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MAIER, Thomas (Neckermannstr. 14, Neuburg v. Wald, 92431, DE)
| Patentansprüche 1 . Elektronische Steuerbaugruppe (1 ) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine Getriebesteuerbaugruppe, wobei die Steuerbaugruppe (1 ) ein zu entwärmendes Bauelement (4) aufweist, welches an einer ersten Seite (3a) einer beidseitig bestückten Leiterplatte (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (3) zwischen der ersten (3a) und einer gegenüberliegenden zweiten (3b) Seite eine elektrisch leitfähige Lage (9) aufweist, welche mit dem zu entwärmenden Bauelement (4) in thermisch leitender Verbindung steht, und wobei das zu entwärmende Bauelement (4) ferner mit einem zur ersten Seite (3a) benachbarten Kühlelement (6), insbesondere einem Gehäuseelement (2a) der Steuerbaugruppe (1 ), in thermisch leitender Verbindung steht. 2. Steuerbaugruppe (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zu entwärmende Bauelement (4) ein Mikroprozessor-Bauelement, insbesondere ein Mikrocontroller-Bauelement ist. 3. Steuerbaugruppe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu entwärmende Bauelement (4) zur thermisch leitenden Verbindung mit der elektrisch leitfähigen Lage (9) einen thermisch leitfähigen Bereich (4a) aufweist, welcher der ersten Seite (3a) der Leiterplatte (3) zugewandt ist. 4. Steuerbaugruppe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu entwärmende Bauelement (4) mittels eines Bauelementgehäuses (4c) mit dem Kühlelement (6) thermisch leitend verbunden ist. 5. Steuerbaugruppe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (3) an der zweiten Seite (3b) mit wenigstens einem weiteren elektronischen Bauelement (8) bestückt ist, welches das zu entwärmende Bauelement (4) in Richtung von der zweiten (3a) zur ersten (3b) Seite überlappt. 6. Steuerbaugruppe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Lage (9) eine Masselage ist. 7. Steuerbaugruppe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (3) eine Multilayer-Leiterplatte, insbesondere eine HDI-Leiterplatte ist. 8. Steuerbaugruppe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterplattenmaterial der Leiterplatte (3) FR4 ist. 9. Steuerbaugruppe (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bauelementgehäuse (4c) des zu entwärmenden Bauelements (4) und dem Kühlelement (6) der Steuerbaugruppe (1 ) eine Wärmeleitschicht (7) angeordnet ist. 10. Steuerbaugruppe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu entwärmende Bauelement (4) mittels eines thermischen Vias (5) mit der elektrisch leitfähigen Lage (9) thermisch leitend verbunden ist. 1 1 . Steuerbaugruppe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem zu entwärmenden Bauelement (4) wenigstens ein weiteres elektronisches Bauelement (8) an der zweiten Seite (3b), insbesondere ein Leistungsbauelement, in thermisch leitender Verbindung mit der elektrisch leitfähigen Lage (9) und/oder dem Kühlelement (6) steht. |
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Steuerbaugruppe für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 .
Im Stand der Technik ist z.B. aus der Druckschrift EP 1 648 744 B1 eine Elektronikeinheit, insbesondere ein Steuergerät, bekannt, welche zur Steuerung, z.B. der Motorsteuerung, in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist. Die bekannte Elektronikeinheit weist eine beidseitig bestückte Leiterplatte auf, wobei ein erster, mittlerer Leiterplattenabschnitt zweiseitig bestückt ist und ein zweiter, randseitiger Leiterplattenabschnitt einfach bestückt und mittels Wärmeleitkleber mit einem Gehäuse zur Entwärmung verbunden ist. Im effizienter entwärmten, zweiten Leiterplattenabschnitt sind vorzugsweise stark Wärme erzeugende Komponenten angeordnet.
Bei Steuerungen bzw. Steuerbaugruppen zum Einsatz im Kraftfahrzeug ist regelmäßig ein Augenmerk auf den benötigten Bauraum zu richten, welcher maßgeblich von der Notwendigkeit der Entwärmung der an der Leiterplatte anzuordnenden Komponenten über ein Kühlelement, z.B. das Gehäuse, mitbestimmt wird. In dieser Hinsicht ist die im Stand der Technik vorgeschlagene Lösung verbesserungsfähig.
Ausgehend vom eingangs geschilderten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Steuerbaugruppe für ein Kraftfahrzeug vorzuschlagen, welche eine gute Entwärmung eines an einer Leiterplatte angeordneten, zu entwärmenden Bauelements einhergehend mit geringen Bauraumanforderungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine elektronische Steuerbaugruppe für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine Getriebesteuerbaugruppe, wobei die Steuerbaugruppe ein zu entwärmendes Bauelement aufweist, welches an einer ersten Seite einer beidseitig bestückten Leiterplatte angeordnet ist, wobei die Leiterplatte zwischen der ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite eine elektrisch leitfähige Lage aufweist, welche mit dem zu entwärmenden Bauelement in thermisch leitender Verbindung steht, und wobei das zu entwärmende Bauelement ferner mit einem zur ersten Seite benachbarten Kühlelement, insbesondere einem Gehäuseelement der Steuerbaugruppe, in thermisch leitender Verbindung steht.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Steuerbaugruppe ist das zu entwärmende Bauelement ein Mikroprozessor-Bauelement, insbesondere ein Mikrocontroller-Bauelement.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Steuerbaugruppe weist das zu entwärmende Bauelement zur thermisch leitenden Verbindung mit der elektrisch leitfähigen Lage einen thermisch leitfähigen Bereich auf, insbesondere in Form eines exposed pads, welcher der ersten Seite der Leiterplatte zugewandt ist.
Bei noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Steuerbaugruppe ist das zu entwärmende Bauelement mittels eines Bauelementgehäuses mit dem Kühlelement thermisch leitend verbunden.
Gemäß einem Aspekt der erfindungsgemäßen Steuerbaugruppe ist die Leiterplatte an der zweiten Seite mit wenigstens einem weiteren elektronischen Bauelement bestückt, welches das zu entwärmende Bauelement in Richtung von der zweiten zur ersten Seite überlappt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der erfindungsgemäßen Steuerbaugruppe ist die elektrisch leitfähige Lage eine Masselage bzw. eine Ground-Lage. Gemäß noch einem weiteren Aspekt der erfindungsgemäßen Steuerbaugruppe ist die Leiterplatte eine Multilayer-Leiterplatte, insbesondere eine HDI- Leiterplatte.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch eine Steuerbaugruppe, wobei das Leiterplattenmaterial der Leiterplatte FR4 ist.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Steuerbaugruppe vorgeschlagen, wobei zwischen dem Bauelementgehäuse des zu entwärmenden Bauelements und dem Kühlelement der Steuerbaugruppe eine Wärmeleitschicht angeordnet ist.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerbaugruppe ist das zu entwärmende Bauelement mittels eines thermischen Vias mit der elektrisch leitfähigen Lage thermisch leitend verbunden, wobei das Via insbesondere mit dem thermisch leitfähigen Bereich thermisch leitend verbunden ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerbaugruppe steht neben dem zu entwärmenden Bauelement wenigstens ein weiteres elektronisches Bauelement an der zweiten Seite, insbesondere ein Leistungsbauelement, in thermisch leitender Verbindung mit der elektrisch leitfähigen Lage und/oder dem Kühlelement.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, 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 Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 exemplarisch einen Ausschnitt aus einer Steuerbaugruppe gemäß dem Stand der Technik; und
Fig. 2 exemplarisch eine Schnittansicht einer Steuerbaugruppe gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Elemente aus dem Stand der Technik sind dabei mit gestrichenen Bezugszeichen versehen, Elemente der Erfindung mit ungestrichenen Bezugszeichen.
Die Fig. 1 zeigt exemplarisch einen Ausschnitt aus einer Steuerbaugruppe 1 ' gemäß dem Stand der Technik. Innerhalb eines Gehäuses 2', welches aus Unterteil 2a' und Oberteil 2b' besteht, ist eine Leiterplatte 3' angeordnet, welche mit einem zu entwärmenden Bauelement 4', z.B. einem Mikrocontroller, bestückt ist. Um die Abwärme des MikroControllers 4' in ausreichendem Umfang abführen zu können, ist ein thermisch leitender Bereich 4a' des zu entwärmenden Bauelements 4', welcher zu einem Chip 4b' benachbart ist, mittels Vias 5', i.e. thermischer Vias, mit einer Wärmesenke 6' an der gegenüber liegenden Seite der Leiterplatte, z.B. in Form einer Kühlplatte oder des Gehäuseelements 2a', thermisch leitfähig verbunden, z.B. unter Verwendung von Wärmeleitkleber 7'. Durch diese thermische Anbindung an die Wärmesenke 6' wird die für eine Bestückung zur Verfügung stehende Leiterplattenoberfläche an der dem zu entwärmenden Bauelement 4' gegenüberliegenden Leiterplattenseite 3a' reduziert.
Fig. 2 zeigt exemplarisch eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Steuerbaugruppe 1 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einer Getriebesteuerbaugruppe bzw. Getriebesteuerung. Die Steuerbaugruppe 1 weist vorzugsweise ein Gehäuse 2 aus Gehäuseunterteil 2a und Gehäuseoberteil 2b sowie eine Leiterplatte 3 auf, welche mit den elektronischen Komponenten 8 zur Bildung einer Steuerung bestückt ist sowie die zu deren Verschaltung notwendigen Leiterbahnen aufweist. Die Leiterplatte 3 ist vorzugsweise eine Leiterplatte, welche aus FR4 gefertigt ist oder allgemein eine Epoxidharz-Glasfasermaterial-Leiter- platte. Vorgesehen ist, die Leiterplatte als Multilayer-Leiterplatte und vorzugsweise als HDI-Leiterplatte auszubilden, so dass vorteilhaft eine hohe Integrationsdichte erzielbar ist.
Die Leiterplatte 3 ist erfindungsgemäß dazu vorgesehen, beidseitig, i.e. an einer ersten 3a und einer zweiten 3b Seite mit elektronischen Komponenten 8 bestückt zu werden. Die erste 3a und zweite 3b Seite wird jeweils mittels einer Leiterplattenlage aus Leiterplattenmaterial ausgebildet. Dabei weist die Leiterplatte zwischen der ersten Seite 3a bzw. einer ersten Leiterplattenmaterial-Lage und einer gegenüberliegenden zweiten Seite 3b bzw. einer weiteren, zweiten Leiterplattenmaterial-Lage eine elektrisch leitfähige Lage 9 bzw. Innenlage auf, welche insbesondere als Ground- bzw. Masselage zur Bereitstellung eines Bezugspotentials für z.B. die Komponenten 8 ausgebildet ist. Die elektrisch leitfähige Lage ist erfindungsgemäß aus gut wärmeleitendem Metall, z.B. Kupfer gebildet, insbesondere derart, dass eine hohe Wärmeabfuhr aus der Leiterplatte 3 bzw. deren Innerem mittels der elektrisch leitfähigen Lage 9 ermöglicht ist. Die elektrisch leitfähige Lage 9 weist z.B. eine größere Dicke auf als sonstige Lagen der Leiterplatte 3 und erstreckt sich z.B. flächig zwischen zwei Leiterbahnlagen aus Leiterplattenmaterial, z.B. FR4.
An der Leiterplatte 3 ist erfindungsgemäß ein zu entwärmendes Bauelement 4 angeordnet, insbesondere z.B. ein Mikroprozessor oder ein Mikrocont- roller, welcher mit weiteren Komponenten 8 der Steuerbaugruppe 1 mittels der an der Leiterplatte 3 gebildeten Leiterbahnen zur Ausbildung der Steuerfunktionalität vernetzt ist. Das zu entwärmende Bauelement 4 ist erfindungsgemäß an der ersten Seite 3a der Leiterplatte 3 angeordnet, welche zu einem Kühlelement 6 bzw. einer Wärmesenke benachbart ist. Das zu entwärmende Bauelement 4 ist insbesondere ein solches, welches zu starker Wärmeentwicklung im Betriebsfall neigt.
Das zu entwärmende Bauelement 4 ist erfindungsgemäß mit der elektrisch leitfähigen Lage 9 thermisch leitend bzw. wärmeleitend verbunden, insbesondere mittels thermischer Vias 5, welche insbesondere als Blind Vias bzw. Sacklochbohrungen ausgebildet sind. Zur Wärmeableitung weist das zu entwärmende Bauelement 4 dabei z.B. einen thermisch leitenden Bereich 4a auf, welcher benachbart zur ersten Seite 3a der Leiterplatte 3 angeordnet ist und mit den thermischen Vias 5 in thermisch leitender Verbindung steht. Die Vias 5 stehen weiterhin mit der elektrisch leitfähigen Lage 9 in thermisch leitender Verbindung. Der thermisch leitende Bereich 4a ist z.B. zwischen einem Chip 4b des zu entwärmenden Bauelements 4 und der ersten Seite 3a der Leiterplatte 3 angeordnet. Durch die thermisch gut leitende Verbindung mit der elektrisch leitfähigen Leiterplattenlage 9 kann ein großer Teil der im zu entwärmenden Bauelement 4 entstehenden Abwärme über die elektrisch leitfähige Lage 9 aus der Leiterplatte 3 heraus abgeführt werden, wie dies durch Pfeile in Fig. 2 angedeutet ist.
Erfindungsgemäß steht das zu entwärmende Bauelement 4 ferner mit einem Kühlelement 6, insbesondere in Form eines Gehäuseelements 2a der Steuerbaugruppe 1 , in thermisch leitender bzw. Wärme leitender Verbindung. Derart kann Wärme ausgehend von dem zu entwärmenden Bauelement 4 über das Kühlelement 6 abtransportiert werden. Das Kühlelement 6 ist z.B. in Form einer Kühlplatte gebildet und/oder z.B. Bestandteil eines Gehäuses 2 der Steuerbaugruppe 1 , z.B. das Gehäuseunterteil 2a. Ein solches ist dabei insbesondere gut Wärme leitend ausgebildet, z.B. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt.
Das zu entwärmende Bauelement 4, welches insbesondere ein gehäustes Bauelement 4 ist, steht, insbesondere mittels seines Gehäuses 4c, thermisch leitend mit dem Kühlelement 6 in Verbindung. In vorteilhafter Weise ist z.B. eine Wärmeleitschicht 7 zwischen dem Kühlelement 6 und dem zu entwärmenden Bauelement 4 bzw. z.B. dessen Gehäuse 4c angeordnet, z.B. Wärmeleitkleber, Wärmeleitpaste, Wärmeleitfolie, etc.
Erfindungsgemäß ist das zu entwärmende Bauelement 4 insofern in einer Sandwichanordnung zwischen der ersten Seite 3a der Leiterplatte 3 und dem Kühlelement 6 angeordnet, wobei es sowohl mit der elektrisch leitfähigen Schicht bzw. Lage 9 als auch dem Kühlelement 6 zur Entwärmung thermisch leitend verbunden ist. Durch diese Anordnung wird ausreichend Wärme abgeführt, so dass auf der dem zu entwärmenden Bauelement 4 gegenüberliegenden zweiten Seite 3b der Leiterplatte 3 vorteilhaft ebenfalls Bauelemente 8 bestückt werden können und somit die Abmessungen der Leiterplatte 3 bzw. der benötigte Bauraum zur Anordnung der Bauelemente 8 gegenüber dem Stand der Technik reduziert sind. Insbesondere ist dabei eine Überlappung des zu entwärmenden Bauelements 4 mit wenigstens einem an der zweiten Seite 3b angeordneten weiteren elektronischen Bauelement 8 vorgesehen, i.e. eine Überlappung in Richtung von der ersten 3a zur zweiten 3b Seite.
Erfindungsgemäß weist das Gehäuseunterteil 2a bzw. das Kühlelement 6 vorzugsweise eine Ausnehmung 10 in der der ersten Seite 3a zugewandten Oberfläche auf, in welcher das zu entwärmende Bauelement 4 in thermisch leitender Verbindung zum Kühlelement 6 stehend aufnehmbar ist. Die thermisch leitende Verbindung wird dabei vorzugsweise mit einer der ersten Seite 3a zugewandten Oberfläche 10a der Ausnehmung 10 hergestellt.
Neben dem an der ersten Seite 3a angeordneten, zu entwärmenden Bauelement 4 können weitere Bauelemente bzw. Komponenten 8, z.B. Leistungsbauelemente, entwärmt werden, welche an der zweiten Seite 3b angeordnet sind, z.B. auf bekannte Weise mittels thermischen Through Vias, welche thermisch leitend mit dem Kühlelement 6 und/oder der elektrisch leitfähigen Schicht 9 verbunden sind. Denkbar ist auch, weitere zu entwärmende Bauelemente 4 an der ersten Seite 3a wie oben beschrieben anzuordnen.
Die Bauelemente 8 an der zweiten Seite 3b sind z.B. mit dem Gehäuseoberteil 2b in Form eines Deckelelements gekapselt an der Leiterplatte 3 angeordnet, so dass ein geschützter Elektronikraum gebildet wird. Das Kühlelement 6, z.B. in Form des Gehäuseunterteils 2a, bildet z.B. ein weiteres Deckelement an der ersten Seite 3a bzw. einen weiteren geschützten Elektronikraum für das zu entwärmende Bauelement 4 und ggf. weitere. Die Gehäuseelemente 2a, 2b sind jeweils z.B. mittels einer umlaufenden Dichtung 1 1 mediendicht an der Leiterplatte 3 angeordnet.
Bezuqszeichen , 1 ' Steuerbaugruppe
, 2' Gehäuse
a, 2a' Gehäuseunterteil
b, 2b' Gehäuseoberteil
, 3' Leiterplatte
a, 3a' erste Seite
b zweite Seite
, 4' zu entwärmendes Bauelementa, 4a' thermisch leitender Bereich
b, 4b' Chip
c Gehäuse
, 5' thermische Vias
, 6' Wärmesenke / Kühlelement
, 7' Wärmeleitschicht
Komponenten
elektrisch leitfähige Lage
0 Ausnehmung
0a Oberfläche
1 Dichtung
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