WO2018019499A1

WO2018019499A1 - Leiterplattenanordnung

Info

Publication number: WO2018019499A1
Application number: PCT/EP2017/065673
Authority: WO
Inventors: Hermann Josef Robin; Thomas Maier; Thomas Preuschl; Martin HEMPEN
Original assignee: Zf Friedrichshafen Ag
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2018-02-01
Also published as: DE102016213694A1

Abstract

Bereitgestellt wird eine Leiterplattenanordnung (1), umfassend zumindest eine mit Bauelementen (2) bestückte, gestapelte und/oder gefaltete Leiterplatte, wobei sich Leiterplattenbereiche (10, 11) der Leiterplatte (1) in einem Abstand und einem vorgegebenen Winkel zueinander gegenüber liegen und elektrisch miteinander an zumindest einem ihrer Randbereiche über jeweilige Verbindungsmittel (101, 102) verbunden sind, und wobei die Leiterplattenbereiche (10, 11), auf den Leiterplattenbereichen (10, 11) angeordnete Bauelemente (2) und die jeweiligen Verbindungsmittel (101, 102) mit einer Verkapselung (4) derart umgeben sind, dass sie vollständig in die Verkapselung (4) eingebettet sind.

Description

Leiterplattenanordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .

Die Steuerung von Funktionen eines Fahrzeugs, z.B. die Steuerung von Automatikgetrieben, Lichtfunktionen, Motorfunktionen etc. erfolgt immer häufiger über Steuergeräte, z.B. elektronische Steuergeräte wie beispielsweise elektronische Getriebesteuerungen und ähnliche sogenannte ECU's (aus dem Englischen: electronic con- trol unit). Aus dem Stand der Technik sind integrierte Steuergeräte, sowie Anbau- und Wegbau-Steuergeräte bekannt. Anbau- und Wegbausteuergeräte haben den Vorteil, dass sie durch eine geringe Anzahl an Komponenten für das Steuergerät selbst relativ günstig in der Entwicklung und Herstellung sind.

Hauptkomponenten eines Steuergerätes sind ein Gehäuse, wobei an einem Teil davon eine oder mehrere Leiterplatten, z.B. PCB-Platten, zur elektronischen Funktionssteuerung befestigt sind. An der Leiterplatte sind Anschlussbereiche oder an der Leiterplatte angeordnete Stecker für externe Kabel vorgesehen. Ein zweiter Gehäuseteil dient zum Verschließen bzw. Abdichten der Elektronik vor z.B. Wasser oder Staub und wird z.B. mittels Schweißen, Verkleben, Dichten etc. befestigt. Die Elektronik wird also über die Gehäuseteile, welche zumeist aus Metall, Aludruckguss oder Kunststoff bestehen, mechanisch geschützt. Dieses Gehäuse stellt zudem die mechanische Befestigungsschnittstelle bereit. Durch zusätzliche Abdichtmaßnahmen wie Verschweißung, Verklebung von Gehäuseteilen bzw. Verpressung von Dichtungen, wird die Elektronik vor Flüssigkeiten und klimatischen Einflüssen geschützt. Elektronische Bauteile werden durch bevorzugt Epohidharz-Materialien ummantelt, welche mittels Thermotransfermolden oder einem Umspritzprozess aufgetragen werden.

Ferner sind je nach verfügbarem Bauraum kleinere Schaltungsanordnungen bzw. Steuergeräte nötig. Dazu werden Leiterplatten in mehreren Ebenen ausgeführt, wobei die Leiterplatten auf unterschiedlichste Weise miteinander verbunden werden können. Ein Beispiel für eine entsprechende Verbindung von Leiterplatten mittels einer flexiblen Verbindung ist in der deutschen Patentanmeldung DE10 2013 216493 A1 offenbart. In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2013 219992 A1 wird eine Leiterplattenanordnung gezeigt, wobei zwei auf verschiedenen Seiten einer Grundplatte angeordnete Substrate über ein elektrisch leitendes flexibles Verbindungselement miteinander verbunden sind. Die Anordnung ist mit einem gegossenen Gehäuse umgeben.

Nachteilig bei den bekannten kompakten Schaltungsanordnungen ist, dass diese entweder keine oder eine nicht vollständig dichte Verkapselung der elektrischen Komponenten bereitstellen oder es keine Verkapselung gibt. Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine verbesserte kompakte bzw. bauraumoptimierte Leiterplattenanordnung mit robuster Verkapselung der Elektronik bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Vorgeschlagen wird eine Leiterplattenanordnung, umfassend zumindest eine mit Bauelementen bestückte, gestapelte oder gefaltete Leiterplatte, wobei sich Leiterplattenbereiche der Leiterplatte in einem Abstand und einem vorgegebenen Winkel zueinander gegenüber liegen und elektrisch miteinander an zumindest einem ihrer Randbereiche über jeweilige Verbindungsmittel verbunden sind, und wobei die Leiterplattenbereiche, auf den Leiterplattenbereichen angeordnete Bauelemente und die jeweiligen Verbindungsmittel mit einer Verkapselung derart umgeben sind, dass sie vollständig in die Verkapselung eingebettet sind.

Dadurch, dass die Leiterplattenbereiche in einem Abstand zueinander über entweder einen flexiblen Bereich bei der gefalteten Anordnung oder durch Trennelemente bei der gestapelten Anordnung angeordnet sind, ist die Bereitstellung einer Verkapselung auch zwischen diesen Bereichen bzw. um diese Bereiche sinnvoll, um auf dem oder den Leiterplattenbereichen befindliche elektrische oder elektronische Bauelemente vor äußeren Einflüssen zu schützen. In einer Ausgestaltung ist die Leiterplattenanordnung eine gefaltete Anordnung und die Leiterplattenbereiche sind über einen flexiblen Bereich in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet. In einer Ausgestaltung liegt der Winkel zwischen 45 Grad und 180 Grad. Je nachdem, welcher Bauraum bzw. welche Bauraumgröße und Bauraumform zur Verfügung steht, kann der Winkel der Leiterplattenbereiche zueinander entsprechend gewählt werden. Hier sind vor allem Winkel von 180 Grad, d.h. die Leiterplattenbereiche liegen sich direkt gegenüber, sowie Winkel von zumindest annähernd 90 Grad, d.h. die Leiterplattenbereiche stehen im Wesentlichen senkrecht aufeinander, bevorzugt.

In einer Ausgestaltung umfasst der flexible Bereich ein Einlegeteil. Ein Einlegeteil dient als mechanische Stabilisierung vor der Verkapselung, so dass der vorgegebene Winkel zwischen den Leiterplattenbereichen möglichst nicht durch das Aufbringend er Verkapselung geändert wird.

In einer Ausgestaltung ist die Leiterplattenanordnung über die Verkapselung an einem Kühlkörper angeordnet. In einer Ausgestaltung ist dabei zumindest ein Bauelement thermisch rückwärts entwärmt.

Vorteilhafterweise wird ein Kühlkörper aus Metall oder einem thermisch leitfähigen Kunststoff- bzw. Keramikmaterial zur thermischen Anbindung an die auf einem der Leiterplattenbereiche angeordnete Elektronik, also elektrischen oder elektronischen Bauelementen, thermisch angebunden, z.B. mittels einem Gapfilier oder einem Duroplast oder einem anderen geeigneten Material. Die Anbindung erfolgt dabei indem der Kühlkörper über die Verkapselung fixiert wird. Dabei kann mindestens ein Bauteil reverse thermisch entwärmt werden, entweder durch Anbindung an den Kühlkörper eines Steuergeräts oder indem es aus dem Duroplast, also der Verkapselung, herausragt und direkt an einem Kühl-/Anschraubkörper im Fahrzeug angebunden ist.

In einer Ausgestaltung umfasst die Leiterplattenanordnung zumindest einen an einem der Leiterplattenbereiche angeordneten und nach außen gewandten Stecker, wobei der Stecker in einem Bereich, an dem er an dem einen der Leiterplattenberei- che angeordnet ist, von der Verkapselung umgeben ist. In einer Ausgestaltung ist der Bereich, an dem der Stecker angeordnet ist, vorbehandelt.

Der zumindest eine Stecker dient zur Kontaktierung der Leiterplattenbereiche mit dem Äußeren, z.B. einem Steuergerät oder einem BUS. Die Anbindung des zumindest einen Steckers erfolgt mittels Lötung oder Pressfit oder es werden Freisparun- gen im Duroplast, d.h. in der Verkapselung, auf die entsprechenden Leiterplattenbereiche mittels z.B. Pads, Durchkontaktierungen, oder anderen geeigneten Mitteln, verwendet. Vorteilhaft ist es in manchen Fällen, dass der Bereich, an dem der zumindest eine Stecker angeordnet wird, vorbehandelt wird, um eine Abdichtung vom Duroplast zum Steckermaterial zu erzielen. Der Stecker ragt mit seinem Anschlussteil nach Außen aus dem Leiterplattenbereich heraus. Der restliche Teil des Steckers kann von der Verkapselung umgeben sein.

In einer Ausgestaltung ist die Leiterplattenanordnung mittels Fixierelementen fixiert. In den meisten Anwendungen wird die Anordnung nur über das Duroplast, d.h. die Verkapselung, in Position gehalten. Alternativ können die Leiterplattenbereiche, der zumindest eine Stecker und/oder der Kühlkörper vor der Duroplast-Kapselung mechanisch z.B. über Verschraubungen, Abstandshülsen oder andere geeignete Mittel fixiert werden.

In einer Ausgestaltung ist das Material der Verkapselung ein Duroplast oder ein Epoxidharz, bevorzugt umfassend ein Füllmaterial. Duroplasten und Epoxidharze weisen den Vorteil auf, dass sie in flüssiger Form auf die Anordnung aufgebracht werden können und somit eine dichte Verbindung mit allen Bauteilen entsteht, nachdem das Material ausgehärtet ist. Es entsteht also kein Deckel, der abnehmbar ist, sondern eine feste Verbindung zwischen den Materialien. Für die Verkapselung eignen sich viele Kunststoffmaterialien, d.h. der Fachmann wählt das Material je nach Anwendung.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer gefalteten verkapselten Leiterplattenanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer gefalteten verkapselten Leiterplattenanordnung gemäß einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer gestapelten verkapselten Leiterplattenanordnung gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Nachfolgend wird aufgrund der einfacheren Verständlichkeit lediglich der Begriff Ver- kapselung oder Umhüllung für Verguss, Umspritzung etc. verwendet.

In den Figuren sind zur vereinfachten Darstellung keine Bestückungen der Leiterplattenbereiche gezeigt, wobei die Leiterplattebereiche sowohl einseitig als auch beidseitig bestückt sein können.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer gefalteten verkapselten Leiterplattenanordnung 1 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer gefalteten verkapselten Leiterplattenanordnung gemäß einer alternativen Ausführung.

In Figuren 1 und 2 ist eine mit unterschiedlichen, teils elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen und einem Stecker 3 bestückte gefaltete Leiterplattenanord- nung 1 gezeigt. Als Bauelemente, welche in Figuren 1 und 2 zur Vereinfachung nicht dargestellt sind, können elektrische bzw. elektronische Bauelemente wie IC's, Widerstände, Kondensatoren, etc. dienen, wobei diese je nach Anwendung gewählt werden und in unterschiedlichen Ausführungen auf beiden Leiterplattenbereichen 10, 1 1 angeordnet sein können. Der in Figuren 1 und 2 gezeigte Stecker 3 ist mittels einer Löt- oder Einpressverbindung mit dem Leiterplattenbereich 1 1 verbunden. Ferner ist in Figuren 1 und 2 auf der nach außen gewandten Seite des Leiterplattenbereichs 10 ein Kühlkörper 6 über die Verkapselung 4, d.h. nicht direkt mit dem Leiterplattenbereich 1 1 verbunden, angeordnet. Dieser Kühlkörper 6 ist ein optionaler Bestandteil, der zur Abführung von Wärme der Bauelemente dient, und wird deshalb nicht näher erläutert. Ferner ist in Figur 1 ein Bauteil mit thermischer Rückwärts- bzw. reverse- Anbindung gezeigt, das auf dem Leiterplattenbereich 1 1 auf der dem Kühlkörper 6 zugewandten Seite angeordnet ist und durch den Kühlkörper 6 thermisch entwärmt wird.

Die gesamte Leiterplattenanordnung 1 mit den Leiterplattenbereichen 10 und 1 1 und den Bauelementen 2 und 3 ist mit einer Verkapselung 4 umhüllt. Die Verkapselung 4 ist beispielsweise eine Verguss- oder Umspritzmasse, die flüssig aufgebracht wird und später aushärtet. Geeignete Materialien sind dabei beispielsweise Duroplasten oder Epoxidharze oder Silikone oder andere geeignete Materialien.

Eine gefaltete Leiterplattenanordnung 1 , wie in Figuren 1 und 2 gezeigt, zeichnet sich dadurch aus, dass eine einzelne Leiterplatte in mindestens zwei, mittels einem flexiblen Bereich 101 verbundene Leiterplattenbereiche, in Figuren 1 und 2 in zwei Leiterplattenbereiche 10 und 1 1 , aufgeteilt ist. Der flexible Bereich 101 kann ein aus der Leiterplatte ausgefräster bzw. tiefgefräster Bereich sein, der dadurch flexibel bzw. biegbar wird. Somit können die beiden durch diesen flexiblen Bereich 101 verbundenen Leiterplattenbereiche 10 und 1 1 der Leiterplatte derart gefaltet werden, dass sie sich in einem Abstand zueinander gegenüber liegen oder einen vorgegebenen Winkel zueinander bilden. In den meisten Anwendungen wird ein Winkel von 180 Grad gewählt werden, d.h. dass sich die Leiterplattebereiche 10 und 1 1 bzw. auch weitere Bereiche, gegenüber liegen. Allerdings kann auch ein anderer Winkel gewählt wer- den, z.B. ein 90 Grad-Winkel, wie in Fig. 2 gezeigt. Je nach Anwendung kann also der Winkel der Leiterplattenbereiche 10 und 1 1 zueinander gewählt werden.

Zur Stabilisierung des flexiblen Bereichs 101 kann ein Einlegeteil 5 vorgesehen sein, welches den flexiblen Bereich 101 bei Aufbringen der Verkapselung 4, welche in der Regel ein flüssiges Material ist, das später aushärtet, vor Verformung schützt, also mechanisch stabilisiert. Dabei kann die Form, Größe, Beschaffenheit und Position des Einlegeteils 5 je nach Anwendung vom Fachmann entsprechend gewählt werden.

In Fig. 3 ist eine alternative Leiterplattenanordnung 1 gezeigt. Diese unterscheidet sich von der in Figuren 1 und 2 gezeigten lediglich dadurch, dass sie nicht gefaltet, sondern gestapelt ist. Hier sind zwei Leiterplattenbereiche 10 und 1 1 in einem Abstand zueinander, sich gegenüberliegend und durch zwei Verbindungsmittel 102 voneinander getrennt und miteinander elektrisch verbunden, angeordnet. D.h. dass hier die Leiterplattenbereiche 10 und 1 1 aus einzelnen, elektrisch über die elektrischen Verbindungselemente 102 verbundenen Leiterplatten oder aus einer in zwei oder mehrere Leiterplattenbereiche 10, 1 1 geteilten Leiterlatte gebildet sind. Je nach Anwendung kann es sinnvoller sein, gefaltete oder gestapelte Leiterplattenanordnungen oder eine Kombination daraus zu verwenden. Dies wird vom Fachmann entschieden.

In Figuren 1 bis 3 sind zwei Leiterplattenbereiche 10 und 1 1 gezeigt, die mittels einem flexiblen Bereich 101 bzw. über Verbindungselemente 102 miteinander verbunden sind. Allerdings ist die Erfindung nicht auf eine gefaltete oder gestapelte Leiterplattenanordnung 1 mit zwei Leiterplattenbereichen 10 und 1 1 beschränkt. Vielmehr können auch mehrere durch einen flexiblen Bereich oder durch Verbindungselemente miteinander elektrisch in Verbindung stehende Leiterplattenbereiche 10 und 1 1 zur Verfügung gestellt werden. Auch eine Kombination zwischen gefalteter und gestapelter Leiterplattenanordnung 1 ist möglich.

In den Figuren nicht gezeigt ist, dass die Leiterplattenanordnung mittels Fixierelementen fixiert sein kann, wenn die Verkapselung die Anordnung nicht in Position hal- ten kann, z.B. da ein oder mehrere der Leiterplattenbereiche eine große Länge aufweisen und somit ein Winkel zu einem anderen Leiterplattenbereich nicht gehalten werden kann. Hierfür können die Leiterplattenbereiche, Stecker und/oder Kühlkörper vor der Duroplast-Kapselung mechanisch z.B. über Verschraubungen, Abstandshülsen oder andere geeignete Mittel fixiert werden.

Zur Befestigung des Steuergerätes mit der Leiterplattenanordnung im Fahrzeug können ferner - ebenfalls nicht gezeigte - Schraubaugen am Kühlkörper oder am Duroplast bzw. Steckerkörper vorgesehen sein. Auch können zusätzliche Anschraubbuchsen im Kunststoff, also der Verkapselung vorgesehen sein.

Durch die Bereitstellung der Kombination aus gestapelter und/oder gefalteter Leiterplattenanordnung, welche durch eine Verkapselung umgeben ist, sowie der Anbind- barkeit weiterer Bauteile an diese Anordnung, ist ein bauraumoptimiertes Aufbaukonzept mit einer robusten Kapselung der Elektronik realisiert.

Bezuqszeichen

Leiterplattenanordnung

Leiterplattenbereiche

Flexibler Bereich der Leiterplatte

Elektrische Verbindungselemente entwärmtes Bauelement

Stecker

Verkapselung

Einlegeteil

Kühlkörper

Claims

Patentansprüche

1 . Leiterplattenanordnung (1 ), umfassend zumindest eine mit Bauelementen (2) bestückte, gestapelte und/oder gefaltete Leiterplatte,

wobei sich Leiterplattenbereiche (10, 1 1 ) der Leiterplatte (1 ) in einem Abstand und einem vorgegebenen Winkel zueinander gegenüber liegen und elektrisch miteinander an zumindest einem ihrer Randbereiche über jeweilige Verbindungsmittel (101 , 102) verbunden sind,

und wobei die Leiterplattenbereiche (10, 1 1 ), auf den Leiterplattenbereichen (10, 1 1 ) angeordnete Bauelemente (2) und die jeweiligen Verbindungsmittel (101 , 102) mit einer Verkapselung (4) derart umgeben sind, dass sie vollständig in die Verkapselung (4) eingebettet sind.

2. Leiterplattenanordnung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei Leiterplattenanordnung (1 ) eine gefaltete Anordnung ist und die Leiterplattenbereiche (10, 1 1 ) über einen flexiblen Bereich (101 ) in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sind.

3. Leiterplattenanordnung (1 ) nach Anspruch 2, wobei der Winkel zwischen 45 Grad und 180 Grad liegt.

4. Leiterplattenanordnung (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der flexible Bereich (101 ) ein Einlegeteil (5) umfasst.

5. Leiterplattenanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplattenanordnung (1 ) über die Verkapselung (4) an einem Kühlkörper (6) angeordnet ist.

6. Leiterplattenanordnung (1 ) nach Anspruch 5, wobei zumindest ein Bauelement (2) thermisch rückwärts entwärmt ist.

7. Leiterplattenanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest einen an einem der Leiterplattenbereiche (10, 1 1 ) angeordneten und nach außen gewandten Stecker (3), wobei der Stecker (3) in einem Bereich, an dem er an dem einen der Leiterplattenbereiche (10, 1 1 ) angeordnet ist, von der Verkapselung (4) umgeben ist.

8. Leiterplattenanordnung (1 ) nach Anspruch 7, wobei der Bereich, an dem der Stecker (3) angeordnet ist, vorbehandelt ist.

9. Leiterplattenanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Lei- terplattenanordnung(l ) mittels Fixierelementen fixiert ist.

10. Leiterplattenanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der Verkapselung (4) ein Duroplast oder ein Epoxidharz, bevorzugt umfassend ein Füllmaterial, ist.