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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung mit einem Schaltungsträger.
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Ein
derartiger Schaltungsträger
ist geeignet zur Aufnahme von elektrischen Bauelementen und umfasst
elektrische Leiter, mittels derer eine elektrische Schaltungsanordnung
realisiert werden kann. Ein derartiger Schaltungsträger oder
auch eine Schaltungsvorrichtung mit einem derartigen Schaltungsträger ist
insbesondere bei mechatronischen Anwendungen in Kraftfahrzeugen
häufig
rauhen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. So können der Schaltungsträger bzw.
die Schaltungsvorrichtung beispielsweise eine elektronische Getriebesteuerung sein,
welche in einem Ölsumpf
eines Getriebes angeordnet ist oder auch eine elektronische Steuereinheit für eine Brennkraftmaschine
oder einen Elektromotor.
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Aus
der
EP 1 087 646 A2 ist
ein Schaltungsträger
bekannt mit einem Substrat aus Glas oder Stahl, der durch Emaillieren
mit einem Dielektrikum versehen ist. Das Substrat ist mit einer
leitfähigen
Beschichtung versehen, die durch einen Sinterprozess mit den benachbarten
Materialien verbunden ist. Insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen
ist eine kompakte Bauform eines Schaltungsträgers oder einer Schaltvorrichtung
aufgrund häufig
eng begrenzter Platzverhältnisse
und mit dem Ziel einer Gewichtsreduzierung sehr wichtig.
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In
der
US 5 565 262 A ist
eine elektrische Durchleitung in Substraten für doppelseitige und mehrlagige
gedruckte Schal tungen offenbart. Die elektrische Durchleitung wird
gegenüber
dem Substrat mittels einer Nickel-Oxid-Schicht und einer oder mehreren
Schichten aus Glas isoliert, die auf das Substrat aufgebracht und
durch Sintern verbunden sind.
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Aus
der
DE 34 18 155 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitenden Durchführungen
in emaillierten Metallplatten bekannt. Eine Abdeckkappe ist gasdicht
mit der emaillierten Metallplatte verbunden. Die emaillierte Metallplatte
dient als Träger
für ein
elektrisches Leitungsmuster und für Bauelemente.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsvorrichtung mit einem
Schaltungsträger
zu schaffen, die elektrische Bauelemente und elektrische Leiter,
die an dem Schaltungsträger
angeordnet sind, zuverlässig
schützt.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Eine
Schaltungsvorrichtung hat einen Schaltungsträger, wobei der Schaltungsträger ein
Substrat aus Stahl hat, das eine erste und zweite gegenüberliegende
Seite hat und das mindestens eine Ausnehmung von der ersten hin
zur zweiten Seite hat. Ferner hat der Schaltungsträger ein
Dielektrikum, das auf das Substrat von beiden Seiten und auf der
Wandung der mindestens einen Ausnehmung aufgebracht ist. Ein elektrischer
Leiter ist durch die mindestens eine Ausnehmung geführt. Dies
hat den Vorteil, dass Stahl kostengünstig, mechanisch belastbar
und einfach mechanisch bearbeitbar ist. Das Dielektrikum, welches
auf der Wandung der mindestens einen Ausnehmung aufgebracht ist,
gewährleistet,
dass der elektrische Leiter, der durch die Ausnehmung geführt ist,
elektrisch isoliert ist von dem Substrat aus Stahl. Das Durchführen des
elektrischen Leiters durch die Ausnehmung ermöglicht, dass auf beiden Seiten
des Substrats elektrische Bauelemente und/oder elektrische Leiterbahnen
angeordnet sein können.
Dadurch ist eine sehr kompakte Ausbildung des Schaltungsträgers bzw.
der Schaltungsvorrichtung möglich.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass auf dem Schaltungsträger elektrische
Bauelemente angeordnet sind und dass ein Deckel vorgesehen ist,
der zumindest in einem Teilbereich der ersten oder zweiten Seite
angeordnet ist und mit dem Schaltungsträger mittels Schweißen verbunden
ist. Dadurch ist ein sehr guter Schutz der elektrischen Bauelemente
und des elektrischen Leiters oder der elektrischen Leiter vor Umgebungseinflüssen gewährleistet.
Ferner weist eine derartige Schaltungsvorrichtung eine sehr gute
elektromagnetische Verträglichkeit
auf.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Schaltungsträgers sind
das Dielektrikum und der elektrische Leiter gesintert. Durch das
Sintern ist eine sehr gute Verbindung der Materialien gewährleistet und
einfach eine beliebige Geometrie des Dielektrikums und des elektrischen
Leiters ausbildbar. Ferner ist hierdurch einfach und zuverlässig eine
elektrische Isolierung des elektrischen Leiters in der Ausnehmung
hin zum Substrat gewährleistet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Schaltungsträgers ist
das Substrat mit einem Bezugspotential kontaktierbar und das Dielektrikum
so auf das Substrat aufgebracht, dass mindestens ein elektrisches
Bauelement mit dem Substrat kontaktierbar ist. Dadurch kann der
Schaltungsträger
noch kompakter ausgebildet werden und die elektromagnetische Verträglichkeit
einer darauf angeordneten Schaltungsanordnung verbessert werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Schaltungsträgers ist
der elektrische Leiter auf zumindest einer Seite des Substrats mit
einer Schicht aus Dielektrikum überzogen,
die so die Funktion einer Passivierungsschicht übernimmt und den elektrischen
Leiter vor schädlichen
Umgebungseinflüssen schützt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Schaltungsträgers ist
das Dielektrikum Glas. Dies hat den Vorteil, dass Glas besonders
gut geeignet ist zum elektrischen Isolieren.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsvorrichtung
ist ein elektrischer Steckkontakt außerhalb des durch den Deckel
abgedeckten Teilbereichs der ersten oder zweiten Seite angeordnet
und die elektrische Kontaktierung des elektrischen Steckkontakts
mit dem Schaltungsträger
ist durch mindestens eine Ausnehmung geführt, ohne durch den Deckel
hindurch zu treten. Dies hat den Vorteil, dass auf eine aufwändige Dichtung
der Leiter beim Durchtritt durch den Deckel verzichtet werden kann.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsvorrichtung mit einem Schaltungsträger,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Schaltungsvorrichtung,
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
der Schaltungsvorrichtung,
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel
der Schaltungsvorrichtung und
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5 ein
Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Herstellen des Schaltungsträgers.
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Elemente
gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Eine
Schaltungsvorrichtung (1) hat einen Schaltungsträger mit
einem Substrat 1 aus Stahl. Das Substrat 1 hat
Ausnehmungen 2, 3, welche von einer ersten Seite 5 des
Substrats 1 hin zu einer zweiten Seite 7 des Substrats
durch dieses hindurchgeführt
sind. Ein Dielektrikum 9 ist auf das Substrat 1 von
beiden Seiten und im Bereich der Wandungen der Ausnehmungen 2, 3 aufgebracht.
Das Dielektrikum 9 ist vorzugsweise Glas und ist bevorzugt
in Form von Paste aufgebracht und anschließend gesintert.
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In
die Ausnehmungen 2 und 3 sind ferner elektrische
Leiter 11, 13 eingebracht. Diese sind ebenfalls
bevorzugt in Form einer Paste mit elektrisch leitfähigem Material
eingebracht und anschließend
gesintert. Durch die ersten und zweiten elektrischen Leiter 11, 13 können Bereiche,
die beidseitig des Substrats 1 angeordnet sind und elektrisch
leitfähig
sind, elektrisch leitend miteinander verbunden werden. So ist beispielsweise
ein elektrisches Bauelement 23 elektrisch leitend zum einen
mit dem ersten elektrischen Leiter und zum anderen mit dem zweiten
elektrischen Leiter 13 elektrisch leitend verbunden. Das
Bauelement 23 kann beispielsweise ein elektrischer Widerstand,
ein Kondensator, eine Spule, aber auch ein anderes Bauelement oder
ein integrierter Schaltkreis sein. Das Bauelement 23 ist
zumindest teilweise in Auflage mit einem Bereich 17, der
ebenfalls mit Dielektrikum versehen ist. Ferner sind auch weitere
Bereiche 15, 19 mit Dielektrikum versehen. Ferner
ist ein als Dickschichtwiderstand ausgebildetes elektrisches Bauelement 25 vorgesehen,
welches elektrisch leitend mit dem zweiten elektrischen Leiter verbunden
ist. Die ersten und zweiten elektrischen Leiter 11, 13 sind
auf der Unterseite des Schaltungsträgers mit einer weiteren Schicht 27 aus Dielektrikum überzogen,
welche den ersten elektrischen Leiter 11 und den zweiten
elektrischen Lei ter 13 vor Umgebungseinflüssen, wie
z. B. ätzende
Medien, schützt.
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Mit
der Unterseite des Schaltungsträgers wird
der Bereich in 1 bezeichnet, der sich in 1 unterhalb
der zweiten Seite 7 des Substrats 1 befindet.
Mit Oberseite wird der Bereich des Schaltungsträgers bezeichnet, der sich in 1 oberhalb der
ersten Seite 5 bezogen auf das Substrat 1 befindet.
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Auf
der Oberseite ist ein Deckel 29 aufgebracht und mittels
einer Schweißnaht 31 mit
dem Substrat aus Stahl verschweißt. Der Deckel ist ebenfalls
vorzugsweise aus Stahl hergestellt. So sind die elektrischen Bauelemente 23, 25 und
die ersten und zweiten elektrischen Leiter 11, 13 auf
der Oberseite des Schaltungsträgers
dicht und dauerhaft gegen Umgebungseinflüsse abgedichtet. Ferner ergibt
sich hieraus auch eine wirksame Verbesserung der elektromagnetischen
Verträglichkeit,
da der Deckel 29 und das Substrat 1 die auf der
Oberseite befindlichen Bauelemente und elektrischen Leiter wirksam
abschirmen.
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In 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Schaltungsvorrichtung dargestellt, welches sich von der ersten Schaltungsvorrichtung
dadurch unterscheidet, dass auf der Unterseite auf der Schicht 27 aus
Dielektrikum ein Steckerteil 30 angeordnet ist, dessen
Steckkontakte elektrisch leitend mit dem ersten elektrischen Leiter 11 bzw.
dem zweiten elektrischen Leiter 13 verbunden sind. Dies
hat den Vorteil, dass die Schaltungsvorrichtung mit der Oberseite
in ein gegebenenfalls aggressives Medium eingebaut werden kann,
welches vorteilhafterweise auch zur Kühlung des Substrats und der
Bauelemente beiträgt,
und andererseits ein entsprechendes Gegensteckteil auf der Unterseite
kontaktierbar ist. Dadurch kann auf eine ansonsten aufwendige Durchführung der
elektrischen Leiterbahnen durch den Deckel 29 verzichtet
werden.
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3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der
Schaltungsvorrichtung, bei der auch auf der Unterseite ein oder
mehrere elektrische Bauelemente 33 angeordnet sind. Durch
eine beidseitige Bestückung
des Schaltungsträgers
mit elektrischen Bauelementen 33, 23, 25 kann
ein äußerst kompakter
Aufbau gewährleistet
werden, d. h. die benötigte
Substratfläche
gering gehalten werden. Ein zweiter Deckel 35 ist auf der
Unterseite des Schaltungsträgers
angeordnet und mittels einer weiteren Schweißnaht 37 mit dem Substrat 1 verbunden.
Auch der zweite Deckel 35 ist bevorzugt aus Stahl hergestellt.
Alternativ kann jedoch der erste und auch der zweite Deckel sich
nur über
einen kleineren Teilbereich erstrecken und gegebenenfalls andere
Bereiche, auf denen elektrische Leiter angeordnet sind, mit einer
weiteren Schicht aus Dielektrikum zur Passivierung versehen sein.
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In
einem vierten Ausführungsbeispiel
der Schaltungsvorrichtung ist eine weitere Schicht Dielektrikum 39 vorgesehen,
so dass sich auf der Unterseite eine so genannte Multi-Layer-Struktur mit entsprechenden
Freiheitsgraden zur Führung
der elektrischen Leiter ergibt. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein dritter
elektrischer Leiter 41 von der Oberseite des Schaltungsträgers durch
die zweite Ausnehmung 3 und durch die weitere Schicht 39 des
Dielektrikums hindurch geführt.
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In 5 ist
der Ablauf der Herstellung einer Schaltungsvorrichtung nach einem
der vorangehenden Ausführungsbeispiele
dargestellt. In einem Schritt S1 wird das Substrat 1 aus
Stahl, das eine erste Ausnehmung 2 und eine zweite Ausnehmung 3 hat,
auf der ersten und zweiten Seite mit einer Paste aus Dielektrikum,
vorzugsweise mit einem hohen Glasbestandteil, versehen, die zum
Sintern geeignet ist.
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In
einem Schritt S2 wird die erste Seite mit einem derartig höheren Umgebungsdruck
beaufschlagt als die zweite Seite 7, dass die Paste in
die Wandungen der Ausnehmungen 2, 3 gezogen wird und
gleichzeitig die Ausnehmungen 2, 3 noch einen von
Paste freien Querschnitt aufweisen.
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In
einem Schritt S3 wird dann der Schaltungsträger gesintert, vorzugsweise
bei einer Einbrenntemperatur von ca. 850°C. Die Einbrenntemperatur wird
dabei abhängig
von der Zusammensetzung der Paste gewählt, die das Dielektrikum bildet.
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Bevorzugt
wird dann in einem Schritt S4 geprüft, ob die Schritte S1 bis
S3 bereits ein zweites Mal durchlaufen wurden. Wenn dies nicht der
Fall ist, so werden die Schritte S1 bis S3 erneut durchgeführt. Anderenfalls
wird die Bearbeitung in dem Schritt S5 fortgesetzt. Ein zwei- oder
mehrmaliges Durchführen der
Schritte S1 bis S3 hat den Vorteil, dass die ersten und zweiten
Leiter 11, 13 noch besser elektrisch isoliert
sind im Bereich der Wandung der Ausnehmungen 2, 3 gegenüber dem
Substrat 1 aus Stahl. Es ergibt sich damit somit eine erhöhte Durchschlagfestigkeit,
so dass ein äußerst sicherer
Betrieb auch bei höheren
Betriebsspannungen wie einem 42 V-Netz in einem Kraftfahrzeug möglich ist.
Darüber
hinaus können
so auch Druckfehler beim Aufbringen der Paste korrigiert werden.
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In
einem Schritt S5 wird Leitpaste in die erste und zweite Ausnehmung 2, 3 und
auf dafür
vorgesehene Bereiche auf der Oberseite und der Unterseite des Schaltungsträgers aufgebracht.
In einem Schritt S6 wird daraufhin der Schaltungsträ ger erneut
gesintert. Die Schritte S5 und S6 können gegebenenfalls bezüglich des
Aufbringens weiterer Schichten von Dielektrika und/oder Leitpaste
noch mehrfach wiederholt werden, wodurch sich dann auf der Unterseite und/oder
der Oberseite eine so genannte Multi-Layer-Struktur ergibt. Dadurch
lassen sich dann besonders platzsparend auch komplexe Schaltungsanordnungen
realisieren. In einem Schritt S7 wird dann gegebenenfalls noch eine
Schicht aus Dielektrikum aufgebracht, die die elektrischen Leiter 11, 13, 41 gegenüber Umgebungseinflüssen schützt. Diese Schicht
wird dann erneut gesintert. Alternativ oder zusätzlich kann auf die Unterseite
und/oder die Oberseite auch ein erster Deckel 29 und/oder
zweiter Deckel 35 aufgebracht werden, der dann vorzugsweise mittels
einer Schweißverbindung,
die vorzugsweise durch Laserschweißen hergestellt wird, mit dem
Substrat 1 umlaufend um den Deckel verbunden wird. Das
Substrat 1 kann dann anschließend oder auch schon in einem
vorangehenden Schritt noch mit Befestigungsmitteln, wie beispielsweise
einem Gewinde, versehen werden, so dass die Schaltungsvorrichtung
dann direkt mittels geeigneter Schrauben an einem geeigneten Einbauort,
so z. B. einem Motorblock oder einem Getriebegehäuse, befestigt werden kann.
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Die
Erfindung ist nicht auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Darüber
hinaus können
die Ausführungsbeispiele
beliebig miteinander kombiniert werden. Das Substrat 1,
das aus Stahl besteht, kann z. B. kostengünstig durch Stanzen in seine äußere Form
gebracht werden und mit beliebig vielen Ausnehmungen versehen werden.
Alternativ können
die Ausnehmungen auch durch Bohren oder Laserbohren hergestellt
werden.
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- 1
- Substrat
- 2,
3
- Ausnehmung
- 5
- erste
Seite
- 7
- zweite
Seite
- 9
- Dielektrikum
- 11,
13
- erster,
zweiter elektrischer Leiter
- 15,
17, 19
- mit
Dielektrikum versehene Bereiche
- 23,
25, 33
- elektrisches
Bauelement
- 27
- Schicht
aus Dielektrikum
- 29
- Deckel
- 31
- Schweißnaht
- 35
- weiterer
Deckel
- 37
- weitere
Schweißnaht
- 39
- Schicht
Dielektrikum
- 41
- dritter
elektrischer Leiter