Elektrisches Steuergerät mit Moldgehäuse

Stand der Technik

Elektrische Steuergeräte werden in unterschiedlichen Bereichen für

unterschiedliche Anwendungen eingesetzt. Zum Schutze der im Steuergerät befindlichen Schaltungselemente vor der Umgebung, insbesondere vor elektrisch leitfähigen und aggressiven Medien, befinden sich die Schaltungselemente in einem Gehäuse.

Das Gehäuse kann z.B. schalenförmig einen Schaltungsträger mit den

Schaltungselementen umgeben. Ferner sind Moldgehäuse bekannt, in die der Schaltungsträger eingegossen werden kann. Z.B. offenbart EP 1 396 885 Bl einen Schaltungsträger mit Schaltungselementen. Der Schaltungsträger wird auf einer Grundplatte angeordnet und von einem Moldgehäuse umgeben. Bei einem derartigen Aufbau kann die Stabilität und Lebensdauer des Steuergeräts eingeschränkt sein, weil z.B. auf Grund unterschiedlicher

Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien des Schaltungsträgers, der Grundplatte und des Moldgehäuses thermomechanische Spannungen im Inneren des Steuergeräts auftreten können.

Offenbarung der Erfindung

Es kann daher ein Bedarf an einem verbesserten elektrischen Steuergerät bestehen, das einen einfacheren Aufbau aufweist und eine bessere

Wärmeableitung ermöglicht. Diese Aufgabe kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer

Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein elektrisches Steuergerät vorgestellt. Das Steuergerät weist einen Schaltungsträger mit einer ersten Oberfläche und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten

Oberfläche auf. An der ersten Oberfläche ist mindestens ein elektrisches Bauteil angeordnet. Der Schaltungsträger ist in einem Moldgehäuse aus einer

Moldmasse angeordnet. Dabei befindet sich sowohl die erste Oberfläche als auch die zweite Oberfläche in direktem thermischem Kontakt mit der Moldmasse.

Anders ausgedrückt basiert die Idee der vorliegenden Erfindung darauf, den Schaltungsträger mit den darauf befindlichen elektrischen Bauteilen von allen Seiten mit Moldmasse zu umgeben bzw. einzugießen, so dass die Moldmasse möglichst symmetrisch auf der ersten und zweiten Oberfläche verteilt ist. Durch die Anordnung der Moldmasse direkt auf beiden Seiten des Schaltungsträgers kann auf weitere großflächige Bauteile und damit auf weitere Materialein verzichtet werden. Insbesondere kann eine im Stand der Technik verwendete Grundplatte weggelassen werden. Hierdurch kann die Anzahl der benötigten Komponenten verringert werden. Ferner werden auf diese Weise

thermomechanische Spannungen im Inneren des elektrischen Steuergeräts verringert. Eine Verlustleistung der elektrischen Bauteile kann dabei dank des thermischen Kontakts der Moldmasse zu beiden Oberflächen des

Schaltungsträgers über alle Oberflächen des Moldgehäuses mittels

Wärmeleitung oder Wärmestrahlung abgeben werden. Dies kann zu einer effektiveren Kühlung des Steuergeräts beitragen.

Das elektrische Steuergerät kann z.B. in Kraftfahrzeugen zur Regelung von fahrzeugspezifischen Vorgängen verwendet werden. Insbesondere kann das elektrische Steuergerät als Getriebesteuergerät für Kraftfahrzeuge ausgeführt sein. Der Schaltungsträger, auch als Leiterbahnsubstrat bezeichnet, kann als

Keramiksubstrat ausgeführt sein. Z.B. kann der Schaltungsträger Aluminiumoxid Al ₂ 0 ₃ ,„hight temperature cofired ceramic" (HTCC), "low temperature cofired ceramic" (HTCC) oder einem konventionellen gedruckten Schaltungsträger (PCB) aufweisen.

Der Schaltungsträger kann in Form einer Platte mit einer ersten Seite bzw.

Oberfläche und einer zweiten Seite bzw. Oberfläche ausgeführt sein. Auf der ersten Oberfläche ist ein und vorzugsweise mehrere elektrische Bauteile angeordnet. Ferner können elektrische Bauteile, auch als Schaltungselemente bezeichnet, auf der zweiten Oberfläche angeordnet sein. Die

Schaltungselemente können z.B. als„Central Processing Unit" (CPU), Input- und Outputschaltkreise ausgeführt sein.

Das Moldgehäuse besteht aus einer Moldmasse, die z.B. als harzbasierter Kunststoff oder Duroplast ausgeführt ist. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit der Moldmasse kann dabei größer als 1 Watt/Kelvin und Meter (W/Km) sein.

Vorzugsweise kann das Moldgehäuse den kompletten Schaltungsträger mit allen elektrischen Bauteilen umschließen. Die Moldmasse befindet sich dabei unmittelbar auf allen Oberflächen des Schaltungsträgers und auf den

elektrischen Bauteilen und sorgt gleichzeitig für einen Schutz und für eine möglichst optimale Wärmeableitung.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das elektrische

Steuergerät ferner ein Auflageelement auf, das ausgeführt ist den

Schaltungsträger durch das Moldgehäuse hindurch mit einer Trägerplatte mechanisch zu verbinden bzw. den Schaltungsträger während des Moldvorgangs in Bezug auf die Trägerplatte zu fixieren. Die Trägerplatte hat während des Moldprozesses die Aufgabe, den Schaltungsträger in seiner geometrischen Ziel- Position zu halten.

Das Auflageelement kann als Kontaktrahmen mit mindestens drei Auflageflächen ausgeführt sein. Der Kontaktrahmen, auch als Kontaktierungsleiste oder Lead- Frame bezeichnet, ist dabei mit einer Ausnehmung in der Mitte versehen durch die der Schaltungsträger von beiden Seiten in Kontakt mit der Moldmasse steht. Der Kontaktrahmen kann ein leitfähiges Material aufweisen. Z.B. besteht der Kontaktrahmen aus Kupfer. Die Auflageflächen können z.B. die Ränder des Rahmens sein. Beispielsweise kann die Ausnehmung in der Mitte des

Kontaktrahmens etwas geringere Abmessungen aufweisen als der

Schaltungsträger, so dass der Schaltungsträger auf den Rändern des

Kontaktrahmens aufliegt. Alternativ oder zusätzlich können bei viereckiger

Ausführung des Kontaktrahmens an den Ecken des Kontaktrahmens

Auflageflächen vorgesehen sein, die in der Ebene des Rahmens in die

Ausnehmung hineinragen. Am Kontaktrahmen sind ferner Kontaktpins vorgesehen, die bei der hier dargestellten Ausführung mit Hilfe von Bonddrähten mit den elektrischen Bauteilen verbunden sind.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind mindestens drei Kontaktpins des Kontaktrahmens als Auflageflächen ausgeführt. D.h. die

Kontaktpins reichen in die Ausnehmung hinein bis zum Schaltungsträger und insbesondere bis zu den elektrischen Bauelementen. Auf diese Weise werden die elektrischen Bauelemente direkt elektrisch kontaktiert und die Bonddrähte sind zumindest teilweise entbehrlich. Die Kontaktpins bieten dabei sowohl einen elektrischen Kontakt als auch eine Auflagefläche.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das

Auflageelement als Distanzblock, auch als bestückter Klotz bezeichnet, ausgeführt. Der Distanzblock ist dabei an der Trägerplatte angeordnet und ersetzt den Kontaktrahmen. Der Schaltungsträger kann dabei an mindestens drei der Distanzblocks aufliegen. Die Distanzblocks weisen ein elektrisch leitfähiges Material auf und/oder sind mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet. Auf diese Weise werden die elektrischen Bauelemente direkt elektrisch kontaktiert und sowohl der Kontaktrahmen mit den Kontaktpins als auch die Bonddrähte sind entbehrlich. Damit können die Distanzblocks sowohl als mechanische Verbindung als auch als elektrischer Kontakt zu dem

Schaltungsträger darstellen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der

Schaltungsträger eine Symmetrieebene auf. Die Moldmasse ist in Bezug auf eine Symmetrieebene des Schaltungsträgers symmetrisch auf die erste und zweite Oberfläche verteilt. In der Symmetrieebene liegt die größte Ausdehnung des Schaltungsträgers. Bei einer Ausführung des Schaltungsträgers als Platte verläuft die Symmetrieebene z.B. parallel zu der ersten und zu der zweiten Oberfläche des Schaltungsträgers. Die Symmetrieebene ist dabei insbesondere eine thermo-mechanische

Symmetrieebene. D.h. die Symmetrieebene verläuft derart durch den

Schaltungsträger, dass auch die Ausdehnung der am Schaltungsträger angeordneten elektrischen Bauteile berücksichtigt ist.

Anders ausgedrückt ist der Schaltungsträger in etwa in der thermo- mechanischen Symmetrieachse des Moldgehäuses angeordnet. Ein erstes

Volumen der Moldmasse oberhalb des Schaltungsträgers steht mit der ersten Oberfläche in thermischem Kontakt und entspricht im Wesentlichen einem zweiten Volumen unterhalb des Schaltungsträgers, das mit der zweiten

Oberfläche in thermischem Kontakt steht. Thermo-mechanische Spannungen auf Grund unterschiedlicher temperaturabhängiger Wärmeausdehnungskoeffizienten der Moldmasse und des Materials des Schaltungsträgers wirken auf diese Weise symmetrisch und beugen z.B. Rissbildung vor.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung überdeckt die Moldmasse das elektrische Bauteil um maximal 0,5 mm. Durch die symmetrische

Aufteilung der Moldmasse um den Schaltungsträger und die elektrischen

Bauteile kann bereits eine kleinere Moldmasseschicht zum Schutz der elektrischen Bauteile und zur optimalen Wärmeableitung genügen. Somit kann das Gesamtvolumen der benötigten Moldmasse im Vergleich zu bekannten Ausführungen verringert werden und auf diese Weise Material und Kosten eingespart werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Material der Moldmasse derart gewählt ist, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der Moldmasse möglichst dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des

Schaltungsträgers entspricht bzw. möglichst wenig von diesem abweicht.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient, auch als Temperaturkoeffizient bezeichnet, kann z.B. so gewählt sein, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient der

Moldmasse inklusive seiner Toleranzen größer ist, als der

Wärmeausdehnungskoeffizient des Schaltungsträgers inklusive seiner Toleranzen. Der Unterschied ist dabei jedoch so gering wie möglich. Z.B. kann der Wärmeausdehnungskoeffizient von LTCC bei 5,5 ± 0,5 ppm/K liegen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Moldmasse kann dabei bei 7 ± 1 ppm/K liegen.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen elektrischen Steuergeräts vorgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Schaltungsträgers mit einer ersten Oberfläche und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche; Anordnen mindestens eines elektrischen Bauteils an der ersten Oberfläche; Positionieren des Schaltungsträgers an einem Auflageelement, das den Schaltungsträger mechanisch und vorzugsweise auch elektrisch mit einer Trägerplatte verbindet; Vergießen des Schaltungsträgers mit Moldmasse, so dass die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche in direktem thermischem Kontakt mit der Moldmasse sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem

Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter

Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein elektrisches Steuergerät mit

entsprechender Wärmeableitung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Querschnitt durch ein Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung

Fig. 3 zeigt ein als Kontaktrahmen ausgeführtes Auflageelement

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch ein elektrisches Steuergerät gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung

Fig. 5 zeigt die Anordnung des elektrischen Steuergeräts an einer Trägerplatte

Fig. 6 zeigt unterschiedliche Kontaktierungsvarianten der elektrischen Bauteile Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.

In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße elektrische Steuergerät 1 dargestellt. Das elektrische Steuergerät 1 weist einen Schaltungsträger 3 auf, der von einem Moldgehäuse 11 umgeben ist. Der Schaltungsträger 3 weist eine erste

Oberfläche 5 und eine der ersten Oberfläche 5 gegenüberliegende zweite Oberfläche 7 auf. Auf der ersten Oberfläche 5 sind elektrische Bauteile 9 wie z.B. eine CPU angeordnet. Über eine elektrische Kontaktierung 37 können die elektrischen Bauteile 9 mit weiteren elektrischen Elementen außerhalb des Steuergeräts verbunden werden.

Das Moldgehäuse 11 besteht aus einer Moldmasse 13, in die der

Schaltungsträger 3 mit den darauf befindlichen elektrischen Bauteilen 9 eingegossen ist. Dabei stehen die erste und die zweite Oberfläche 5, 7 in direktem thermischem Kontakt mit der Moldmasse 13. D.h. die Moldmasse 13 umgibt den Schaltungsträger 3 von allen Seiten und ist dabei um eine thermo- mechanische Symmetrieebene 27 symmetrisch verteilt. Durch diese

Ausgestaltung wird die Anzahl der Komponenten des elektrischen Steuergeräts 1 minimal gehalten, insbesondere, weil auf eine Grundplatte unterhalb des

Schaltungsträgers 3 verzichtet werden kann. Ferner werden durch die

symmetrische Ausgestaltung thermomechanische Spannungen zwischen Schaltungsträger 3 und Moldmasse 13 verringert. Eine Verlustleistung der elektrischen Bauteile 9 kann dank des direkten thermischen Kontakts der Moldmasse 13 zu allen Oberflächen 5, 7 des Schaltungsträgers 3 effektiv mittels Wärmeleitung oder Wärmestrahlung abgeben werden. Dies ist in Fig. 1 durch

Pfeile angedeutet. Insbesondere kann ein Haupanteil der im elektrischen

Steuergerät 1 erzeugten Wärme durch die Moldmasse 13 mittels Wärmeleitung direkt in eine Wärmesenke, auch als„Heatsink" bezeichnet, abgegeben werden. Die Wärmesenke kann z.B. eine Trägerplatte 19 bzw. eine Ventilplatte (in Fig. 1 nicht gezeigt) sein. Dies ist in Fig. 1 durch die nach oben gerichteten Pfeile dargestellt. Ein weiterer Teil der Wärme kann durch Konvektion eines Fluids an den Oberflächen des Moldgehäuses 11 über Wärmestrahlung an die Umgebung abgegeben werden. Ferner kann ein weiterer Teil der Wärme durch

Wärmeleitung an das umgebende Fluid, wie z.B. Luft oder Getriebeöl, abgegeben werden. Somit ist eine Entwärmung bzw. Wärmeableitung über die Gesamtfläche des Schaltungsträgers 3 und der Moldmasse 13 möglich.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch das elektrische Steuergerät entlang einer Ebene senkrecht zur in Fig. 1 dargestellten Ebene, d.h. parallel zur

Symmetrieebene 27 gezeigt. Das Ausführungsbeispiel in Fig. 2 zeigt die

Anordnung des Schaltungsträgers 3 an einem Auflageelement 15, welches den

Schaltungsträger 3 durch das Moldgehäuse 11 hindurch mit einer Trägerplatte 19 verbindet. Das Auflageelement ist in Fig. 2 als Kontaktrahmen 21 ausgeführt. Die elektrische Kontaktierung 37 ist in Form von Kontaktpins 23 am Kontaktrahmen 21 ausgeführt. Alternativ kann das Auflageelement 15 wie in Fig. 6C gezeigt als Distanzblock 25 ausgeführt sein. Der Schaltungsträger 3 kann z.B. mittels

Aluminium-Bonddrähten auf die Kontaktpins 23 eines Kontaktrahmens 21 oder alternativ auf eine Flex- Folie (in den Fig. nicht gezeigt) elektrisch kontaktieren. Alternativ kann wie in den Fig. 4 bis 6 dargestellt eine Direktkontaktierung unmittelbar auf die Kontaktpins 23 oder auf den Distanzblock 25 vorgenommen werden.

Der Kontaktrahmen 21 in Fig. 2 weist an den Ecken Auflageflächen 17 auf (von denen nur eine gezeigt ist) die zum Fixieren des Schaltungsträgers 3 während des Moldvorgangs dienen. In der Mitte des Kontaktrahmens 21 ist eine

Ausnehmung vorgesehen durch die die Moldmasse 13 auch von unten mit dem

Schaltungsträger 3 in Kontakt tritt.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Kontaktrahmens 21 mit den Kontaktpins 23 und der Auflagefläche 17. Die Kontaktpins sind mittels eines Stützrahmens 39, auch als Dam-Bar bezeichnet, miteinander verbunden. Der

Stützrahmen 39 kann ferner zur Abdichtung eines Werkzeugs während des Moldporzesses dienen und wird nach dem Moldprozess freigestanzt. Die Kontur des auf der Auflagefläche 17 aufliegenden Schaltungsträgers 3 ist gestrichelt dargestellt. Die Auflagefläche 17 können alternativ dadurch ersetzt werden, dass die Kontaktpins 23 bis zum Schaltungsträger 3 reichen und gleichzeitig als direkte elektrische Kontaktierung und als Auflagefläche 17 dienen. Dies ist z.B. in Fig. 4 gezeigt.

Fig. 4 verdeutlicht ferner, dass die Moldmasse 13 den Schaltungsträger 3 mit den elektrischen Bauteilen 9 vollständig umschließt. Ferner ist die Moldmasse 13 so verteilt, dass das Volumen der Moldmasse 13 über und unter dem

Schaltungsträger 3 und insbesondere über und unter der thermomechanischen Symmetrieebene 27 nahezu gleich ist. Hierdurch wirken eventuell aufkommende thermomechanische Spannungen symmetrisch auf den Schaltungsträger 3. Insbesondere ist das„höchste" der elektrischen Bauteile 9 um maximal 0,5 mm mit Moldmasse 13 überdeckt.

Die elektrische Kontaktierung 37 des Schaltungsträgers 3 bzw. der elektrischen Bauteile 9 erfolgt in den Ausführungsbeispielen in Fig. 4 bis 6 direkt. Somit übernehmen die Auflageflächen 17 gleichzeitig die Funktionen einer

mechanischen und elektrischen Kontaktierung. Die elektrische

Direktkontaktierung kann z.B. durch Klebung, insbesondere mittels eines Silberleitklebers oder durch Löten auf der ersten Oberfläche 5 und/oder auf der zweiten Oberfläche 7 erfolgen.

Bei einer Ausgestaltung als Getriebesteuergerät kann durch den direkten thermische Kontakt der Moldmasse 13 auf allen Seiten bzw. Oberflächen 5, 7 des Schaltungsträgers 3 sowohl eine Wärmestrahlung in das Getriebe (obere Pfeile in Fig. 4) als auch die Wärmeleitung auf einer Bauteilseite, z.B. auf Seiten einer Trägerplatte 19 (unterer Pfeil in Fig. 4) zur Kühlung des elektrischen

Steuergeräts 1 genutzt werden.

Fig. 5 zeigt die Anordnung des elektrischen Steuergeräts 1 an einer Trägerplatte 19. Das Auflageelement 15 verbindet dabei den Schaltungsträger 3 mechanisch und vorzugsweise auch elektrisch mit einer Leiterplatte 29, auch als Printed

Circuit Board (PCB) bezeichnet. Die Leiterplatte 29 ist dabei auf einer

Trägerplatte 19 angeordnet. Zwischen dem elektrischen Steuergerät 1 und der Trägerplatte 19 kann sich ein Fluidfilm, z.B. ein Ölfilm, von etwa 200 μηη befinden. Der Fluidfilm ist durch Punkte in Fig. 5 angedeutet. In Fig. 6 sind unterschiedliche Direktkontaktierungsvarianten des

Schaltungsträgers 3 und der elektrischen Bauteile 9 dargestellt. Die

Auflageflächen 17 bieten dabei eine mechanische und gleichzeitig eine elektrische Kontaktierung des Schaltungsträgers 3 durch das Moldgehäuse 11.

Fig. 6A zeigt ein sogenanntes Gullwings IC-Konzept (Integrated Circuit- Konzept). Dabei sind Kontaktpins 23 eines Kontaktrahmens 21 Z-förmig ausgeführt. Diese werden an den Schaltungsträger 3 z.B. an den Lötstelle 33 gelötet. Außerhalb des elektrischen Steuergeräts 1 sind die Kontaktpins 21 an eine Leiterplatte 29 an der Lötstelle 33 gelötet.

In Fig. 6B ist ein QFN-Prinzip (Quad Fiat No Leads- Prinzip) der

Direktkontaktierung gezeigt. Im Unterschied zu Fig. 6B ist das Moldgehäuse 11 mit einer Abstufung 31 ausgeführt. Der Kontaktrahmen 21 ist ferner unter das Moldgehäuse 11 gebogen und direkt an einer Leiterplatte 29 unter dem

Moldgehäuse 11 gelötet. Bei dieser Ausgestaltung kann Bauraum eingespart werden.

Fig. 6C zeigt ein BGA-Prinzip (Ball Grid Array- Prinzip) der Direktkontaktierung. Die mechanische und elektrische Kontaktierung des Schaltungsträgers 3 wird hierbei über Distanzblocks 25 gewährleistet. Das Moldgehäuse 11 kann hierbei wie in Fig. 6B eine Abstufung 31 aufweisen. Die Distanzblocks 25 können auf einer Seite mit der Leiterplatte 29 verlötet sein. Ferner kann an Leiterplatte 29 und am Distanzblock 25 ein Epoxy-Underfill zur Abdichtung und Fixierung des elektrischen Steuergeräts 1 vorgesehen sein. Auf der anderen Seite können die

Distanzblocks 25 am Schaltungsträger 3 mittels eines Leitklebers angeklebt sein. Die Distanzblocks 25 können z.B. ca. lxlxl mm Abmessungen aufweisen.

Ferner sind mindestens drei Distanzblocks 25 am Moldgehäuse 11 vorgesehen. Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie„aufweisend" oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.