DE112018001014T5

DE112018001014T5 - Elektronische steuervorrichtung

Info

Publication number: DE112018001014T5
Application number: DE112018001014.7T
Authority: DE
Inventors: Yoko Ohkubo; Hideyuki Sakamoto; Yuusaku Katsube
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2019-11-14
Also published as: JPWO2018179799A1; WO2018179799A1; CN110463372A; US20200060050A1; US11122717B2; JP6906045B2

Abstract

Um in einer fahrzeugseitigen Steuervorrichtung eine Abschirmwirkung gegen Geräusche zu erhalten, die von einem elektronischen Bauteil abgestrahlt werden, umfasst die vorliegende Erfindung: ein elektronisches Bauteil 103; ein Metallgehäuse 101, das zumindest einen Teil des elektronischen Bauteils 103 bedeckt; einen Metallabschnitt 105, der so vorgesehen ist, dass sich das elektronische Bauteil 103 zwischen dem Metallabschnitt 105 und dem Metallgehäuse 101 befindet; und eine Abschirmstruktur, die Strahlungsrauschen vom elektronischen Bauteil 103 durch elektrostatische kapazitive Kopplung abschirmt, die zwischen dem Metallabschnitt 105 und dem Metallgehäuse 101 gebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Steuervorrichtung.
Stand der Technik
Im Inneren von elektronischen Steuervorrichtungen gibt es eine Leiterplatte, auf der eine Halbleitervorrichtung usw. angebracht ist, und durch den Betriebsstrom der Halbleitervorrichtung wird unnötiges Strahlungsrauschen erzeugt. Es ist wünschenswert, dass dieses Strahlungsrauschen so gering wie möglich ist, damit andere Vorrichtungen nicht dadurch beeinträchtigt werden. Das Toleranzniveau eines solchen Strahlungsrauschens wird vom Comité international special des perturbations radioelectriques (CISPRE) normiert, bei dem es sich um einen Sonderausschuss der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) handelt, und es wird eine Spezifikation für Strahlungsrauschen von an Kraftwögen angebrachten Bauteilmodulen für Frequenzen bis zu 960 MHz erstellt.
Ein Mittel zum Unterdrücken von Strahlungsrauschen besteht darin, Abschirmgehäuse zum Abdecken von Leiterplatten zu verwenden. In der Zusammenfassung der Patentliteratur 1 wird angegeben, dass „ein Abschirmbereich 6 durch Standflächenabschnitte 3 gebildet wird, die von einer Oberfläche eines Gehäuses 1 und Seitenflächen 5 des Gehäuses 1 vorstehen, ein Substrat 7 mit darauf angebrachten elektronischen Bauteilen sich fixierbar im Inneren dieses Abschirmbereichs 6 befindet, eine Abdeckung 2, die die Oberseite des Abschirmbereichs 6 bedeckt, vorgesehen ist, um die Standflächenabschnitte 3 und die Seitenflächen 5 des Gehäuses 1 zu berühren, und das Substrat 7 mit darauf angebrachten elektronischen Bauteilen von den Standflächenabschnitten 3, den Seitenflächen 5 des Gehäuses 1 und der Abdeckung 2 bedeckt ist.
Literaturstellenliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: JP 2001-53482 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei einer elektronischen Steuervorrichtung, die für Kraftwagen verwendet werden soll, ist es notwendig, den Einfluss von Vibrationen, wie z.B. Rauschen, zu reduzieren. Wenn das Gehäuse keine ausreichende Festigkeit und Verarbeitungsgenauigkeit aufweist, können sich in der Patentliteratur 1 das Gehäuse und die Abdeckung durch den Einfluss von Vibrationen verziehen, und Teile der Abdeckung und des Gehäuses, die nahe beieinander liegen, mit Ausnahme des verschraubten Teils, können aneinanderstoßen und ein Geräusch erzeugen. Daher werden Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise die Erhöhung der Festigkeit und Verarbeitungsgenauigkeit oder die Anordnung des Gehäuses und der Abdeckung voneinander entfernt, in Betracht gezogen, so dass auch bei Vibrationen von Gehäuse und Abdeckung kein Aneinanderstoßen an irgendeinem anderen Teil als dem verschraubten Teil auftritt. Allerdings würden die Kosten mit der ersten Gegenmaßnahme steigen, und es würde mit der zweiten Gegenmaßnahme zu einem Strahlungsrauschen aus den Lücken zwischen dem Gehäuse und dem Sockel kommen.
Die vorliegende Erfindung erfolgte im Hinblick auf die oben genannten Probleme und zielt darauf ab, in einer Fahrzeugsteuervorrichtung eine Abschirmwirkung gegen Rauschen zu erhalten, das von einem elektronischen Bauteil abgestrahlt wird.
Lösung des Problems
Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, weist die vorliegende Erfindung beispielsweise auf: ein elektronisches Teil; ein Metallgehäuse, das zumindest einen Teil des elektronischen Bauteils bedeckt; einen Metallabschnitt, der so vorgesehen ist, dass sich das elektronische Bauteil zwischen dem Metallabschnitt und dem Metallgehäuse befindet; und eine Abschirmstruktur, die Strahlungsrauschen vom elektronischen Bauteil durch eine zwischen dem Metallabschnitt und dem Metallgehäuse gebildete elektrostatische kapazitive Kopplung abschirmt.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann in einer Fahrzeugsteuervorrichtung eine Abschirmwirkung gegen ein Rauschen, das von einem elektronischen Bauteil abgestrahlt wird, erzielt werden.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht einer elektronischen Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Draufsicht auf die elektronische Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Diagramm, das elektromagnetische Wellen, die von einer Rauschquelle abgegeben werden, und Ströme im Inneren des Metalls in der elektronischen Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreibt.
4 zeigt in Bezug auf die elektronische Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Versuchsergebnisse, die durch das Messen von Emissionsniveaus mit einer tatsächlichen Vorrichtung erzielt wurden.

Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform bezieht sich auf eine elektronische Steuervorrichtung, die in einem Kraftwagen, einer Baumaschine oder dergleichen verwendet wird und auf der eine Halbleitervorrichtung angebracht ist.
1 ist eine Querschnittsansicht der elektronischen Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die elektronische Steuervorrichtung ist so konfiguriert, dass sie ein Metallgehäuse 101 und ein Substrat 102 aufweist.
Das Substrat 102 weist in seinem Inneren ein innenschichtiges Kupferfolienmuster (Metallabschnitt) 105 auf. Kupferfolienmuster (nicht dargestellt) sind auch an der Oberfläche auf beiden Seiten des Substrats 102 vorhanden, und eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen 103 ist auf diesen Kupferfolienmustern aufgebracht und verlötet. Das innenschichtige Kupferfolienmuster 105 im Inneren des Substrats 102 dient als Masse der elektronischen Steuervorrichtung und hat eine Form, die der Außenform des Substrats 102 weitgehend ähnlich ist, und ist so ausgebildet, dass die gesamte Innenschicht dadurch überstrichen wird. Die Kupferfolienmuster an der Oberfläche und im Inneren sind je nach gewünschter Schaltung durch Durchgangslöcher usw. elektrisch verbunden.
Inzwischen wird Aluminiumdruckguss mit seinem geringen Gewicht und seiner hohen Verarbeitbarkeit für das Metallgehäuse 101 empfohlen. Das Metallgehäuse 101 hat eine behälterartige Form und weist im Inneren einen Anbringungsabschnitt 107 zum Installieren des Substrats 102 auf.
Das Substrat 102 ist mit Lötstopplack versehen, der auf seine Oberflächen aufgebracht ist. Der Lötstopplack wurde im Leiterplatten-Herstellungsprozess aufgebracht. Der Lötstopplack dient dazu zu verhindern, dass das Lot an Kupferfolienmustern, bei denen es sich nicht um Kontaktstellen handelt, an denen das Lot eine elektrische Verbindung herstellt und Kurzschlüsse bildet, während des oben beschriebenen Lötverbundes der elektronischen Bauteile anhaftet. Zumindest ein Kontaktabschnitt 106 zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101 ist durch den Lötstopplack abgedeckt und eine Breite 108 des Lötstopplacks ist größer als eine Kontaktbreite 109 zwischen dem Anbringungsabschnitt 107 und dem Substrat 102 am Kontaktabschnitt 106, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101 verhindert wird.
Eine Strahlungsrauschquelle 104 ist ein Steuerprozessor, eine großflächige integrierte Schaltung (LSI), ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA), ein Speicher, ein Abschlusswiderstand einer Taktleitung oder dergleichen und erzeugt elektromagnetisches Rauschen an deren Peripherie, wenn ein Strom mit einer großen Änderungsrate vorübergehend hindurchfließt. Die Strahlungsrauschquelle 104 ist in einem von dem Metallgehäuse 101 und dem innenschichtigen Kupferfolienmuster 105 im Inneren des Substrats 102 umgebenen Abschirmraum 110 installiert, so dass das elektromagnetische Rauschen nicht nach außen entweichen kann. Das heißt, die Strahlungsrauschquelle 104 ist so angeordnet, dass sie der Unterseite des Metallgehäuses 101 zugewandt ist, das eine behälterartige Form aufweist.
2 ist eine Draufsicht auf die elektronische Steuervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
Wie in 2(a) dargestellt ist, wird das Substrat 102 am Anbringungsabschnitt 107 des Metallgehäuses 101 angebracht, nachdem die elektronischen Bauteile 103 durch Löten angebracht wurden, und mit Befestigungselementen, wie beispielsweise Schrauben 111, am Metallgehäuse 101 befestigt. Die Strahlungsrauschquelle 104 ist auf der Rückseite des Substrats 102 angebracht und befindet sich in einer Position, die in 2(a) nicht sichtbar ist. Es ist zu beachten, dass die Anzahl der zur Befestigung verwendeten Schrauben 110 und die Befestigungspositionen beliebig bestimmt werden können und es vorteilhaft ist, die Anzahl der Schrauben und Befestigungspositionen aus Sicht der Herstellungskosten so weit wie möglich zu reduzieren.
Bei 2(b) handelt es sich um ein Diagramm, das den Abschnitt (Kontaktabschnitt) 106 des Kontakts zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101 darstellt. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, ist die Seite des Substrats 102 mit Lötstopplack bedeckt und wird eine elektrische Verbindung zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101 verhindert. Weiterhin dient das innenschichtige Kupferfolienmuster 105 im Inneren als Masse der elektronischen Steuervorrichtung und hat eine Form, die der äußeren Form des Substrats 102 weitgehend ähnlich ist, und ist so ausgebildet, dass die gesamte innere Schicht damit überstrichen ist.
Am Kontaktabschnitt 106 zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101 sind zwei Metallteile, d.h. das innenschichtige Kupferfolienmuster 105 des Substrats 102 und des Metallgehäuses 101, einander zugewandt und bilden eine elektrostatische Koppelkapazität C, die die Beziehung im folgenden Ausdruck erfüllt.
(Gleichung 1) $C = ε S / d$
Hier ist s die Fläche des Kontaktabschnitts 106 zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101, die in 2(b) dargestellt ist. Die Fläche s wird durch die Breite und die Länge des äußeren Umfangs des Kontaktabschnitts 106 bestimmt, d ist der Abstand zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101. ε ist die Dielektrizitätskonstante zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101 und ist ein fester Wert. Daher ist die am Kontaktabschnitt 106 zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101 gebildete elektrostatische Koppelkapazität C proportional zur Fläche des Kontaktabschnitts 106 zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101 und ist umgekehrt proportional zur Entfernung zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101.
3 ist ein Diagramm, das elektromagnetische Wellen, die von der Rauschquelle abgestrahlt werden, und Ströme im Inneren des Metalls in der elektronischen Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschreibt.
In 3, wenn elektromagnetische Wellen 112 von der Strahlungsrauschquelle 104 abgestrahlt werden, fließt ein Strom 113 in der Oberfläche des Metallgehäuses 101, so dass die elektromagnetischen Wellen 112 gelöscht werden. Der im Metallgehäuse 101 fließende Strom 113 wird an einer Kante A wieder abgestrahlt. Wenn die Grenzen A und A' des Metallgehäuses 101 und des Substrats 102 nahe beieinander sind, wird der Strom 113 im Metallgehäuse 101 an der Kante A wieder abgestrahlt. Wenn die Grenzen A und A' des Metallgehäuses 101 und des Substrats 102 nahe beieinander liegen, wird der Strom 113 im Metallgehäuse 101 aufgrund der kapazitiven Kopplung C zu einem Strom 115, der in dem innenschichtigen Kupferfolienmuster 105 im Substrat 102 fließt, und es wird möglich, eine Strahlung nach außen zu verhindern.
zeigt in Bezug auf die elektronische Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform Versuchsergebnisse, die durch das Messen von Emissionsniveaus unter Verwendung einer tatsächlichen Vorrichtung erzielt wurden.
4(b) zeigt Emissionsniveaus, die von einer (nicht veranschaulichten) Antenne empfangen werden, die an der Außenseite der elektronischen Steuervorrichtung installiert ist, wenn der Abstand d zwischen dem Substrat 102 mit der darauf angebrachten Strahlungsrauschquelle und dem Metallgehäuse 101 in 4(a) auf 0 mm, 0,5 mm und 1,0 mm eingestellt wurde. Wie die Emissionsniveaus in 4(b) zeigen, wurde bestätigt, dass im 1 GHz und 1,46 GHz Band die Koppelkapazität kleiner wird und das Emissionsniveau entsprechend dem Abstand d zunimmt, wenn der Abstand zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101 von 0 mm auf 0,5 mm und dann auf 1,0 mm erhöht wird.
Wenn das Metallgehäuse 101 und das Substrat 102 nahe beieinander liegen, kann durch die kapazitive Kopplung C am Kontaktabschnitt 106 eine Strahlung nach außen verhindert werden. Der Abstand d zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101 ist jedoch begrenzt, da die Befürchtung besteht, dass das Metallgehäuse 101 und das Substrat 102 aufgrund von Verformungen beim Auftreten von Vibrationen in Kontakt kommen können. Zur Sicherung der Breite des Kontaktabschnitts 106 und im Hinblick auf die Integrität der Abschirmung ist es daher wünschenswert, dass sich der Metallabschnitt 105 und das Metallgehäuse 101 über den gesamten Umfang der Außenkante des Substrats 102 ohne Öffnungen einander zugewandt sind.
Es ist zu beachten, dass es, um die elektrostatische Kapazität des Kontaktabschnitts 106 zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101 zu sichern, wünschenswert ist, dass es kein Durchgangsloch/Oberflächenmuster in/auf dem Substrat 102 am Kontaktabschnitt 106 gibt. Weiterhin handelt es sich bei der Strahlungsrauschquelle 104 um einen Steuerprozessor, einen Speicher, einen Abschlusswiderstand einer Taktleitung, eine Kommunikationsschaltung oder eine Stromversorgungsschaltung, und es ist wünschenswert, dass diese an der Oberfläche gegenüber einer Anbringungsfläche eines Harzverbinders montiert werden.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform beinhaltet beispielsweise: ein Metallgehäuse 101; ein Substrat 102; eine Strahlungsrauschquelle 104; einen Metallabschnitt (innenschichtiges Kupferfolienmuster) 105, der im Inneren des Substrats 102 vorgesehen ist; einen Kontaktabschnitt 106 zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101; und einen Abschirmraum 110.
Die Strahlungsrauschquelle 104 ist auf dem Substrat 102 angebracht, und die Oberfläche, auf der die Strahlungsrauschquelle 104 montiert ist, ist durch das Metallgehäuse 101 abgedeckt. Die Strahlungsrauschquelle 104 ist im Inneren des Abschirmraums 110 angeordnet, der durch das Metallgehäuse 101 und den im Substrat 102 vorgesehenen Metallabschnitt 105 gebildet wird. Der Metallabschnitt 105 und das Metallgehäuse 101 sind durch elektrostatische Kapazität am Kontaktabschnitt 106 zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101 gekoppelt.
Weiterhin sind der Metallabschnitt 105 und das Metallgehäuse 101 zumindest am äußeren Umfangsrand des Substrats 102 einander zugewandt und durch eine durch die Breite und die äußere Umfangslänge des Kontaktabschnitts 106 bestimmte elektrostatische Kapazität gekoppelt, um den Abschirmraum 110 zu bilden.
Es ist zu beachten, dass es im Hinblick auf die Integrität der Abschirmung wünschenswert ist, dass der Kontaktabschnitt 106 dem Substrat 102 über den gesamten Umfang der Außenkante des Substrats 102 ohne Öffnungen zugewandt ist, d.h. dass es wünschenswert ist, dass der Kontaktabschnitt 106 geschlossen ist.
Der Metallabschnitt 105 kann aus einem Kupferfolienmuster gebildet werden, das im Inneren des Substrats 102 vorgesehen ist, und kann eine Masse- oder Stromquelle einer elektronischen Steuervorrichtung sein, die sich an einer inneren Schicht oder Oberflächenschicht des Substrats 102 befindet und eine große Fläche aufweist.
Um die elektrostatische Kapazität am Kontaktabschnitt 106 zwischen dem Substrat 102 und dem Metallgehäuse 101 zu sichern, ist es wünschenswert, dass in/auf dem Substrat 102 am Kontaktabschnitt 106 kein Durchgangsloch/Oberflächenmuster vorhanden ist. Weiterhin ist die Strahlungsrauschquelle 104 ein Steuerprozessor, eine LSI, ein FPGA, ein Speicher, ein Abschlusswiderstand einer Taktleitung, eine Kommunikationsschaltung oder eine Stromversorgungsschaltung, und es ist bevorzugt, dass diese an der Oberfläche gegenüber einer Anbringungsfläche eines Harzverbinders montiert wird.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann in einer Fahrzeugsteuervorrichtung eine Abschirmwirkung gegen ein von einem elektronischen Bauteil abgestrahltes Rauschen erzielt werden. Darüber hinaus können neben der Abschirmwirkung eine Gehäusestruktur und ein Anbringungsverfahren realisiert werden, mit denen auch eine Kostenreduzierung für einen Kontaktabschnitt zwischen den Bauteilen realisiert werden kann, der die Abschirmfläche bildet.
Bezugszeichenliste

101: Metallgehäuse
102: Substrat
103: elektronische Bauteile
104: Strahlungsrauschquelle
105: innenschichtiges Kupferfolienmuster (Metallabschnitt)
106: Kontaktabschnitt
107: Anbringungsabschnitt
108: Breite des Lötstopplacks
109: Breite des Substratkontakts
110: Abschirmraum
111: Schrauben
112: abgestrahlte elektromagnetische Wellen
113: Rauschstrom im Metallgehäuse
114: wieder ausgestrahltes elektromagnetisches Feld
115: Rauschstrom im innenschichtigen Kupferfolienmuster

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001053482 A [0004]

Claims

Elektronische Steuervorrichtung, umfassend: ein elektronisches Bauteil; ein Metallgehäuse, das zumindest einen Teil des elektronischen Bauteils abdeckt; einen Metallabschnitt, der so vorgesehen ist, dass sich das elektronische Bauteil zwischen dem Metallabschnitt und dem Metallgehäuse befindet; und eine Abschirmstruktur, die Strahlungsrauschen vom elektronischen Bauteil durch eine elektrostatische kapazitive Kopplung abschirmt, die zwischen dem Metallabschnitt und dem Metallgehäuse gebildet wird.
Elektronische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Metallabschnitt im Inneren eines Substrats mit dem darauf angebrachten elektronischen Bauteil vorgesehen ist.
Elektronische Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Metallabschnitt und das Metallgehäuse über einen Isolator eines Substrats mit dem darauf angebrachten elektronischen Bauteil einander zugewandt sind.
Elektronische Steuervorrichtung nach Anspruch 2, wobei sich der Metallabschnitt an einem Außenumfang des Substrats befindet, auf dem das elektronische Bauteil angebracht ist, und der Metallabschnitt dem Metallgehäuse über den gesamten Außenumfang des Substrats zugewandt ist.
Elektronische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Metallabschnitt und das Metallgehäuse durch eine elektrostatische Kapazität gekoppelt sind, die von einer Breite und einer äußeren Umfangslänge abhängt, über die der Metallabschnitt und das Metallgehäuse einander zugewandt sind, um einen Abschirmraum zu bilden, der das Strahlungsrauschen abdeckt.
Elektronische Steuervorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Metallabschnitt und das Metallgehäuse so beschaffen sind, dass der Abschirmraum geschlossen ist.
Elektronische Steuervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Metallabschnitt ein Kupferfolienmuster ist, das im Inneren des Substrats vorgesehen ist, und mit einer Masse oder einer Stromquelle verbunden ist, oder eine Masse oder eine Stromquelle ist.
Elektronische Steuervorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Kupferfolienmuster in einer Innenschicht des Substrats ausgebildet ist.
Elektronische Steuervorrichtung nach Anspruch 7, wobei sich das Kupferfolienmuster an einem Außenumfang des Substrats befindet.
Elektronische Steuervorrichtung nach Anspruch 2, wobei ein Kontaktabschnitt des Substrats, der das Metallgehäuse kontaktiert, mit einem Schutzlack bedeckt ist.
Elektronische Steuervorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Quelle des Strahlungsrauschens an einer Oberfläche gegenüber einem auf dem Substrat angebrachten Harzverbinder montiert ist.
Elektronische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Quelle des Strahlungsrauschens ein Steuerprozessor, ein Speicher, ein Abschlusswiderstand einer Taktleitung, eine Kommunikationsschaltung oder eine Stromversorgungsschaltung ist.