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Die Erfindung betrifft eine Elektronikanordnung für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine in einem Gehäuse angeordnete Elektronikkomponente und eine elektrisch leitende Verbindung von der Elektronikkomponente nach außerhalb des Gehäuses, insbesondere zu einer Zielvorrichtung außerhalb des Gehäuses. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum elektrischen Verbinden einer in einem Gehäuse angeordneten Elektronikkomponente für ein Kraftfahrzeug mit einer Zielvorrichtung.
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Bei Elektronikanordnungen sind Elektronikkomponenten, gegebenenfalls gemeinsam mit weiteren Komponenten, denen sie zugeordnet sind, häufig innerhalb von Gehäusen, beispielsweise aus Kunststoff, untergebracht. Diese Elektronikkomponenten müssen in vielen Fällen nach außerhalb des Gehäuses, beispielsweise mit einer Zielvorrichtung, die eine andere Elektronikkomponente sein kann, verbunden werden. Beispielsweise ist es im Bereich von Kraftfahrzeugen bekannt, im elektrischen Bordsystem als Elektronikkomponenten Steuereinheiten und/oder Sensoren innerhalb von Gehäusen anzuordnen und mit Zielvorrichtungen, beispielsweise einem Batteriemanagementsteuergerät (BMS-Steuergerät) zu verbinden. So wurde beispielsweise vorgeschlagen, als Elektronikkomponenten Sensoren in Gehäusen von Batteriezellen und/oder Leistungselektronikkomponenten, wie beispielsweise Wandlern, zu verbauen, um deren Betrieb zu überwachen. Auch die Anordnung von Steuereinheiten in derartigen Vorrichtungen, die häufig auch als Module bezeichnet werden, wurde bereits vorgeschlagen. Zum Ermöglichen von Datenaustausch sowie gegebenenfalls elektrischer Stromversorgung ist es dann notwendig, bei innerhalb des Gehäuses angeordneten Elektronikkomponenten eine Verbindung nach außerhalb des Gehäuses zu schaffen.
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Um eine derartige Verbindung aus einem geschlossenen Gehäuse beziehungsweise in ein geschlossenes Gehäuse zu bringen, ist es im Stand der Technik bekannt, Bohrungen in der Gehäusewand vorzusehen, durch die ein Kabel geschoben werden kann. Auch wurde bereits daran gedacht, Durchkontaktierungen in der Gehäusewand vorzusehen, wobei an der Durchkontaktierung dann innen und außen Kabel, beispielsweise durch leitfähiges Kleben oder Schweißen, beschäftigt werden können. Dies sind aufwendige Vorgänge, wobei zudem bei derartigen Elektronikanordnungen auf einem sehr geringen Bauraum gearbeitet werden muss, was weitere Schwierigkeiten mit sich bringt. Werden Kabel verwendet, können zudem Undichtigkeiten, beispielsweise an einer Bohrung, auftreten.
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DE 10 2020 209 968 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen und einer mechanischen Verbindung während des additiven Aufbaus eines Objekts, insbesondere eines aufgebauten Gehäuses. Dabei wird vorgeschlagen, das Gehäuse aus Einzelschichten aufzubauen, wonach die Freispanung mindestens eines Kontaktierungskanals in den Einzelschichten bei weiterem Aufbau des Gehäuses erfolgt. Der Kontaktierungskanal kann dann mit leitfähigem Klebstoff oder elektrisch leitendem Reaktionsklebstoff verfüllt werden. Dort werden also materialabhebende Verfahren während des additiven Aufbaus eines Gehäuses eingesetzt, um leitfähige Strukturen, die beispielsweise komplexe Anordnungen wie Antennen bilden können, innerhalb von Gehäusewänden zu integrieren.
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DE 10 2005 053 494 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen elektrisch leitender Durchführungen durch nicht- oder halbleitende Substrate. Dabei wird das Halb- oder Nichtleitersubstrat, dessen Vorderseite an mindestens einem Ort eine elektrisch leitende Kontaktstelle aufweist, von seiner Rückseite aus mit einer Ausnehmung versehen, die unter der elektrisch leitenden Kontaktstelle endet und von dieser abgedeckt wird. Wird nun von der Rückseite des Substrats her eine elektrisch leitende Struktur aufgebracht, kann eine leitfähige Verbindung zwischen der jeweiligen Kontaktstelle und der rückseitigen Oberfläche des Substrats hergestellt werden. Dabei werden insbesondere Ätzverfahren eingesetzt. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Durchkontaktierung hergestellt werden.
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DE 10 2014 115 246 A1 betrifft gewebte elektrische Komponenten in einem Substratgehäusekern. Dabei umfasst ein Substratgehäuse einen Webstoff, der elektrisch nicht leitfähige Stränge aufweist, die zwischen elektrisch leitfähige Stränge, eingewebt sind. Auf diese Weise können auf Einzeldrähten basierende, lokal in den Substratgehäusekern eingebaute Funktionen bereitgestellt werden, insbesondere auch Durchmetallisierungen.
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DE 102 07 589 A1 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen einer Leiterbahn auf einem Trägerbauteil eines Kraftfahrzeugs, bei dem die Leiterbahn durch ein strahlgebundenes thermisch-kinetisches Auftragsverfahren direkt aufgetragen wird, ohne dass das Trägerbauteil vorbehandelt werden muss. Dadurch ist ein sehr flexibles und kostengünstiges Herstellen eines Formbauteils mit einem integriertem Leiterbahnmuster möglich. Für eine einfache Durchführung der Leiterbahnen ist zweckdienlicherweise vorgesehen, dass durch das Bauteil ein Kontaktelement geführt ist und dass die Leiterbahn beidseitig unmittelbar beim Auftragen stoffschlüssig mit dem Kontaktelement kontaktiert wird.
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WO 2014/ 209 994 A2 offenbart ein gedrucktes dreidimensionales Funktionsteil und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Funktionsteil umfasst eine 3D-Struktur, die ein Strukturmaterial umfasst. Wenigstens eine elektronisches Funktionsvorrichtung ist zumindest teilweise in die 3D-Struktur eingebettet. Die Funktionsvorrichtung verfügt über eine Basis, die an einer Innenfläche der 3D-Struktur befestigt ist. Ein oder mehrere leitfähige Filamente sind zumindest teilweise in die 3D-Struktur eingebettet und elektrisch mit der wenigstens einen elektronischen Funktionsvorrichtung verbunden. Es kann eine leitfähige Tinte verwendet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache, insbesondere automatisierbare, Möglichkeit zur Herstellung einer Verbindung von einer Elektronikkomponente innerhalb eines Gehäuses nach außerhalb des Gehäuses anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist bei einer Elektronikanordnung der eingangs genannten Art die Verbindung auf:
- eine aus einem elektrisch leitfähigen Durchkontaktierungsmaterial bestehende, abdichtende Durchkontaktierung durch eine Gehäusewand des Gehäuses,
- eine wenigstens teilweise sowohl auf der Gehäusewand als auch auf der Durchkontaktierung mit einem Tintenmaterial additiv gedruckte erste Leiterstruktur von der Elektronikkomponente zu der Durchkontaktierung, und
- - eine die Verbindung auf der der ersten Leiterstruktur gegenüberliegenden Seite der Gehäusewand fortsetzende, wenigstens teilweise sowohl auf der Gehäusewand als auch auf der Durchkontaktierung mit dem Tintenmaterial additiv gedruckte zweite Leiterstruktur,
- - wobei das Tintenmaterial auch nach Trocknung dehnbar ist.
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Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, die Vorteile einer bereits vorgefertigten, also in der Gehäusewand bereits bereitgestellten Durchkontaktierung mit denen des additiven Druckes von Leiterbahnen, Leiterstrukturen sowie gegebenenfalls auch Elektronikkomponenten auf Oberflächen zu verbinden, wobei derartige additive, auf diesbezüglich nicht bearbeitete Oberflächen zufügende Druckverfahren auch als „Printed Electronics“ bekannt sind. Beispielsweise können hierbei Siebdruckverfahren und/oder Massendruckverfahren und/oder Tintenstrahlverfahren und/oder sonstige im Stand der Technik bekannte Verfahren eingesetzt werden. Das Durchkontaktierungsmaterial wird beidseitig nebst der angrenzenden nichtleitenden Gehäuseoberfläche additiv mit Leiterbahnen bedruckt, um zumindest einen elektrisch leitenden Verbindungsabschnitt von innerhalb des Gehäuses nach außerhalb des Gehäuses zu führen. „Printed Electronics“ erlaubt dabei nicht nur das Aufbringen von Leiterbahnstrukturen und Elektronikkomponenten auf beliebige, nicht leitende Materialien, sondern auch auf das Durchkontaktierungsmaterial in dem Gehäuse, dessen Gehäusewand beispielsweise aus Kunststoff als Gehäusewandmaterial bestehen kann. Es können also zunächst auf der Oberfläche der Gehäusewand verlaufende, additiv gedruckte Leiterbahnen geschaffen werden, die mittels der Durchkontaktierung auf die Außenseite fortgesetzt werden, wobei diese leitende Stelle bereits vor dem Bedrucken mit den Leiterstrukturen in das nicht leitende Gehäusewandmaterial integriert wurde.
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Zusammenfassend wird also eine Konfiguration vorgeschlagen, in der zunächst in ein nichtleitendes Gehäusewandmaterial eine leitende Kontaktstelle als Durchkontaktierung mit einem Durchkontaktierungsmaterial integriert wurde, welche beidseitig mit leitfähiger Tinte additiv bedruckt wird. Hierbei wird in einem Zug additiv wenigstens eine Leiterbahn auf den Übergang zwischen leitendem Durchkontaktierungsmaterial und nicht leitendem Gehäusewandmaterial aufgebracht. Dabei sind insbesondere bereits Tintenmaterialien bekannt geworden, die auf letztlich beliebige Oberflächen additiv gedruckt werden können und die auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden können.
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Die Erfindung ermöglicht die Herstellung zumindest des Verbindungsabschnitts aus dem Gehäuse nach außen in einem vollständig automatisierten, insbesondere maschinellen, Prozess. Es ist kein kompliziertes manuelles Vorgehen erforderlich. Ferner sind keine komplizierten, aufwendigen Prozesse zur Bearbeitung des Gehäusewandmaterials, beispielsweise Ätzen oder dergleichen, notwendig, da das Tintenmaterial durch additiven Druck unmittelbar auf die bestehende Gehäuseoberfläche und die entsprechende Oberfläche der Durchkontaktierung aufgebracht werden kann. Insgesamt ergibt sich hierbei also auch ein großes Einsparungspotential und die Verbindung kann aufwandsarm hergestellt werden.
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Dabei ergibt sich eine besonders vorteilhafte Weiterbildung, wenn die erste Leiterstruktur vollständig additiv gedruckt ist. Das bedeutet, die wenigstens eine Leiterbahn der ersten Leiterstruktur, mittels der die Verbindung hergestellt ist, ist vollständig additiv auf bestehende Oberflächen gedruckt, um die Elektronikkomponente mit der Durchkontaktierung elektrisch zu verbinden. Auf diese Weise sind innerhalb des Gehäuses keinerlei zusätzliche Verkabelungen oder dergleichen mehr erforderlich. Dabei ist es in diesem Zusammenhang in Weiterbildung sogar denkbar, dass auch die Elektronikkomponente selbst additiv gedruckt ist. Dies ist beispielsweise für Sensoren, aber auch andere Bauelemente grundsätzlich bereits bekannt. In diesem Fall kann also auf besonders einfache, automatisierbare und ohne zusätzliche Kabel beziehungsweise Leitungen auskommende Art ein additiver Druck sowohl der Elektronikkomponente als auch der wenigstens einen Leiterbahn der ersten Leiterstruktur, die diese mit der Durchkontaktierung verbindet, insbesondere in einem Zug, ermöglicht werden.
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Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn wenigstens eine, insbesondere selbst additiv gedruckte, der wenigstens einen Elektronikkomponente an der Gehäusewand des Gehäuses angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung ist es ausreichend, den additiven Druck, also die „Printed Electronics“, auf der Oberfläche der Gehäusewand durchzuführen. Beispielsweise für selbst additiv gedruckte Sensoren ist an der Gehäusewand häufig ein geeigneter Ort für deren Anbringung vorhanden. Bei einem solchen Sensor kann es sich beispielsweise um einen Temperatursensor handeln. Doch auch für andere Bauteile als Elektronikkomponenten kann es zweckmäßig sein, den an der inneren Gehäuseoberfläche vorhanden Bauraum zu nutzen.
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Andererseits kann jedoch auch vorgesehen sein, dass wenigstens eine entfernt von der Gehäusewand angeordnete der wenigstens einen Elektronikkomponente über eine an der Gehäusewand angebrachte, insbesondere geklebte, innere Verbindungsfolie, insbesondere PET-Folie, mit der Gehäusewand verbunden ist, wobei die erste Leiterstruktur über die innere Verbindungsfolie additiv gedruckt ist. Mithin kann eine Folie, insbesondere aus PET, die flexibel und einfach verarbeitbar sowie handhabbar ist, verwendet werden, um die vollständig additiv gedruckte erste Leiterstruktur, konkret deren wenigstens eine Leiterbahn, von der Gehäuseoberfläche zu einem anderen Ort, beispielsweise einem Substrat oder Trägermaterial, auf dem die Elektronikkomponente angeordnet ist, zu führen, wobei es durchaus auch denkbar ist, die Elektronikkomponente, insbesondere falls diese selbst additiv gedruckt ist, ebenso auf diese Verbindungsfolie aufzubringen, die mithin als flexible Leiterplatte für die „Printed Electronics“ wirkt. Hierbei erlauben üblicherweise eingesetzte Tintenmaterialien durchaus auch gebogene Verläufe der Oberflächen, auf die sie additiv gedruckt werden, so dass derartige Verbindungsfolien gebogen und/oder sogar geknickt verlaufen können und dennoch elektrisch leitfähig verbunden bedruckt werden können. Insgesamt ergibt sich eine aufwandsarme realisierbare, der maschinellen Fertigung zugängliche, kostengünstig umsetzbare und ohne Dichtschwierigkeiten und manuelle elektrische Verbindungen über Leitungen auskommende Ausgestaltung.
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Entsprechend kann in vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung auch vorgesehen sein, dass auf der äußeren Gehäusewand eine äußere Verbindungsfolie, insbesondere PET-Folie, angebracht, insbesondere angeklebt, ist, wobei sich die zweite Leiterstruktur additiv gedruckt auf die äußere Verbindungsfolie fortsetzt. Auf diese Weise können auch außen an der äußeren Gehäuseoberfläche der Gehäusewand nicht-gedruckte Leitungen, Kabel und dergleichen vermieden werden. Insbesondere, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, ist es denkbar, die komplette elektrische Verbindung zu der Zielvorrichtung, insbesondere einer weiteren Elektronikkomponente, abgesehen von Durchkontaktierungen in Gehäusewänden durch additiven Druck auf nicht speziell vorbearbeitete Oberflächen zu realisieren. Dann kann mithin vollständig auf den Anschluss von Leitungen, Kabeln und dergleichen verzichtet werden.
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Nichtsdestotrotz sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass es grundsätzlich selbstverständlich auch möglich ist, die erste und/oder die zweite Leiterstruktur zu (insbesondere additiv gedruckten) Steckverbindern zu führen, an die dann mittels eines geeigneten, passenden Steckers fortsetzende Anteile der elektrischen Verbindung angeschlossen werden können. Bevorzugter ist es jedoch, insgesamt mit „Printed Electronics“ zu arbeiten, mithin ein Tintenmaterial additiv auf Oberflächen aufzudrucken.
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Bei der Verwendung von einer inneren und/oder äußeren Verbindungsfolie ist es vorteilhaft, wenn der Rand der inneren und/oder der äußeren Verbindungsfolie von dem Rand der Durchkontaktierung beabstandet ist, insbesondere wenigstens um 5 mm. Auf diese Weise wird eine versehentliche, wenigstens teilweise Überdeckung der Durchkontaktierung durch die Verbindungsfolie vermieden, was auch für gegebenenfalls auftretende zusätzliche Stufen am Rand der Durchkontaktierung gilt. Zudem sind die Übergänge von dem Durchkontaktierungsmaterial zu dem Gehäusewandmaterial und von dem Gehäusewandmaterial zu dem Verbindungsfolienmaterial räumlich getrennt, was Effekte wegen unterschiedlicher Materialeigenschaften reduziert.
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Generell kann gesagt werden, dass das Tintenmaterial und das Durchkontaktierungsmaterial unterschiedlich sein können. Während es grundsätzlich denkbar ist, Durchgangslöcher zur Herstellung der Durchkontaktierung auch mit Tintenmaterial zu füllen, wird es in vielen Fällen jedoch vorkommen, dass ein eher „klassisches“ Durchkontaktierungsmaterial, beispielsweise Kupfer, herangezogen wird. Es kann also ein Materialunterschied nicht nur zwischen dem Gehäusewandmaterial und dem Durchkontaktierungsmaterial, sondern auch zwischen den Durchkontaktierungsmaterial und dem additiv aufgedruckten Tintenmaterial bestehen.
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Das Tintenmaterial kann leitfähige, insbesondere mit Nanopartikeln veredelte, Partikel aufweisen. Gerade für die Verwendung auf unterschiedlichsten Oberflächen beziehungsweise Oberflächenmaterialien wurden bereits eine Vielzahl von Untersuchungen angestellt, die auch bei Materialübergängen und/oder Flexibilität des Oberflächenmaterials hervorragende Ergebnisse liefern, was die Leitfähigkeit angeht, insbesondere Kreisströme und/oder Kurzschlüsse vermeiden. Rein beispielhaft sei in diesem Zusammenhang auch auf die in einem Artikel von Nazmul Karim et al., All Inkjet-Printed Graphene-Silver Composite Ink on Textiles for Highly Conductive Wearable Electronics Applications", Scientific Reports 9 (2019), 8035, verwiesen, wo eine Veredelung von Graphen-Partikeln mit Silber-Nanopartikeln vorgeschlagen wird. Auch andere Arten von Nanopartikeln sind jedoch denkbar, beispielsweise Kupfer-Nanopartikel.
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Zweckmäßig ist es, wenn das Tintenmaterial leitfähige, insbesondere mit Nanopartikeln veredelte Partikel aufweist, wobei die leitfähigen Partikel gemäß einer Anordnungsvorgabe angeordnet sind. Auf diese Weise ist es insbesondere am Übergang zwischen dem nicht leitenden Gehäusewandmaterial und dem leitenden Durchkontaktierungsmaterial möglich, Anordnungen, die zu Kurzschlüssen führen könnten, zu vermeiden. Zweckmäßigerweise können sich die leitfähigen Partikel in dem noch zähflüssigen aufgedruckten Tintenmaterial gemäß der Anordnungsvorgabe in geordneten Bahnen anordnen, wie dies auch von leitfähigen Klebstoffen bereits bekannt ist. Dabei gibt es grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten, dies zu erreichen. So wurden zum einen Tintenmaterialien vorgeschlagen, bei denen die Anordnung inhärent durch eine Eigenschaft des Tintenmaterials erfolgt. In anderen Anwendungsfällen kann bei der Herstellung ein externes Magnetfeld eingesetzt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es ferner, dass das Tintenmaterial auch nach Trocknung dehnbar ist, insbesondere rissfest bis auf wenigstens die zweifache, bevorzugt wenigstens die dreifache Länge. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im Übergangsbereich zwischen dem Durchkontaktierungsmaterial und dem Gehäusewandmaterial über die Zeit noch Veränderungen auftreten können, beispielsweise durch sogenanntes „Arbeiten“ des Untergrunds. Hier ist es zweckmäßig, wenn das Tintenmaterial nach der Trocknung noch eine gewisse Dehnbarkeit aufweist, wie diese beispielsweise bei den bereits genannten Graphen-basierten, insbesondere veredelten Materialien der Fall ist.
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Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass, insbesondere bei einer derartigen dehnbaren Materialeigenschaft des Tintenmaterials, die Gehäusewand des Gehäuses auch zumindest teilweise flexibel sein kann, insbesondere auch in additiv bedruckten Bereichen, nachdem die Eigenschaften des Tintenmaterials eine bestimmte Flexibilität des Trägermaterials zulassen. Beispielsweise sind die in dem genannten Artikel von Nazmul Karim et al. beschriebenen Tintenmaterialien sogar für Textilien geeignet. Mithin eröffnet die Verwendung von „Printed Electronics“ auch den Einsatz letztlich beliebig flexibler Gehäusewandmaterialien bei deutlich verringertem Risiko eines Verbindungsabrisses.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass in dem Gehäuse auch weitere Komponenten angeordnet sein können. So kann beispielsweise im Fall eines Batteriemoduls in dem Gehäuse wenigstens eine Batteriezelle aufgenommen sein, die durch die Elektronikkomponente gesteuert und/oder überwacht werden kann. Dabei sei an diesem Zusammenhang auch darauf hingewiesen, dass die hier beschriebene Verbindungstechnologie bevorzugt im Niedrigspannungsbereich, beispielsweise bei Spannungen, die kleiner als 12 Volt sind, eingesetzt werden kann, um die Menge aufzubringenden Materials und/oder Leiterbahngrößen in Grenzen zu halten. Schließlich ist es selbstverständlich auch denkbar, entlang der elektrischen Verbindung weitere, insbesondere durch additives Drucken auf entsprechende Oberflächen gefertigte Elektronikbauteile vorzusehen, die beispielsweise eine Signalverarbeitung entlang des Übermittlungsweges erlauben. Auch hier bietet der Einsatz von „Printed Electronics“ erhöhte Flexibilität in der Anwendung und Ausgestaltung.
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Eine zweckmäßige, konkrete Ausgestaltung ergibt sich auch, wenn die Elektronikanordnung zwei Elektronikkomponenten in jeweiligen Gehäusen aufweist, die mittels der für jede Elektronikkomponente eine erste Leiterstruktur und eine zweite Leiterstruktur aufweisenden Verbindung verbunden sind. In einer derartigen Ausgestaltung, in der eine Elektronikkomponente jeweils als eine Zielvorrichtung der anderen verstanden werden kann, ist es also möglich, bis auf die zur Herstellung bereits bereitgestellten Durchkontaktierungen die gesamte Verbindungsstrecke zwischen der ersten und der zweiten Elektronikkomponente als „Printed Electronics“ vorzusehen, mithin die entsprechenden Leiterbahnen additiv auf eine bestehende Oberflächenverbindung zwischen den Elektronikkomponenten und einer Durchkontaktierung beziehungsweise den Durchkontaktierungen aufzubringen. Zur Verbindung zwischen den Gehäusen kann beispielsweise wenigstens eine äußere Verbindungsfolie eingesetzt werden. Es kann also insbesondere vorgesehen sein, dass die beiden ersten und die zweite Leiterstruktur vollständig additiv gedruckt sind. So ergibt sich eine robuste, kosten- und aufwandsarm umsetzbare, der Automatisierung zugängliche Elektronikanordnung.
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Wie bereits erwähnt, kann wenigstens eine der wenigstens einen Elektronikkomponente ein Sensor sein. Derartige Sensoren lassen sich insbesondere auch durch additiven Druck auf Oberflächen realisieren und können beispielsweise einen Temperatursensor, einen Drucksensor und dergleichen umfassen. Insbesondere in Kraftfahrzeugen werden derartige Sensoren häufig zur Überwachung eingesetzt und zusätzlich zu weiteren Komponenten in dem Gehäuse vorgesehen.
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Wenigstens eine der wenigstens einen Elektronikkomponente und ihre Gehäuse können einen Teil eines Batteriemoduls, insbesondere mit wenigstens einer Batteriezelle, bilden. Dabei kann die Elektronikkomponente beispielsweise der Überwachung und/oder der Steuerung dienen. Bei derartigen Batteriemodulen kann es auch zweckmäßig sein, flexible Gehäuse einzusetzen, wie oben bereits angesprochen wurde. Die wenigstens eine Elektronikkomponente und ihr Gehäuse können auch einen Teil einer Leistungselektronikkomponente des Kraftfahrzeugs bilden. Eine derartige Leistungskomponente kann beispielsweise ein Wandler, insbesondere ein Gleichspannungswandler und/oder ein Umrichter, sein. Hier können Elektronikkomponenten auch als Sensoren zur Überwachung und/oder als Steuereinheiten vorgesehen sein. In beiden Fällen gilt, dass bei Kraftfahrzeugen solche Elektronikkomponenten, insbesondere Sensoren und/oder Steuereinheiten, üblicherweise zusätzlich in den Gehäusen vorgesehen werden, wo zur Herstellung der dann notwendigen Verbindungen nach außen das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann, insbesondere im Hinblick auf gegebene Dichtigkeitsanforderungen in Kraftfahrzeugen und/oder spärlichen Bauraum. Gerade im Hinblick auf ein Einsparen von Bauraum werden unterschiedliche Gehäuse mit Elektronikkomponenten ohnehin häufig in Kraftfahrzeugen nahe beieinander montiert, so dass äußere Verbindungsfolien als Träger der zweiten Leiterstruktur zweckmäßig eingesetzt werden können.
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Neben der Elektronikanordnung betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, aufweisend wenigstens eine Elektronikanordnung der erfindungsgemäßen Art. Konkret kann die Elektronikanordnung Teil eines Hochspannungssystems des Kraftfahrzeugs sein und/oder wenigstens ein Batteriemodul und/oder wenigstens eine Leistungselektronikkomponente und/oder wenigstens ein Steuergerät umfassen. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Elektronikanordnung lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen und umgekehrt, so dass mit beiden die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum elektrischen Verbinden einer in einem Gehäuse angeordneten Elektronikkomponente für ein Kraftfahrzeug mit einer Zielvorrichtung, insbesondere einer anderen Elektronikkomponente, aufweisen folgende Schritte:
- - Bereitstellen des eine aus einem elektrisch leitfähigen Durchkontaktierungsmaterial bestehende, abdichtende Durchkontaktierung durch eine Gehäusewand aufweisenden Gehäuses,
- - Additives Drucken wenigstens eines Teils einer ersten Leiterstruktur von der Elektronikkomponente zu der Durchkontaktierung sowie auf der Gehäusewand als auch auf der Durchkontaktierung mit einem Tintenmaterial, wobei das Tintenmaterial auch nach Trocknung dehnbar ist, und
- - Additives Drucken wenigstens eines Teils einer eine die Verbindung auf der der ersten Leiterstruktur gegenüberliegenden Seite der Gehäusewand fortsetzenden zweiten Leiterstruktur sowohl auf der Gehäusewand als auch auf der Durchkontaktierung mit dem Tintenmaterial.
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Dabei lassen sich die Ausführungen zur erfindungsgemäßen Elektronikanordnung und zum erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ebenso analog auf das erfindungsgemäße Verfahren anwenden. Insbesondere ist es denkbar, die erste Leiterstruktur und/oder die zweite Leiterstruktur vollständig additiv mit dem Tintenmaterial auf die entsprechenden Oberflächen zu drucken und/oder auch wenigstens eine der wenigstens einen Elektronikkomponente durch additiven Druck zu implementieren. Der additive Druck kann durch ein Siebdruckverfahren und/oder ein Massendruckverfahren und/oder ein Tintenstrahlverfahren erfolgen.
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Insbesondere kann bezüglich wenigstens einer Verbindungsfolie jedoch vorgesehen sein, dass vor dem additiven Drucken wenigstens eine einen Teil der ersten und/oder wenigstens eine einen Teil der zweiten Leiterstruktur durch den additiven Druck aufnehmende Verbindungsfolie an der Gehäusewand, insbesondere beabstandet von der Durchkontaktierung, angebracht, insbesondere angeklebt, wird. Mithin ist vorgesehen, zunächst die Grundlage für die Schaffung der elektrischen Verbindung, also insbesondere eine durchgängige, bedruckbare Oberfläche, vollständig bereitzustellen, um dann in einem Zug die Leiterstrukturen und gegebenenfalls sogar die Elektronikkomponente zu drucken.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Elektronikanordnung,
- 2 eine Aufsicht auf eine innere Gehäusewand,
- 3 eine mögliche variierte Ausgestaltung im Inneren des Gehäuses,
- 4 zwei Durchkontaktierungen in einem Wandabschnitt der Gehäusewand, und
- 5 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Elektronikanordnung 1. Die Elektronikanordnung 1 umfasst ein Gehäuse 2 mit einer Gehäusewand 3, welches vorliegend beispielhaft das Gehäuse eines Batteriemoduls einer Kraftfahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeugs sein kann. Innerhalb des Gehäuses 2 ist eine Elektronikkomponente 4 angeordnet, die zur Überwachung und/oder Steuerung im Batteriemodul dienen kann. Beispielsweise kann es sich bei der Elektronikkomponente 4 um einen Sensor, insbesondere einen Temperatursensor, handeln. Auch eine Ausgestaltung als Steuereinheit ist möglich.
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In dem Gehäuse 2 können auch weitere Komponenten 5 untergebracht sein, im Fall eines Batteriemoduls beispielsweise eine Batteriezelle. Das Gehäuse 2 besteht vorliegend aus Kunststoff als Gehäusewandmaterial und kann auch wenigstens teilweise flexibel ausgestaltet sein und/oder Unebenheiten, beispielsweise eine Strukturierung, aufweisen.
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Um die Elektronikkomponente 4 mit einer Zielvorrichtung 6, beispielsweise einer weiteren Elektronikkomponente 7, elektrisch verbinden zu können, weist die Gehäusewand wenigstens eine, in vielen Fällen mehrere, vorgefertigte Durchkontaktierungen 8 auf, wobei die Durchkontaktierung 8 aus einem Durchkontaktierungsmaterial 9, beispielsweise Kupfer besteht. Die Durchkontaktierung 8 ist dabei dicht gehalten, insbesondere durch stoffschlüssige Verbindung des Durchkontaktierungsmaterials 9 und des Gehäusewandmaterials, hier Kunststoff. Beispielsweise kann die Durchkontaktierung 8 durch Umspritzen des Durchkontaktierungsmaterials 9 mit Kunststoff erzeugt werden. Auch andere Möglichkeiten zur Schaffung einer Durchkontaktierung 8 sind jedoch denkbar.
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Die Durchkontaktierung 8 bildet einen Teil einer elektrischen Verbindung zu der Zielvorrichtung 6, die auch eine erste Leiterstruktur 10 innerhalb des Gehäuses 2 und eine zweite Leiterstruktur 11 außerhalb des Gehäuses 2 umfasst, welche jeweils wenigstens eine Leiterbahn 12 aufweisen. Die Leiterbahnen 12 sowie gegebenenfalls weitere Komponenten der ersten und zweiten Leiterstruktur 10, 11 sind dabei durch additiven Druck auf Oberflächen gefertigt. Die vorliegend beispielhaft an der Gehäusewand 3 angeordnete Elektronikkomponente 4 ist auch durch additiven Druck unter Verwendung eines Tintenmaterials gedruckt worden. Sowohl die erste Leiterstruktur 10 als auch die zweite Leiterstruktur 11 überdecken wenigstens teilweise den Übergang zwischen der Durchkontaktierung 7 und der restlichen Gehäusewand 3, also dem Gehäusewandmaterial, sind mithin sowohl auf die Durchkontaktierung 8 als auch auf die Gehäusewand 3, konkret deren (diesbezüglich unbehandelte) Oberflächen, gedruckt. Hierbei verläuft die vollständig additiv gedruckte erste Leiterstruktur 10 vollständig auf der Gehäusewand 3 und kann in einem Zug, insbesondere auch in einem Zug mit der hier ebenso additiv gedruckten Elektronikkomponente 4, gedruckt sein.
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Was die zweite Leiterstruktur 11 angeht, ist auf die äußere Gehäuseoberfläche im dargestellten Ausführungsbeispiel in der Nachbarschaft der Durchkontaktierung 8 eine äußere Verbindungsfolie 13 aufgeklebt, die sich vorliegend gebogen von der Gehäusewand 3 abhebt und dazu dient, die zweite Leiterstruktur 11 zu der Zielvorrichtung 6 hinzuführen, ohne dass ein Kabel, eine Leitung oder dergleichen benötigt würden. Insbesondere kann die äu-ßere Verbindungsfolie 13, welche vorliegend aus PET besteht, sich bis zu einem Träger der Zielvorrichtung 6 fortsetzen, so dass dann auch die zweite Leiterstruktur 11 vollständig additiv gedruckt werden kann, und zwar auf der Durchkontaktierung 8 zbd der äußeren Oberfläche der Gehäusewand 3 und sich dann fortsetzend auf die äußere Verbindungsfolie 13 und den Träger der Zielvorrichtung 6. Handelt es sich bei der Zielvorrichtung 6 ebenso um eine Elektronikkomponente 7 der Elektronikanordnung 1, die in einem Gehäuse 2 angeordnet ist, führt die zweite Leiterstruktur 11 entsprechend zur dortigen Durchkontaktierung 8 und die elektrische Verbindung wird im Inneren dieses weiteren Gehäuses 2 mittels einer entsprechenden ersten, insbesondere wiederum vollständig additiv gedruckten, Leiterstruktur 10 fortgesetzt.
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Als Tintenmaterial, mit dem die Leiterstrukturen 10, 11 gedruckt wurden, wurde vorliegend ein leitfähige, insbesondere mit Nanopartikeln veredelte, Partikel aufweisendes Tintenmaterial verwendet, wobei die leitfähigen Partikel gemäß einer Anordnungsvorgabe angeordnet sind. Dies kann bei der Herstellung durch eine inhärente Eigenschaft des Tintenmaterials geschehen sein, kann aber auch bei der Herstellung durch ein externes Magnetfeld unterstützt werden. Das Tintenmaterial der ersten und der zweiten Leiterstruktur 11, 12 weist zudem auch nach Trocknung eine Dehnbarkeit auf, mittels der Veränderungen im Bereich der Durchkontaktierung 8 abgefangen werden können. Insbesondere ist das Tintenmaterial rissfest bis auf wenigstens die zweifache, bevorzugt wenigstens die dreifache, Länge.
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2 zeigt schematisch eine Aufsicht auf die innere Oberfläche der Gehäusewand 3 mit der Durchkontaktierung 8, der wenigstens einen Leiterbahn 12 der ersten Leiterstruktur 10 sowie der Elektronikkomponente 4.
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Wie 3 zeigt, muss die Elektronikkomponente 4 nicht zwangsläufig auf der Gehäusewand 3 angeordnet werden, sondern kann auch auf einem eigenen Träger 14 angeordnet sein. Dann kann auch innenseitig eine dann innere Verbindungsfolie 15 vorgesehen werden, die vorliegend auf der Gehäusewand 3 sowie auf dem Träger 14 angeklebt ist und über die sich die erste Leiterstruktur 10 ersichtlich in additiv gedruckter Weise fortsetzt, bis hin zu der Elektronikkomponente 4. Auch die innere Verbindungsfolie 15 kann aus PET bestehen.
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4 erläutert die Realisierbarkeit auch bei Verwendung einer unebenen Gehäuseoberfläche, wobei ein Abschnitt einer Gehäusewand 3 mit zwei Durchkontaktierungen 8 dargestellt ist, wobei die eine Durchkontaktierung 8 auf einer Erhöhung endet. Problemlos erlaubt es das additive Druckverfahren mit dem Tintenmaterial, die Leiterbahn 12 wieder von dieser Erhöhung herunterzuführen.
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Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass als Druckverfahren beispielsweise Siebdruckverfahren, Tintenstrahlverfahren und Massendruckverfahren verwendet werden können. Bei der Herstellung wird zunächst das Gehäuse 2 mit der Durchkontaktierung 8 bereitgestellt, wonach die Verbindungsfolien 13, 15 angebracht werden. Sodann kann, insbesondere in einem Zug, das additive Drucken der ersten und zweiten Leiterstruktur 10, 11 mit dem Tintenmaterial erfolgen.
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5 zeigt schließlich eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 16. Dieses weist wenigstens eine erfindungsgemäße Elektronikanordnung 1 auf, vorliegend als Teil eines Hochspannungssystems 17. Diese kann dann beispielsweise ein Batteriemodul 18 mit dem Gehäuse 2 und der Elektronikkomponente 4 darin aufweisen, wobei die Komponente 4 insbesondere ein Sensor ist. Bei der Zielvorrichtung 6 kann es sich beispielsweise um eine Elektronikkomponente 7 eines Batteriemanagement-Steuergeräts 19 handeln, beispielsweise einem Mikrochip oder dergleichen. Die elektrische Verbindung 20 umfasst hier die, gegebenenfalls über eine innere Verbindungsfolie 15 verlaufende, erste, vollständig additiv gedruckte Leiterstruktur 10, die Durchkontaktierung 8 und die zweite, gegebenenfalls wiederum vollständig additiv gedruckte Leiterstruktur 11. Die Verbindung zu einem Träger der Zielvorrichtung 6, welche beispielsweise Sensordaten der als Sensor ausgebildeten Elektronikkomponente 4 auswerten kann, kann über die äu-ßere Verbindungsfolie 13 bedruckbar hergestellt werden.
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Derartige Elektronikanordnungen 1 lassen sich auch für andere Komponenten im Kraftfahrzeug vorteilhaft realisieren, insbesondere dann, wenn die Elektronikkomponente 4 ein, insbesondere zusätzlich vorgesehenes, Überwachungs- und/oder Steuermittel darstellt. Ein Beispiel ist ein Gleichspannungswandler, ein Umrichter oder dergleichen des Hochspannungssystems 17.
