) aus Kunststoff, die zumindest einen Teil des Schaltungsträgers (1) umgibt, wobei wenigstens ein elektronisches Bauteil (2) mit einer metallischen Gitterstruktur (3) umgeben ist und die metallische Gitterstruktur (3) in die Umhüllung (4) integriert ist.Protection concept for an electronic assembly, in particular in a motor vehicle, comprising a circuit carrier (1), at least one electronic component (2) on the circuit carrier (1), a plastic cover (4) which covers at least part of the circuit carrier (1 ) surrounds, wherein at least one electronic component (2) is surrounded by a metallic lattice structure (3) and the metallic lattice structure (3) is integrated into the casing (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Schutzkonzept für eine elektronische Baugruppe umfassend einen Schaltungsträger, mindestens ein elektronisches Bauteil auf dem Schaltungsträger und eine Umhüllung aus Kunststoff, die zumindest einen Teil des Schaltungsträgers umgibt, sowie die Verwendung eines Schutzkonzepts. Elektrische Steuergeräte für automobile Anwendungen werden zunehmend in Duroplast-Kunststoff Umhüllungstechnik ausgeführt.The invention relates to a protection concept for an electronic assembly comprising a circuit carrier, at least one electronic component on the circuit carrier and a plastic casing which surrounds at least part of the circuit carrier, and the use of a protection concept. Electrical control units for automotive applications are increasingly being implemented in thermoset plastic encapsulation technology.

Beispiele dafür sind insbesondere in DE 10 2012 213 917 A1 und DE 10 2015 200 219 A1 beschrieben, bei denen auf einer Leiterplatte angeordnete elektronische Bauelemente mit einer Schutzmasse aus Kunststoff bedeckt sind.Examples of this are in particular in DE 10 2012 213 917 A1 and DE 10 2015 200 219 A1 described in which arranged on a printed circuit board electronic components are covered with a protective compound made of plastic.

Dieses hat viele Vorteile zur Reduzierung der Komplexität eines Steuergerätes. Die elektronischen Komponenten sind hierbei vollständig insbesondere von Duroplast eingehüllt.This has many advantages for reducing the complexity of a control unit. In this case, the electronic components are completely encased, in particular by duroplast.

Eine metallische Gitterstruktur ist Stand der Technik für Geräte im Ex (Explosionsschutz) Zonen Betrieb, zum Beispiel zur Kapselung von Wärmequellen oder zum Schutz gegen Lichtbögen bei elektrischen Schaltern.A metallic lattice structure is state-of-the-art for devices in Ex (explosion protection) zone operation, for example to encapsulate heat sources or to protect against arcing in electrical switches.

Die Umhüllung von Schaltungsträgern mit organischem Material anstelle eines metallischen Gehäuses bedingt das erhöhte Risiko, dass im Fehlerfall eines thermischen Ereignisses auf dem Schaltungsträger die Verkapselung aufbrechen kann. Ab einer Temperatur von ca. 350°C beginnt in der Regel die Zersetzung von organischem Material. Ein Versagen der Umhüllung bedeutet, dass der Kundenbauraum, in dem das Steuergerät angeordnet ist, nicht mehr vor kritischen Temperaturen geschützt wird. Die notwendige Leistung zum Erreichen dieser Zersetzungstemperatur beträgt unter Umständen nur wenige Watt und eine Leistungsbegrenzung ist nicht für alle Bauteile möglich. Beispiele hierfür sind keramische Kondensatoren, die direkt mit der Batteriespannung verbunden sind.The encapsulation of circuit carriers with organic material instead of a metallic housing causes the increased risk that the encapsulation can break open in the event of a thermal event on the circuit carrier. Above a temperature of approx. 350°C, the decomposition of organic material usually begins. A failure of the casing means that the customer's installation space in which the control unit is located is no longer protected from critical temperatures. The power required to reach this decomposition temperature may only be a few watts and it is not possible to limit the power for all components. Examples of this are ceramic capacitors that are directly connected to the battery voltage.

In niederohmigen elektrischen Pfaden mit Hochstromverbrauchern sind die genannten Maßnahmen nicht, oder nur mit hohem Kostenaufwand umsetzbar. Eine Leistungsbegrenzung mittels Vorwiderstand am Kondensator verändert zudem die elektrischen Eigenschaften von Kondensatoren in unerwünschter Weise.In low-impedance electrical paths with high-current consumers, the measures mentioned cannot be implemented or can only be implemented at great expense. A power limitation by means of a series resistor on the capacitor also changes the electrical properties of capacitors in an undesirable way.

Soft terminierte, leistungsbegrenzte Kondensatoren reduzieren deren Schädigung durch mechanische Beanspruchung innerhalb der Baugruppe.Soft-terminated, power-limited capacitors reduce damage caused by mechanical stress within the assembly.

Reihenschaltungen von Kondensatoren verdoppeln die Bauteilanzahl und vervierfachen den Preis, da sich bei einer Reihenschaltung von zwei wertgleichen Kondensatoren deren Kapazität halbiert.Connecting capacitors in series doubles the number of components and quadruples the price, since connecting two capacitors of the same value in series halves their capacitance.

Die Leistungsaufnahme der Steuergeräte überschreitet in der Regel 2,5 Watt. Dieses ist als unkritischer Grenzwert für keramische Kondensatoren an einer permanenten Batteriespannung in automobilen Anwendungen etabliert. Somit ist eine Leistungsbegrenzung - zum Beispiel durch Schmelzsicherungen - der zugeführten Versorgungsspannung auf diesen Wert nicht möglich.The power consumption of the control devices usually exceeds 2.5 watts. This is established as a non-critical limit value for ceramic capacitors at a permanent battery voltage in automotive applications. It is therefore not possible to limit the power of the supplied supply voltage to this value, for example by means of fuses.

Ferner werden Schädigungen oder sogar Vorschädigungen der Kondensatoren in deren Herstellungsprozess, beim Bestücken während der Produktion der Steuergeräte oder andere Fehler im Feld, die nicht durch mechanischen Stress verursacht werden, durch eine Soft- Terminierung nicht abgedeckt.Furthermore, damage or even previous damage to the capacitors in their manufacturing process, during assembly during production of the control units or other errors in the field that are not caused by mechanical stress are not covered by soft termination.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Realisierung eines effektiven und günstig herstellbaren Schutzkonzeptes für ein elektronisches Bauteil auf einem Schaltungsträger, wobei zumindest ein Teil des Schaltungsträgers mit wenigstens einem elektronischen Bauteil mit Kunststoff umhüllt ist, sowie dessen Verwendung.The object of the invention is therefore the realization of an effective and inexpensive protection concept for an electronic component on a circuit carrier, wherein at least part of the circuit carrier is encased with at least one electronic component with plastic, and its use.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und Anspruch 8 gelöst.This object is achieved with the features according to claim 1 and claim 8.

Bei dem erfindungsgemäßen Schutzkonzept ist wenigstens ein elektronisches Bauteil auf einem Schaltungsträger mit Kunststoff umhüllt, wobei das wenigstens eine elektronische Bauteil mit einer metallischen Gitterstruktur umgeben ist und die metallische Gitterstruktur in die Kunststoffumhüllung integriert ist.
Bei dem mindestens einen elektronischen Bauteil kann es sich beispielsweise um einen Kondensator handeln.In the protection concept according to the invention, at least one electronic component on a circuit carrier is encased in plastic, the at least one electronic component being surrounded by a metal lattice structure and the metal lattice structure being integrated into the plastic encapsulation.
The at least one electronic component can be a capacitor, for example.

Für Steuergeräte in kunstoffumspritzter Technologie wird die gesamte Schaltung oder nur ein zu schützender Bereich von einer metallischen, siebartigen Gitterstruktur abgeschirmt, welche mit umspritzt wird.For control units with plastic overmoulding technology, the entire circuit or just an area to be protected is shielded by a metallic, sieve-like grid structure, which is also overmoulded.

Das Material der metallischen Gitterstruktur ist vorteilhafterweise eine hochschmelzende metallische Legierung.The material of the metallic lattice structure is advantageously a high-melting metallic alloy.

Die Struktur des Siebes verstärkt die mechanische Festigkeit der Umspritzung unmittelbar, auch wenn die Zersetzungstemperatur des umhüllenden Kunstoffs erreicht wird. Ferner leitet das metallische Sieb den Wärmestrom ab und vermeidet so eine lokale Übertemperatur. Im Falle des vollständigen Versagens der Umhüllung aus Kunststoff verhindert das metallische Sieb ein Durchschlagen von Flammen in den Kundenbauraum, während aber Gase das Sieb dann passieren können. Ein Aufbrechen der Umhüllung durch ein eingeschlossenes Gasvolumen, welches im Fehlerfall erhitzt oder überhaupt erst erzeugt wird, wird somit ebenfalls vermieden.The structure of the screen immediately increases the mechanical resistance of the overmoulding, even when the decomposition temperature of the enveloping plastic is reached. Furthermore, the metal screen dissipates the flow of heat and thus avoids local excess temperatures. In the case of the complete If the plastic cover fails, the metallic screen prevents flames from penetrating into the customer's installation space, while gases can then pass through the screen. A bursting of the cover by an enclosed volume of gas, which is heated in the event of a fault or is generated in the first place, is thus also avoided.

Insbesondere wird für das Material der Umhüllung Duroplast verwendet. Duroplaste verbrennen häufig nur unter Verkohlung an der Oberfläche.
Duroplastische Kunststoffe werden beim Erhitzen nicht weich und schmelzen nicht, sondern zersetzen sich, da ihre Schmelztemperatur über der Zersetzungstemperatur liegt.In particular, duroplast is used for the material of the casing. Thermosets often only burn with charring on the surface.
Thermosetting plastics do not soften or melt when heated, but rather decompose since their melting temperature is higher than the decomposition temperature.

Die metallische Gitterstruktur ist besonders effektiv, wenn ihre Kontur an die Kontur des mindestens einen elektronischen Bauelements, die sie umgibt, angepasst ist. The metallic lattice structure is particularly effective when its contour is adapted to the contour of the at least one electronic component that surrounds it.

Insbesondere ist eine metallische Gitterstruktur eine Siebstruktur. Die Maschenweite dieser Siebstruktur ist dann in Bezug auf Umspritzbarkeit und in Bezug auf die Wirkung als Barriere für Flammen und für Brandgase durch Kühlung angepasst ist.In particular, a metallic lattice structure is a screen structure. The mesh width of this sieve structure is then adapted with regard to overmoulding and with regard to the effect as a barrier for flames and for combustion gases by cooling.

Das Sieb kann auch durch eine Blechstruktur gebildet werden, wie sie in Anwendungen zur Schirmung bei Hochfrequenzschaltungen bekannt sind. Lediglich ausreichende Öffnungen zur Füllung mit Umspritzungsmaterial und Kühlung von Flammen müssen gewährleistet werden.The screen can also be formed by a sheet metal structure, as is known in applications for shielding in high-frequency circuits. Only sufficient openings for filling with overmolding material and cooling of flames must be guaranteed.

Die Ausführung der Metallgitterstruktur muss hierbei einerseits ausreichende Durchlässigkeit des flüssigen Duroplast Materiales während des Herstellungs-prozesses gewährleisten, andererseits Gase, Funken und Flammen hinreichend kühlen, damit diese im Fehlerfall der zu schützenden elektronischen Baugruppe nicht außerhalb der Umhüllung gelangen, beziehungsweise im Falle der Gase nicht deren Selbstentzündungstemperatur erreicht.The design of the metal grid structure must on the one hand ensure sufficient permeability of the liquid thermoset material during the manufacturing process, and on the other hand cool gases, sparks and flames sufficiently so that they do not get outside the enclosure in the event of a fault in the electronic assembly to be protected, or in the case of gases, not reaches its self-ignition temperature.

Ferner ist die Maschenweite der metallischen Gitterstruktur insbesondere derart gewählt, dass Ein- und Abstrahlung der elektrischen Baugruppe in Bezug auf elektromagnetische Strahlung abgeschirmt wird.Furthermore, the mesh size of the metallic lattice structure is selected in particular in such a way that incoming and outgoing radiation from the electrical assembly is shielded with regard to electromagnetic radiation.

Vorteilhaft ist die kostengünstige Umsetzung eines Schutzkonzeptes, das rein passiv ist, keine Alterung erfährt und keine Überwachung oder Logik erfordert.The advantage is the cost-effective implementation of a protection concept that is purely passive, does not age and requires no monitoring or logic.

Ein weiterer Vorteil des Konzepts ist die Verwendung als elektrische Abschirmung von Schaltungen, wobei die metallische Gitterstruktur über eine Verbindung an ein festes Bezugspotential, insbesondere an eine Fahrzeugmasse angebunden ist.A further advantage of the concept is its use as an electrical shield for circuits, with the metallic lattice structure being connected to a fixed reference potential, in particular to a vehicle ground, via a connection.

Ein weiterer Vorteil des Konzepts ist eine Robustheitssteigerung durch den Wärmetransport im Sieb als wärmespreizendes Element.Another advantage of the concept is an increase in robustness due to the heat transport in the screen as a heat-spreading element.

Das Schutzkonzept stellt einen zweistufigen Schutzmechanismus dar: Einerseits die Aufrechterhaltung der Integrität der Umhüllung über einen erweiterten Temperaturbereich, andererseits die Verhinderung der Ausbreitung von thermischen Ereignissen als Sicherheitsbarriere bei katastrophalen Ereignissen und die damit verbundene Zersetzung der Umhüllung aus Kunststoff .The protection concept represents a two-stage protection mechanism: On the one hand, maintaining the integrity of the encapsulation over an extended temperature range, on the other hand preventing the spread of thermal events as a safety barrier in the event of catastrophic events and the associated decomposition of the plastic encapsulation.

Das Konzept findet Verwendung in allen Baugruppen, die eine Kunstoffumspritzung als Gehäuse aufweisen, insbesondere im Automobilbau.The concept is used in all assemblies that have a plastic overmoulding as a housing, especially in automobile construction.

Eine nähere Beschreibung der vorliegenden Erfindung erfolgt anhand der beigefügten Zeichnungen.

1 zeigt ein Schutzkonzept für eine elektronische Baugruppe.
2 zeigt ein alternatives Schutzkonzept für eine elektronische Baugruppe.

A more detailed description of the present invention is given with reference to the accompanying drawings.

1 shows a protection concept for an electronic assembly.
2 shows an alternative protection concept for an electronic assembly.

1 zeigt ein Schutzkonzept für eine elektronische Baugruppe, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug vorkommt. 1 shows a protection concept for an electronic assembly, such as that found in a motor vehicle.

Auf einem Schaltungsträger 1, beispielsweise einer Leiterplatte aus glasfaser-verstärktem Kunststoff, ist ein elektronisches Bauteil 2 angeordnet, wobei das elektronische Bauteil 2 ein Kondensator beispielsweise ein Mehrschicht-keramikkondensator sein kann.An electronic component 2 is arranged on a circuit carrier 1, for example a printed circuit board made of glass fiber reinforced plastic, it being possible for the electronic component 2 to be a capacitor, for example a multi-layer ceramic capacitor.

Hier ist der Schaltungsträger 1, auf dessen Oberseite das elektronische Bauteil 2 angeordnet ist, derart einschließlich der Kanten des Schaltungsträgers 1 mit einer Umhüllung 4 aus Kunststoff umgeben, dass nur die Unterseite des Schaltungsträgers 1 frei von Kunststoff ist. Der Kunststoff ist hier aus Duroplast. Die Umhüllung 4 bildet dabei eine Schutz- und Stützschicht für das elektronische Bauteil 2 und die Leiterplatte 1. Im Prinzip könnte auch die Unterseite des Schaltungsträgers 1 zumindest teilweise mit Kunststoff umhüllt sein.Here the circuit carrier 1, on the upper side of which the electronic component 2 is arranged, is surrounded in such a way, including the edges of the circuit carrier 1, by a covering 4 made of plastic that only the underside of the circuit carrier 1 is free of plastic. The plastic here is duroplast. The casing 4 forms a protective and supporting layer for the electronic component 2 and the printed circuit board 1. In principle, the underside of the circuit carrier 1 could also be at least partially encased in plastic.

Das elektronische Bauteil 2 ist mit einer metallischen Gitterstruktur 3 umgeben, wobei die metallische Gitterstruktur 3 in die Kunststoffumhüllung 4 integriert ist. The electronic component 2 is surrounded by a metallic lattice structure 3 , the metallic lattice structure 3 being integrated into the plastic encapsulation 4 .

Das Material der metallischen Gitterstruktur 3 ist insbesondere eine hoch-schmelzende metallische Legierung.The material of the metallic lattice structure 3 is in particular a high-melting metallic alloy.

Die Kontur der metallischer Gitterstruktur 3 ist an die, in diesem Fall quaderförmige Kontur des elektronischen Bauteils 2, die sie umgibt, angepasst ist.The contour of the metallic lattice structure 3 is adapted to the cuboid contour of the electronic component 2 that surrounds it in this case.

Die metallische Gitterstruktur 3 ist als eine Siebstruktur ausgebildet. Die Maschenweite dieser Siebstruktur ist in Bezug auf Umspritzbarkeit während des Herstellungsprozesses und in Bezug auf ihre kühlende Wirkung als Barriere für Flammen und für Brandgase angepasst.The metallic lattice structure 3 is designed as a screen structure. The mesh size of this sieve structure is adapted with regard to overmoulding during the manufacturing process and with regard to its cooling effect as a barrier to flames and fire gases.

Die Siebstruktur hat auch eine abschirmende Wirkung für elektromagnetische Strahlung.The screen structure also has a shielding effect for electromagnetic radiation.

Die metallische Gitterstruktur 3 ist als elektrische Abschirmung der Schaltung auf dem Schaltungsträger 1 über eine Masseverbindung 5 an ein festes Bezugspotential 6, insbesondere an eine Fahrzeugmasse angebunden.The metallic lattice structure 3 is connected as electrical shielding of the circuit on the circuit carrier 1 via a ground connection 5 to a fixed reference potential 6, in particular to a vehicle ground.

2 zeigt ein alternatives Schutzkonzept für eine elektronische Baugruppe. Im Gegensatz zu 1 ist in 2 nur ein einzelnes elektronisches Bauteil 2, beispielsweise ein Mehrschichtkeramikkondensator oder ein Leistungsbauteil, von der Umhüllung 4 aus Kunststoff umgeben. Ein weiteres elektronisches Bauteil 2' auf dem Schaltungsträger 1, das in Bezug auf thermische Ereignisse unkritisch ist, beispielsweise ein SMD-Widerstand und der Rest des Schaltungsträgers 1 ist hier frei von Kunststoff. 2 shows an alternative protection concept for an electronic assembly. In contrast to 1 is in 2 only a single electronic component 2, for example a multilayer ceramic capacitor or a power component, is surrounded by the casing 4 made of plastic. Another electronic component 2' on the circuit carrier 1, which is not critical with regard to thermal events, for example an SMD resistor, and the rest of the circuit carrier 1 is free of plastic here.

Das Schutzkonzept der mit Duroplast umhüllten Metallgitterstruktur über elektronischen Schaltungsteilen, insbesondere in automobilen Anwendungen, dient zur Aufrechterhaltung der Integrität dieser Duroplastumhüllung bei durch Ausfällen der betroffenen Schaltungsteile erzeugten thermischen Ereignissen, welche die Zersetzungstemperatur des Umhüllungsmateriales überschreitet. Ferner besteht der Vorteil des Schutzkonzepts im Verhindern von Funken und Flammenbildung außerhalb der Duroplastumhüllung durch das Metallgitter bei gleichzeitiger Durchlässigkeit für entstandene Gase, wenn eine Zersetzung des Umhüllungs-materiales stattgefunden hat und die Integrität der Umhüllung nicht mehr gewährleistet ist, wobei unter der Integrität der Duroplastumhüllung das einwandfreie Funktionieren der Umhüllung als Schutz der elektronischen Baugruppe verstanden wird.The concept of protection of the thermoset encapsulated metal grid structure over electronic circuitry, particularly in automotive applications, is to maintain the integrity of this thermoset encapsulation during thermal events generated by failure of the affected circuitry that exceeds the decomposition temperature of the encapsulating material. Furthermore, the advantage of the protection concept is that the metal grid prevents sparks and flames from forming outside of the thermoset casing while at the same time allowing the gases that are formed to pass through if the casing material has decomposed and the integrity of the casing is no longer guaranteed, with the integrity of the thermoset casing being compromised the proper functioning of the casing is understood as protection for the electronic assembly.

Das beschriebene Schutzkonzepte ist kostengünstig, rein passiv und erfordert keine Überwachung oder Logik.The protection concept described is inexpensive, purely passive and requires no monitoring or logic.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102012213917 A1 [0002]
DE 102015200219 A1 [0002]

Claims

Protection concept for an electronic assembly, in particular in a motor vehicle, comprising - a circuit carrier (1), - At least one electronic component (2, 2') on the circuit carrier (1), - A casing (4) made of plastic, which surrounds at least part of the circuit carrier (1), at least one electronic component (2) being surrounded by a metallic lattice structure (3) and the metallic lattice structure (3) in the casing (4) is integrated.

protection concept claim 1 , characterized in that the material of the cover (4) is an organic material, such as thermoset.

protection concept claim 1 or 2 , characterized in that the contour of the metallic lattice structure (3) is adapted to the contour of the at least one electronic component (2).

Protection concept according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the metallic lattice structure (3) is a screen structure, the mesh size of which is adapted in terms of spray coating and barrier to flames and fire gases by cooling.

Protection concept according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one electronic component (2) is a capacitor.

Protection concept according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic grid structure (3) is connected to a fixed reference potential (6) via a ground connection (5).

Protection concept according to one of the preceding claims, characterized in that the material of the metallic lattice structure (3) is a high-melting metallic alloy.

Use of a protection concept, comprehensive - a circuit carrier (1), - At least one electronic component (2. 2') on the circuit carrier (1), - A casing (4) made of plastic, which surrounds at least part of the circuit carrier (1), at least one electronic component (2) being surrounded by a metallic lattice structure (3) and the metallic lattice structure (3) being inserted into the casing (4) is integrated in an assembly, in particular in an assembly in a motor vehicle.

use of a protection concept claim 8 , characterized in that the material of the cover (4) is an organic material, such as thermoset.

use of a protection concept claim 8 or 9 , characterized in that the contour of the metallic lattice structure (3) is adapted to the contour of the at least one electronic component (2).

Use of a protection concept according to one of Claims 8 until 10 , characterized in that the metallic lattice structure (3) is a screen structure, the mesh size of which is adapted in terms of spray coating and barrier to flames and fire gases by cooling.

Use of a protection concept according to one of Claims 8 until 11 , characterized in that the at least one electronic component (2) is a capacitor.

Use of a protection concept according to one of Claims 8 until 12 , characterized in that the metallic lattice structure (3) is connected to a fixed reference potential (6) via a ground connection (5).

Use of a protection concept according to one of Claims 8 until 13 , characterized in that the material of the metallic lattice structure (3) is a high-melting metallic alloy.