DE19929754A1 - Verguß eines Schaltungsaufbaus mit vibrationsdämpfender Einbettungsmasse - Google Patents

Verguß eines Schaltungsaufbaus mit vibrationsdämpfender Einbettungsmasse

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Abstract

Ein Schaltungsaufbau wird mit einer vibrationsdämpfenden, thixotropen Einbettungsmasse (15) vergossen. Der Schaltungsaufbau umfaßt eine Grundplatte (2), eine darauf angebrachte elektrische Schaltung (4) mit elektrischen Bauelementen (6) und eine zu der Schaltung (4) hingeführte flexible Leiterplatte (3), welche die Schaltung (4) mittels Leitungsdrähten (7) elektrisch kontaktiert. Die Bauelemente (6) einerseits und die Kontaktstellen (14) der Leitungsdrähte (7) an der flexiblen Leiterplatte (3) andererseits werden in getrennten Arbeitsschritten mit der Einbettungsmasse (15) vergossen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergießen eines Schaltungsaufbaus mit einer vibrationsdämpfenden, thixotropen Einbettungsmasse und einen derart vergossenen Schaltungsauf­ bau.
Es ist bereits bekannt, Schaltungsaufbauten mit einer vibra­ tionsdämpfenden, thixotropen Einbettungsmasse auf Silikonba­ sis (sog. Silgel) zu vergießen. Das Silgel weist die als Thixotropie bezeichnete Eigenschaft auf, sich unter Einwir­ kung eines beim Vergießen angewendeten Dosierdrucks zu ver­ flüssigen und sich nach dem Austritt aus der Dosieranlage wieder zu verfestigen. Durch den Verguß wird ein Schutz von elektrischen Kontaktierungen wie z. B. Bonddrahtverbindungen oder elektrisch leitenden Klebungen des Schaltungsaufbaus ge­ genüber den z. B. in einem Kraftfahrzeug (Kfz) auftretenden hohen Vibrationsbelastungen (bis etwa 40 g) erreicht.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 197 12 842 ist ein Steu­ ergerät für ein Kraftfahrzeug bekannt, das eine auf einer Grundplatte angebrachte elektrische Schaltung aufweist, die durch eine zu der Schaltung hingeführte flexible Leiterplatte kontaktiert ist. Die flexible Leiterplatte dient gleichzei­ tig als elektrische Gehäusedurchführung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu­ geben, mittels dem ein Verguß einer von einer flexiblen Lei­ terplatte kontaktierten elektrischen Schaltung mit einer thixotropen Einbettungsmasse auf kostensparende, prozeßsiche­ re und in bezug auf den erreichbaren Beschädigungsschutz wirksame Weise durchgeführt werden kann. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, einen kostengünstig herstellbaren, vi­ brationsfesten Schaltungsaufbau der vorstehend angegebenen Art zu schaffen.
Die Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Im Rahmen der Erfindung unternommene Versuche haben gezeigt, daß es bei einem derartigen Schaltungsaufbau Schwierigkeiten bereitet, einen vibrationsdämpfenden Verguß mit thixotroper Einbettungsmasse innerhalb eines Arbeitsschrittes auf dem Substrat und an den Kontaktstellen der Leiterdrähte an der flexiblen Leiterplatte anzubringen. Wird eine Einbettungs­ masse mit relativ hohem Thixotropiegrad auf das Substrat auf­ gebracht, muß dies mit einem hohen Dosierdruck erfolgen, da­ mit die Einbettungsmasse beim Dosieren eine ausreichend ge­ ringe Viskosität annimmt, um sowohl die elektrischen Bauele­ mente als auch die Kontaktstellen erreichen zu können. Durch den hohen Dosierdruck können Bonddrahtverbindungen geschädigt werden. Ferner kann infolge des hohen Thixotropiegrades die Schwierigkeit auftreten, daß sich die Einbettungsmasse zu schnell verfestigt und die Bonddrahtverbindungen dann nicht vollständig umhüllt werden, wodurch ein unzureichender Vibra­ tionsschutz realisiert wird. Bei Verwendung einer Einbet­ tungsmasse mit einem relativ niedrigen Thixotropiegrad können die vorstehend genannten Probleme zwar vermieden werden, es kommt jedoch zu einem ausgeprägten Verfließen der in diesem Fall relativ dünnflüssigen Einbettungsmasse auf der flexiblen Leiterplatte. Das Verfließen hat zur Folge, daß eine große Menge an Einbettungsmasse benötigt wird. Sofern die flexible Leiterplatte als Gehäusedurchführung verwendet wird, ist fer­ ner nachteilig, daß eine großdimensionierte Gehäusegrundflä­ che benötigt wird, um zu verhindern, daß sich die Einbet­ tungsmasse bis in den Dichtungsbereich ausbreiten und dort später Undichtigkeiten herbeiführen kann. Hinzu kommt, daß aus Gründen der Prozeßsicherheit zusätzlich ein vergleichs­ weise großer Grundflächen-Toleranzbereich zum Verlaufen der Einbettungsmasse vorgesehen sein muß, da sich gezeigt hat, daß die Einbettungsmasse (z. B. thixotropiertes Silgel) her­ stellerseitig mit beträchtlichen Viskositätsschwankungen ge­ liefert wird. Insgesamt hat sich herausgestellt, daß eine ausreichend prozeßsichere Dosierung der thixotropen Einbet­ tungsmasse innerhalb eines Arbeitsschrittes, wenn überhaupt, nur mit kostenintensiven zusätzlichen Maßnahmen (z. B. dem Hinzufügen von Barrieren gegen das Verlaufen der Einbettungs­ masse) und/oder unter Inkaufnahme von großen Gehäusedimensio­ nen erreichbar ist.
Durch das erfindungsgemäße Vergießen des Schaltungsaufbaus in (mindestens) zwei Arbeitsschritten werden die genannten Schwierigkeiten überwunden. Es wird eine vergleichsweise ge­ ringe Menge an thixotroper Einbettungsmasse benötigt. Vor­ teilhaft ist ferner, daß wesentlich weniger Platz (d. h. Grundplattenfläche) für das Verfließen der Einbettungsmasse bereitgehalten werden muß, da der Verfließbereich aufgrund der sich bei einer geringeren Menge an Einbettungsmasse stär­ ker auswirkenden Oberflächenspannung deutlich reduziert ist. Dieser Effekt tritt besonders bei dem Verguß der Kontaktstel­ len zutage.
Grundsätzlich können die beiden Arbeitsschritte mit Einbet­ tungsmassen unterschiedlichen Thixotropiegrads durchgeführt werden. Vorzugsweise wird zum Verguß der elektrischen Bau­ elemente und zum Verguß der Kontaktstellen jedoch dieselbe Einbettungsmasse mit demselben Thixotropiegrad verwendet, da in diesem Fall der Gesamtprozeß kostengünstiger mit nur einer Vergußanlage durchgeführt werden kann.
Eine erste bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung kenn­ zeichnet sich dadurch, daß das Substrat mit den darauf ange­ brachten elektrischen Bauelementen ganzflächig vergossen wird. In diesem Fall wird eine maximale Prozeßgeschwindig­ keit erreicht.
Bei einer zweiten, ebenfalls bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung werden zumindest einige der auf dem Substrat angebrachten elektrischen Bauelemente mit einem Einzelverguß versehen. Der Vorteil besteht darin, daß noch weniger Ein­ bettungsmasse als bei der ersten Variante benötigt wird, was die Materialkosten minimiert.
Besonders bei der ersten Ausführungsvariante ist es bevor­ zugt, wenn das Substrat in einer Vertiefungszone der Grund­ platte angeordnet ist oder die Grundplatte mit einer das Sub­ strat umlaufenden Grabenstruktur ausgeführt ist. In beiden Fällen kann über den Substratrand übertretende Einbettungs­ masse in der Vertiefungszone oder der Grabenstruktur aufge­ fangen werden.
Bezüglich des mit dem Vergießen der Kontaktstellen zusammen­ hängenden zweiten Arbeitsschrittes können einzelne Kontakt­ stellen entweder einzeln oder auch gemeinsam vergossen wer­ den.
Mit besonderem Vorteil wird der erfindungsgemäße Schaltungs­ aufbau in einem Steuergerät für den Einbau in ein Kfz- Getriebe oder einem Kfz-Motor eingesetzt, wobei in dem Steu­ ergerät die flexible Leiterplatte zwischen der Grundplatte und einem mit der Grundplatte öldicht gekoppelten Gehäusedec­ kel durchgeführt ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsva­ rianten unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert; in die­ ser zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Getriebe­ steuergeräts mit erfindungsgemäßem Schaltungsaufbau, das zum Einbau in ein Getriebe vorgesehen ist;
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Aus­ führungsvariante der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung der ersten Aus­ führungsvariante mit einer Vertiefungszone in der Grundplatte;
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung der ersten Aus­ führungsvariante mit einer Grabenstruktur in der Grundplatte;
Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung einer flexiblen Leiterplatte im Bereich einer Kontaktstelle; und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltungsaufbaus mit Einzel- und Mehrkontaktstellen­ verguß in Draufsicht.
Fig. 1 zeigt ein Getriebesteuergerät 1 zum Einbau in ein Ge­ triebe. Auf eine metallische Grundplatte 2, die vorzugsweise aus Aluminium besteht, ist eine flexible Leiterplatte 3 mit einem ölbeständigen Klebstoff öldicht aufgeklebt (auflami­ niert). Die flexible Leiterplatte 3 umgibt allseitig eine elektrische Schaltung 4 bestehend beispielsweise aus einem Keramik-Leiterplattensubstrat 5 (LTCC-Substrat) und darauf angebrachten elektrischen Bauelementen 6. Das Keramiksub­ strat 5 ist in einem zentralen Bereich der Grundplatte 2 auf diese mittels eines Wärmeleitklebstoffs aufgeklebt. Die elektrische Kontaktierung der elektrischen Schaltung 4 zur flexiblen Leiterplatte 3 erfolgt über Leitungsdrähte 7 vor­ zugsweise in Form von Al-Dickdrahtbondungen (Dicke der Lei­ tungsdrähte 7 etwa 300 µm).
Ein Gehäusedeckel 8 ist mit der metallischen Grundplatte 2 durch eine Anpreßverbindung, realisiert durch Befestigungs­ elemente 9, unter Verwendung einer Ringdichtung 10 öldicht gekoppelt. Die flexible Leiterplatte 3 ist zwischen der Ringdichtung 10 und der metallischen Grundplatte 2 aus dem Innenraum des Steuergerätgehäuses 2, 8 herausgeführt und kon­ taktiert außerhalb des Steuergerätgehäuses 2, 8 angeordnete Elektrobauteile, beispielsweise einen Temperatursensor 11.
Die Fig. 2 bis 7 erläutern den in Fig. 1 nicht dargestellten Verguß der elektrischen Bauelemente 6 und der Kontaktstellen 14 zwischen den Leitungsdrähten 7 und der flexiblen Leiter­ platte 3 mit einer thixotropen Einbettungsmasse 15. Es hat sich gezeigt, daß ein Verguß der Bauelemente 6 auf dem Sub­ strat 5 zumindest immer dann erforderlich ist, wenn die Bau­ teile 6 durch Kontaktklebung, Laserschweißen oder Löten auf dem Substrat 5 kontaktiert sind.
Bei der im Rahmen der Erfindung verwendeten thixotropen Ein­ bettungsmasse 15 handelt es sich vorzugsweise um thixotro­ piertes Silgel. Thixotropiertes Silgel ist ein Gel mit hohem Silikonanteil, das zur Erzielung einer ausreichenden Standfe­ stigkeit mit einem Thixotropiermittel versetzt ist. Es weist unmittelbar nach dem Austritt aus einer Dosieröffnung einer Dosieranlage eine Viskosität etwa vergleichbar mit einer Flüssigkeit auf. Im mechanisch unbelasteten Zustand verfe­ stigt sich das Silgel bis zu einer Viskosität vergleichbar mit Honig und ist dann in der Lage, die im folgenden be­ schriebenen und dargestellten Vergußstrukturen aufzubauen. Nicht-thixotropiertes Silgel (das ebenfalls schwach thixotro­ pe Eigenschaften aufweist) ist nahezu eine Flüssigkeit und daher für die erfindungsgemäße Verwendung zu dünnflüssig.
Nach Fig. 2 wird in einem ersten Arbeitsschritt die gesamte Oberseite des Substrats 5 mit sämtlichen darauf befindlichen elektrischen Bauelementen 6 vergossen. Es ergibt sich eine (in Fig. 2 übertrieben dargestellte) gewölbte Vergußstruktur.
Dabei werden eine Dicke von beispielsweise 30 µm aufweisende elektrische Bonddrahtverbindungen 12 (sog. Dünndrahtbondun­ gen), die zwischen den elektrischen Bauelementen 6 und Kon­ taktpads 13 an in dem Keramiksubstrat 5 integrierten Leiter­ bahnen verlaufen und vorzugsweise aus Gold gebildet sind, von der Einbettungsmasse 15 vollständig umhüllt. Auch Gegenkon­ taktstellen 22 zwischen den Leitungsdrähten 7 und den inte­ grierten Leiterbahnen können dabei von der Einbettungsmasse 15 umhüllt werden.
In einem zweiten Arbeitsschritt werden die Leitungsdrähte 7 an ihren Kontaktstellen 14 auf der flexiblen Leiterplatte 3 ebenfalls mit thixotropiertem Silgel vergossen. Der Verguß kann lokal, d. h. einzeln für jede Kontaktstelle 14 erfolgen, oder es können mehrere benachbarte Kontaktstellen 14 mit ei­ nem zusammenhängenden Strang 16 aus Einbettungsmasse 15 (sie­ he Fig. 7) überzogen werden.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsvariante, bei der im er­ sten Arbeitsschritt die elektrischen Bauelemente 6 auf dem Keramiksubstrat 5 einzeln vergossen werden. Auch hier sind die Dünndraht-Bonddrahtverbindungen 12 der elektrischen Bau­ elemente 6 vollständig von der Einbettungsmasse 15 umhüllt.
Der zweite Arbeitsschritt (Verguß der Kontaktstellen 14 an der flexiblen Leiterplatte 3) erfolgt in der bereits anhand Fig. 2 erläuterten Weise. In einem weiteren Vergußschritt werden die Leitungsdrähte 7 an den substratseitigen Gegenkon­ taktstellen 22 mit Einbettungsmasse umhüllt.
Bei beiden Ausführungsvarianten ist die Reihenfolge der bei­ den Arbeitsschritte beliebig. Wichtig ist jedoch, daß die Einbettungsmassen 15 über dem Keramiksubstrat 5 und den Kon­ taktstellen 14 in getrennten Dosierabläufen aufgebracht wer­ den. Üblicherweise wird eine Dosieranlage mit einer einzigen Dosieröffnung eingesetzt und die Dosieröffnung wird relativ zu dem Schaltungsaufbau 1 unter Einsatz eines automatischen Positioniersystems mit optischer Lageüberwachung verfahren.
Gemäß Fig. 4 kann das Keramiksubstrat 5 in eine Vertiefungs­ zone 18 der Grundplatte 2 eingesetzt sein. Die Vertiefungs­ zone 18 weist größere seitliche Dimensionen als das Kera­ miksubstrat 5 auf, so daß umfangsseitig des Keramiksubstrats 5 ein umlaufender Spaltbereich 17 verbleibt, in welchem Ein­ bettungsmasse 15 aufgefangen werden kann, welche gegebenen­ falls über den Substratrand tritt. Dadurch wird die Prozeß­ sicherheit beim ersten Arbeitsschritt günstig beeinflußt, da herstellungsbedingte Viskositätsschwankungen der Einbettungs­ masse durch das Auffangen im umlaufenden Spaltbereich 17 kom­ pensiert werden.
Dasselbe Ziel kann gemäß Fig. 5 mit einer um das Keramiksub­ strat 5 herumlaufenden Grabenstruktur 19 erreicht werden.
Fig. 6 zeigt den Aufbau der flexiblen Leiterplatte 3 im Be­ reich einer Kontaktstelle 14. Die flexible Leiterplatte 3 ist mit einem ölbeständigen Klebstoff 20 auf die Grundplatte 2 auflaminiert und umfaßt zwei Kunststoffolien 3.1 und 3.5, zwischen denen eine elektrische Leiterbahn 3.3 unter Verwen­ dung von Klebstoffschichten 3.2 und 3.4 eingebettet ist.
Im Bereich der Kontaktstelle 14 sind die deckenseitige Kunst­ stoffolie 3.5 und Klebstoffschicht 3.4 ausgespart und die elektrische Leiterbahn 3.3 ist in diesem Bereich mit einer Kontaktmetallbeschichtung 21 (z. B. 2-4 µm Nickel und darüber 0,2-0,4 µm Gold) versehen. Der Leitungsdraht 7 ist an die Kontaktmetallbeschichtung 21 angebondet.
Die beim Dosiervorgang aufzubringende Menge an Einbettungs­ masse 15 ist so zu bemessen, daß eine minimale erforderliche Vergußhöhe von etwa 400 µm über der Kontaktmetallbeschichtung 21 erreicht wird. Die Menge kann gering gehalten werden, da die Einbettungsmasse 15 infolge der Oberflächenspannung einen halbkugelförmigen Tropfen (bzw. als Strang - siehe Fig. 7 - einen im wesentlichen halbkugelförmigen Strangquerschnitt) ausbildet. Unterstützt wird dieser Effekt dadurch, daß die Kontaktmetallbeschichtung 21 gegenüber der Oberfläche der flexiblen Leiterplatte 3 vertieft liegt (der Abstand zwischen der Kontaktmetallbeschichtung 21 und der Leiterplattenober­ fläche kann beispielsweise etwa 50 µm betragen). Fig. 6 macht deutlich, daß praktisch kein Verfließen der Einbet­ tungsmasse 15 im Bereich der Kontaktstelle 14 auftritt, und zwar auch dann, wenn im zweiten Arbeitsschritt dasselbe (re­ lativ schwach thixotropierte) Silgel als Einbettungsmasse 15 wie im ersten Arbeitsschritt eingesetzt wird.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung der flexiblen Lei­ terplatte 3 mit Keramiksubstrat 5 (Bestückung und Verguß des­ selben nicht dargestellt) in Draufsicht. Die Kontaktstellen 14 können im zweiten Arbeitsschritt wie bereits erwähnt ent­ weder einzeln oder durch einen Strang 16 aus Einbettungsmasse 15 gemeinsam vergossen werden.

Claims (13)

1. Verfahren zum Vergießen eines Schaltungsaufbaus, welcher
  • - eine Grundplatte (2),
  • - eine elektrische Schaltung (4), die ein auf der Grundplatte (2) angebrachtes, mit elektrischen Bauelementen (6) be­ stücktes Substrat (5) aufweist, und
  • - eine zu dem Substrat (5) hingeführte flexible Leiterplatte (3), welche die elektrische Schaltung (4) mittels Leitungs­ drähten (7) elektrisch kontaktiert,
umfaßt, mit einer vibrationsdämpfenden, thixotropen Einbet­ tungsmasse (15), in welchem die auf dem Substrat (5) angeord­ neten Bauelemente (6) einerseits und Kontaktstellen (14) der Leitungsdrähte (7) an der flexiblen Leiterplatte (3) anderer­ seits in getrennten Arbeitsschritten mit thixotroper Einbet­ tungsmasse (15) vergossen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verguß der elektrischen Bauelemente (6) und zum Ver­ guß der Kontaktstellen (14) dieselbe Einbettungsmasse (15) mit demselben Thixotropiegrad verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) mit den darauf angebrachten elektrischen Bauelementen (6) ganzflächig vergossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der auf dem Substrat (5) angebrachten elektrischen Bauelemente (6) mit einem Einzelverguß versehen werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (6) durch Kontaktkleben, Schweißen oder Löten auf dem Substrat (5) kontaktiert sind.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Kontaktstellen (14) einzeln vergossen werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kontaktstellen (14) gemeinsam vergossen werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thixotrope Einbettungsmasse (15) ein mit einem Thixotropiermittel versetztes Gel auf Silikonbasis, insbeson­ dere thixotropiertes Silgel ist.
9. Schaltungsaufbau, mit
  • - einer Grundplatte (2),
  • - einer elektrischen Schaltung (4), die ein auf der Grund­ platte (2) angebrachtes, mit elektrischen Bauelementen (6) bestücktes Substrat (5) umfaßt, und
  • - einer über der Grundplatte (2) zu dem Substrat (5) hinge­ führten flexiblen Leiterplatte (3), welche die elektrische Schaltung (4) mittels Leitungsdrähte (7) elektrisch kontak­ tiert, bei welchem
über dem Substrat (2) eine erste Vergußstruktur bestehend aus thixotroper Einbettungsmasse (15) und über den Kontaktstellen (14) der Leitungsdrähte (7) an der flexiblen Leiterplatte (3) eine gesondert von der ersten Vergußstruktur aufgebrachte zweite Vergußstruktur ebenfalls bestehend aus thixotroper Einbettungsmasse (15) vorgesehen ist.
10. Schaltungsaufbau nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) in einer Vertiefungszone (18) der Grund­ platte (2) angeordnet ist.
11. Schaltungsaufbau nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (2) mit einer das Substrat (5) umlaufen­ den Grabenstruktur (19) ausgeführt ist.
12. Steuergerät für den Einbau in ein Kfz-Getriebe oder einen Kfz-Motor, das einen Schaltungsaufbau gemäß einem der Ansprü­ che 8 bis 10 aufweist.
13. Steuergerät nach Anspruch 12, bei dem die flexible Lei­ terplatte (3) zwischen der Grundplatte (2) und einem mit der Grundplatte (2) öldicht gekoppelten Gehäusedeckel (8) durch­ geführt ist.
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