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Querverweis
auf verwandte Anmeldung
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Der verwandte Gegenstand wird in
der mitanhängigen,
gemeinsam zugeteilten Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/688,979
und dem Einreichungsdatum 31. Juni 1996 offenbart.
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Gebiet der
Erfindung
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Diese Erfindung betrifft elektrische
Vorrichtungen im Allgemeinen und insbesondere elektrische Vorrichtungen,
die mehrere Bereiche zum Ausführen selbständiger elektrischer
Funktionen enthalten.
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Hintergrund
der Erfindung
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Elektrische Vorrichtungen, die mehrere
Bereiche für
die Ausführung
unterschiedlicher elektrischer Funktionen ent halten, sind auf dem
Gebiet der Kraftfahrzeugsensoren weit verbreitet. Typischerweise
ist ein, ein Messfühler
enthaltender Bereich irgendeiner Art von korrosiver Umgebung ausgesetzt. Zum
Beispiel können
in Kraftfahrzeug-Teilsysteme eingebaute Drucksensoren beispielsweise
innerhalb eines Abgaskrümmers
korrosiven Gasen ausgesetzt sein. In anderen Anwendungen können Sensoren korrosiven
Flüssigkeitsumgebungen
ausgesetzt sein. Zum Beispiel können
Sensoren in Kraftfahrzeugflüssigkeiten,
wie Servolenkungsflüssigkeit,
Motorschmieröl
und dergleichen eingetaucht sein. während die elektrische Vorrichtung
in einer korrosiven Umgebung funktionieren muss, ist es ebenfalls
erforderlich, dass die elektrische Vorrichtung mit einer externen
elektrischen Schaltanordnung verbunden wird. Die externe Schaltanordnung
sendet und empfängt
elektrische Signale an die und von der elektrischen Vorrichtung.
Zur Vermeidung von Korrosion von elektrischen Verbindungen muss
der, der korrosiven Umgebung ausgesetzte Bereich der Vorrichtung
wirkungsvoll von dem Bereich der Vorrichtung isoliert sein, in dem
externe elektrische Verbindungen hergestellt werden.
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Zusätzlich zu der Notwendigkeit
von interner Isolation der verschiedenen Bereiche einer elektrischen
Vorrichtung, werden während
der Fertigung thermische Bearbeitungsschritte ausgeführt, um elektrische
Verbindungen innerhalb der elektrischen Vorrichtung auszubilden.
Zum Beispiel werden Messfühler
normalerweise an eine Leiterrahmenstelle innerhalb der elektrischen
Vorrichtung drahtangeschlossen bzw. drahtgebondet. Die Ausbildung
von zuverlässigen
Drahtanschlussverbindungen erfordert, dass die elektrische Vorrichtung
während
des Anschluss- bzw. Bondingarbeitsgangs erhöhten Temperaturen ausgesetzt
wird. Typischerweise wer den die zum Ausbilden der Drahtanschlüsse erforderlichen
erhöhten
Temperaturen durch Erwärmen der
gesamten elektrischen Vorrichtung einschließlich des Gehäuses und
der inneren Bauteile erzielt. Aufgrund der großen thermisch wirksamen Masse
ist die Erwärmung
des Gehäuses
und der inneren Bauteile kostspielig und benötigt einen längeren Zeitraum,
um die gewünschte
Temperatur zu erreichen. Die erhöhten
Temperaturen können
das zur Herstellung von strukturalen Bauteilen der elektrischen
Vorrichtung verwendete geformte Plastikmaterial erweichen. Außerdem kann
bei hoher Temperatur das Plastikgehäusematerial zerfließen. Der
Plastikfluss kann Bondingzonen des Leiterrahmens mit einer isolierenden Plastikschicht überziehen.
Die Plastikschicht behindert die Ausbildung von elektrischen Verbindungen mit
dem Leiterrahmen. Des Weiteren kann der Plastikfluss eine unerwünschte Verformung
des Gehäuses
der elektrischen Vorrichtung zur Folge haben.
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Vorhandene elektrische Vorrichtungen
erfordern mehrere Dichtungsstellen, um den für Anwendungen in korrosiven
Umgebungen erforderlichen ausreichenden Umgebungsschutz zu erzielen.
Zum Ausbilden der mehreren Dichtungen sind speziell Ausgabe- bzw.
Dispensierarbeitsgänge
nötig,
um Dichtungsmittel an mehrere Stellen innerhalb des Vorrichtungsgehäuses zur
Verfügung
zu stellen.
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Die US-A-5 121 289 beschreibt eine
Sensorbaugruppe, die einen integrierten Schaltkreis und einen Leitungsdrahtverbinder
aufweist. Der Zusammenbau des Sensors enthält das Einspritzen von Einkapselungsmaterial
in das Gehäuse.
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Die US-A-4 850 227, das die Eigenschaften des
Oberbegriffs von Anspruch 1 offenbart, beschreibt einen Drucksensor,
der einen Abstand zwischen einem Signalverarbeitungs element und
einem Druckmessfühler
aufweist. Der Abstand ist auf das Minimieren von Temperaturunterschieden
zwischen dem Signalverarbeitungselement und dem Druckmessfühler ausgerichtet.
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Dementsprechend bestand ein Bedarf
für eine
elektrische Vorrichtung mit einem verbesserten Mittel zum Abdichten
und atmosphärischen
Isolieren verschiedener Bereiche innerhalb des Vorrichtungsgehäuses. Außerdem bestand
ein Bedarf für
eine verbesserte Konstruktion einer elektrischen Vorrichtung, in
der elektrische Verbindungen zuverlässig ausgebildet werden können, ohne
die Vollständigkeit der
elektrischen Vorrichtung zu gefährden.
Diese Konstruktion wird durch eine elektrische Vorrichtung nach
Anspruch 1 erzielt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine auseinander gezogene Perspektivansicht einer gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung angeordneten elektrischen Vorrichtung;
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2 ist
die Ansicht eines entlang der Schnittlinie 2-2 genommenen Querschnitts
der in 1 veranschaulichten
elektrischen Vorrichtung;
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3 ist
eine auseinander gezogene Ansicht eines Bereichs der in 2 gezeigten Querschnittsansicht;
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4 ist
eine Teildraufsicht der in 1 gezeigten
elektrischen Vorrichtung;
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5-7 veranschaulichen im Querschnitt unterschiedliche
Ausführungsformen
zur Anbringung eines elektronischen Bauteils gemäß der Erfindung;
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9 ist
eine Teilansicht eines Querschnitts der in 1 gezeigten elektrischen Vorrichtung,
die noch eine andere Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht; und
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10 ist
eine Teilansicht eines Querschnitts der in 1 gezeigten elektrischen Vorrichtung,
die noch eine weitere Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht.
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Es wird klar sein, dass zur Vereinfachung und
Klarheit der Illustration in den FIGUREN gezeigte Elemente nicht
notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet
worden sind. Zum Beispiel sind die Abmessungen von einigen der Elemente
im Verhältnis zueinander übertrieben.
Ferner sind, wo als angebracht erachtet, Bezugszeichen unter den
FIGUREN wiederholt worden, um übereinstimmende
Elemente anzuzeigen.
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Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine elektrische Vorrichtung mit zwei ausgeprägten Bereichen, wobei jeder
Bereich geometrisch zusammengesetzt ist, um eine eindeutige elektrische
Funktion auszuführen.
Die erfinderische elektrische Vorrichtung enthält einen Hohlraum zwischen
den getrennten Bereichen. Der Hohlraum ist konfiguriert, um für die atmosphärische Isolation
der unterschiedlichen Bereiche der elektrischen Vorrichtung das
Einbringen von Dichtungsmasse in den Hohlraum zuzulassen. Außerdem ist
der innere Hohlraum angeordnet, um die Anbringung eines elektronischen
Bauteils auf einem den Hohlraum querenden Leiterrahmen zuzulassen. weiterhin
ist der Hohlraum angeordnet, um einen Kontakt durch ein Bondingwerkzeug
an einem den Hohlraum querenden Bereich des Leiterrahmens zuzulassen.
Wärmekontakt
durch einen Bereich des Leiterrahmens innerhalb des Hohlraums vereinfacht die
elektrische Verbindung eines in einem Bereich der elektrischen Vorrichtung
befindlichen Messfühlers
mit dem Leiterrahmen. Die elektrische Vorrichtung der Erfindung
stellt verbesserten elektrischen Zusammenbau zur Verfügung, sowie
Zuverlässigkeit für mehrere
Bereiche enthaltende elektrische Vorrichtungen, wo jeder Bereich
eine unterschiedliche elektrische Funktion ausführt.
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1 veranschaulicht
eine auseinander gezogene Perspektivansicht einer gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung angeordneten elektrischen Vorrichtung 10.
Ein Packungskörper 12 enthält einen Vorrichtungsbefestigungsbereich 14 und
einen elektrischen Verbindungsbereich 16. In dem Packungskörper 12 befindet
sich ein Hohlraum 18 und residiert zwischen dem Vorrichtungsbefestigungsbereich 14 und
dem elektrischen Verbindungsbereich 16. Ein Leiterrahmen 20 ist
derart innerhalb des Packungskörpers 12 montiert,
dass ein Leiterrahmenbereich 22 den Hohlraum 18 quert.
Ein elektronisches Bauteil 24 ist innerhalb des Hohlraum 18 an
dem Leiterrahmenbereich 22 befestigt. Ein Messfühler 26 residiert innerhalb
des Vorrichtungsbefestigungsbereichs 14 des Packungskörpers 12 und
ist mit dem Leiterrahmen 20 elektrisch verbunden. Eine
Abdeckung 28 ist über
dem Vorrichtungsbefestigungsbereich 14 positioniert, um
einen Messfühler 26 der
inneren Kammerumgebung zu schaffen.
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2 veranschaulicht
die Ansicht eines entlang der Schnittlinie 2-2 von 1 genommenen Querschnitts. Der Messfühler 26 ist
auf dem Leiterrahmen 20 positioniert und durch Drahtanschlüsse 30 mit
dem Leiterrahmen 20 gekoppelt. Der Leiterrahmen 20 erstreckt
sich durch den Hohlraum 18 hindurch und in den elektrischen
Verbindungsbereich 16 des Packungskörpers 12 hinein. Leiterrahmenenden 32 sind
inner halb des elektrischen Verbindungsbereichs 16 positioniert,
um das elektrischen Koppeln der elektrischen Vorrichtung 10 mit
einer externen elektronischen Schaltanordnung (nicht gezeigt) zuzulassen.
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Die vorliegende Erfindung beabsichtigt,
dass der Betrieb der elektrischen Vorrichtung 10 eine breite
Vielfalt von Funktionen, wie Druckmessen, Gasmessen, Wärmemessungen
und dergleichen ausführt.
Dementsprechend können
der Messfühler 26 und
das elektrische Bauteil 24 abhängig von der bestimmten Anwendung
der elektrischen Vorrichtung 10 unterschiedliche elektronische
Funktionen ausführen.
Der Messfühler 26 kann
zum Beispiel ein piezoelektrischer Transducer oder ein Thermistor
oder dergleichen sein. Gemäß der durch
den Messfühler 26 ausgeführten bestimmten
elektronischen Funktion kann das elektronische Bauteil 24 ein
Widerstand oder ein Kondensator oder dergleichen sein.
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Wie in 1 und 2 gezeigt enthält der Leiterrahmen 20 eine
Mehrzahl von einzelnen Leitungen 34. Die einzelnen Leitungen
führen
in den Hohlraum 18 hinein und heraus durch erste und zweite
Schnittstellenbereiche 36 bzw. 38. Zur atmosphärischen Isolation
des Vorrichtungsbefestigungsbereichs 14 von dem elektrischen
Verbindungsbereich 16 kann der Hohlraum 18 mit
einem Dichtungsmittel gefüllt sein.
Insbesondere wird das Dichtungsmittel mindestens um jede der einzelnen
Leitungen 34 an den ersten und der zweiten Schnittstellenbereichen 36 und 38 herum
angebracht. Je nach der bestimmten Anwendung kann der Hohlraum vollständig mit
einem Dichtungsmittel gefüllt
werden, indem das Dichtungsmittel in den Hohlraum 18 injiziert
wird. Das bestimmte Dichtungsmittel kann eine Masse auf Siliziumbasis,
ein Epoxikunstharz, ein thermoplastisches Material oder derglei chen
sein. Das Dichtungsmittel wirkt, um zu verhindern, dass Flüssigkeiten
und Gase entlang des Leiterrahmens 20 wandern und in den
Vorrichtungsbefestigungsbereich 14 und den elektrischen
Verbindungsbereich 16 eindringen oder diesen verlassen.
Zusätzlich
zu der Füllung
mit einem Dichtungsmittel kann der Hohlraum 18 auch ein
gasförmiges
Medium enthalten, in dem das gasförmige Medium unterschiedlich
von der Atmosphäre
innerhalb des Vorrichtungsbefestigungsbereichs 14 oder des
elektrischen Verbindungsbereichs 16 ist. Beispielsweise
kann das gasförmige
Medium innerhalb des Hohlraums 18 ein Edelgas, wie Stickstoff,
Argon oder dergleichen sein.
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Eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs
der elektrischen Vorrichtung 10 wird in 3 veranschaulicht. Während dem Zusammenbau der elektrischen
Vorrichtung 10 wird der Messfühler 26 durch Befestigen
von Drahtanschlüssen 30 an
sowohl auf dem Messfühler 26 als
auch dem Leiterrahmen 20 befindlichen Bondingpads (in 4 gezeigt) mit dem Leiterrahmen 20 elektrisch
gekoppelt. Die Anbringung der Drahtanschlüsse 30 an dem Leiterrahmen 20 wird
durch Einführung
eines Bondingwerkzeugs 40 in den Hohlraum 18 des
Packungskörpers 12 ermöglicht.
Das Bondingwerkzeug 40 überträgt Bondingenergie
an den den Hohlraum 18 querenden Leiterrahmenbereich 22.
Die durch das Bondingwerkzeug 40 gelieferte Bondingenergie
leitet sich durch den Leiterrahmen 20 ab, wobei die Temperatur
des Leiterrahmens 20 steigt. Das Bondingwerkzeug 40 kann
eines aus einer Anzahl von unterschiedlichen Bondingwerkzeugen sein,
die zum Übertragen
von Bondingenergie an den Leiterrahmen 20 unterschiedliche
Mechanismen verwenden. Das Bondingwerkzeug 40 kann zum
Beispiel ein Elektroenergie-Bondingwerkzeug, ein Laserenergie- Bondingwerkzeug,
ein Photonenergie-Bondingwerkzeug, ein Ultraschall-Bondingwerkzeug
und dergleichen sein. Die erhöhte
Temperatur des Leiterrahmens 20 unterstützt die Ausbildung einer zuverlässigen elektrischen
Verbindung zwischen den Drahtanschlüssen 30 und dem Leiterrahmen 20.
Wie nachfolgend beschrieben werden wird, erwärmt das Bondingwerkzeug 40 selektiv
den Leiterrahmen 20, während
die Temperatur der restlichen Bereiche der elektrischen Vorrichtung 10 nicht
erhöht
wird.
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Das elektronische Bauteil 24 ist
innerhalb des Hohlraums 18 durch eine Bondingmasse 42 an dem
Leiterrahmen 20 befestigt. Gemäß der Erfindung kann das elektronische
Bauteil 24 eines aus einer Anzahl von unterschiedlichen
Typen von elektronischen Bauteilen sein. Die unterschiedlichen elektronischen
Bauteile können
variierende geometrische Konfigurationen aufweisen, wobei jede geometrische
Konfiguration eine außergewöhnliche
elektrische Verbindungstechnik erfordert. 4 veranschaulicht zum Beispiel eine Draufsicht
eines Bereichs des Vorrichtungsbefestigungsbereichs 14,
in dem das elektronische Bauteil 24 transversal zu den einzelnen
Leitungen 34 befestigt ist. Das elektronische Bauteil 24 ist
durch Verbindungsleitungen 44 mit den einzelnen Leitungen 34 des
Leiterrahmens 20 elektrisch verbunden.
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Wie durch die Querschnittsansicht
von 5 gezeigt, können sich
die Verbindungsleitungen 44 des elektronischen Bauteils 24 durch Öffnungen
in den einzelnen Leitungen 34 erstrecken. In einer anderen
Ausführungsform
der Erfindung können
die Verbindungsleitungen 44 des elektronischen Bauteils 24 an
die einzelnen Leitungen 34 des Leiterrahmens 20 aufliegend
befestigt sein, wie in 6 veranschaulicht. Die
Oberflächenbefestigungsverbindung wird
auf eine Weise erzielt, die analog zu der in 3 veranschaulichten Anbringung für ein leitungsloses elektronisches
Bauteil ist.
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7 veranschaulicht
noch eine weitere Ausführungsform
der Erfindung. Das elektronische Bauteil 24 ist an einen
außerhalb
des Hohlraums 18 befindlichen Bereich des Packungskörpers 12 befestigt.
Die Verbindungsleitungen 44 erstrecken sich durch einen
Wandbereich 46 des Packungskörpers 12 hindurch
und in den Hohlraum 18. Die Packungsleitungen 44 sind
an die einzelnen Leitungen 34 des Leiterrahmens 20 in
den Hohlraum 20 angeschlossen. Gemäß der in 7 veranschaulichten Ausführungsform
beabsichtigt die vorliegende Erfindung die Plazierung des elektronischen
Bauteils 24 in dem an den Hohlraum 18 angrenzenden
Bereich des Packungskörpers 12.
Fachleuten wird klar sein, dass das elektronische Bauteil auch innerhalb
des elektrischen Verbindungsbereichs 16 des Packungskörpers 12 befestigt
werden kann. weiterhin kann in einem anderen Aspekt der Erfindung
das Bondingwerkzeug 40 Wärmeenergie zum Bonden der Verbindungsleitungen 44 an
die einzelnen Leitungen 34 des Leiterrahmens 20 liefern.
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9 veranschaulicht
die Teilansicht eines Querschnitts von 1, der noch eine weitere Ausführungsform
der Erfindung zeigt, in der der Vorrichtungsbefestigungsbereich 14 einen
zweiten Hohlraum 52 enthält. Leiterrahmenenden 54 residieren am
Boden des zweiten Hohlraums 54 und können in einem Dichtungsmittel 56 eingetauscht
sein. Die Drahtanschlüsse 30 erstrecken
sich in den zweiten Hohlraum 52 und sind an den Leiterrahmenenden 54 angebracht.
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Der zweite Hohlraum 52,
wenn mit einem Dichtungsmittel 56 gefüllt, kann das Wandern von Luft
und anderen Gasen entlang des Leiterrahmens 32 und deren
Entweichen in den Vorrichtungsbefestigungsbereich 14 des
Packungskörpers 12 verhindern.
Falls Luftblasen in dem Vorrichtungsbefestigungsbereich 14 auftreten,
können
sie die Drahtanschlüsse 30 ermüden, was
vorzeitiges elektrisches Versagen der elektrischen Vorrichtung 10 zur
Folge hat. Außerdem
ist es oftmals unerwünscht,
dass Luft in die Nähe
des Messfühlers 26 leckt.
Vorzugsweise ist das Dichtungsmittel 56 eine Vergießmasse,
die luftbeständig
ist, aber die Drahtanschlüsse
nicht beeinträchtigt.
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In noch einer weiteren in 10 veranschaulichten Ausführungsform
der Erfindung ist der zweite Hohlraum 52 innerhalb des
Vorrichtungsbefestigungsbereichs 14 ausgedehnt, um den
Messfühler 26 vollständig zu
umgeben. Auf diese Weise ist der Messfühler 52 weiter geschützt gegen
Aussetzung an Luft, die von dem Leiterrahmen 23 in den Vorrichtungsbefestigungsbereich 14 eintritt.
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Fachleuten wird klar sein, dass die
Konfiguration des Hohlraums 18, die thermischen Kontakt durch
das Bondingwerkzeug 40 zulässt, zahlreiche Prozessvorteile
für die
Fertigung der erfinderischen elektrischen Vorrichtung bietet. Wo
beispielsweise der Packungskörper 12 ein
einsatzgeformtes Plastikmaterial ist, erlaubt die Konfiguration
des Hohlraums 18 die Stabilisierung des Leiterrahmens 20 während dem
Einsatzformungsprozess. Durch das Stabilisieren des Leiterrahmens 20 während des
Formens wird das Potential für
das Überziehen
der Drahtanschlussfläche
des Leiterrahmens 20 mit Kunststoff minimiert. Außerdem kann
im Vergleich zu Techniken, die dem Stand der Technik entsprechen,
der Drahtanschlussprozess zum elektrischen Verbinden des Messfühlers 26 mit
dem Leiterrahmen 20 bei einer niedrige ren Temperatur ausgeführt werden.
Dies ist möglich,
weil es unnötig
ist, die gesamte Vorrichtung zur Erzeugung der für den Drahtanschluss erforderlichen
Temperatur zu erwärmen.
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Die Konfiguration des Hohlraums 18 zum
Zulassen des thermischen Kontakts durch das Bondingwerkzeug 40 plaziert
selektiv die für
den Drahtanschluss benötigte
Wärme in
den Leiterrahmen selbst. Dementsprechend sind andere in der elektrischen Vorrichtung
vorhandene Elemente während
dem Drahtanschlussprozess keinen hohen Temperaturen ausgesetzt.
Die direkte Anwendung von Wärme
auf den Leiterrahmen 20 verbessert den Herstellungsprozess
und reduziert den durch übermäßige thermische
Bearbeitung verursachten Ausfall bzw. Defekt von Messfühlern und
anderen Bauteilen.
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Somit ist es klar, dass gemäß der Erfindung eine
elektrische Vorrichtung mit atmosphärischer Isolation bereitgestellt
worden ist, die völlig
die oben dargelegten Vorteile erfüllt. Obwohl die Erfindung mit
Bezug auf spezifische veranschaulichende Ausführungsformen von ihr beschrieben
und illustriert worden ist, ist eine Beschränkung auf diese veranschaulichenden
Ausführungsformen
nicht beabsichtigt. Zum Beispiel können unterschiedliche Dichtungsma- terialien
an unterschiedlichen Stellen innerhalb der Vorrichtung verwendet
werden. Es ist deshalb beabsichtigt, alle derartigen Veränderungen
und Modifikationen, die in den Rahmen der beigefügten Ansprüche und Äquivalente zu diesen fallen,
in die Erfindung einzuschließen.