Die Erfindung betrifft ein Elektronikmodul mit einer mit Kunststoff umhüllten

elektronischen Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 12.

Im Kraftfahrzeugbau ist es mittlerweile üblich, Steuergeräte in die zu steuernde

Kraftfahrzeugbaugruppe, insbesondere Motor oder Getriebe, zu integrieren. Vor allem die Getriebesteuergeräte bilden als Vorortsteuergerät eine äußerst kompakte Einheit. Im

Vergleich zur konventionellen Verwendung externer Steuergeräte hat diese Anordnung enorme Vorteile im Bezug auf Qualität, Kosten, Gewicht und Funktionalität. Insbesondere resultiert daraus eine erhebliche Verringerung von Steckverbindungen und Leitungen, und somit von möglichen Ausfallursachen.

Die Integration des Steuergerätes in das Getriebe stellt hohe Anforderungen vor allem an seine thermische und mechanische Belastbarkeit. Die Funktionalität muss sowohl über einen breiten Temperaturbereich (etwa -40°C bis 150°C) als auch bei extremen mechanischen Vibrationen (bis zu 40g) gewährleistet sein. Da das Steuergerät von hochviskosem und chemisch aggressivem Getriebeöl umgeben ist, werden auch hohe Anforderungen an die Öldichtheit des Steuergerätes gestellt.

Die Patentschrift DE 197 51 095 C 1 beschreibt ein derartiges Vorortsteuergerät im

Getriebegehäuse eines Kraftfahrzeuges. Das Steuergerät umfasst zwei öldicht miteinander verbundene Gehäuseteile, durch die ein elektrisches Verbindungselement hindurchgeführt ist, wobei das Verbindungselement den Schaltungsträger im Gehäuse mit elektrischen Bauteilen außerhalb des Gehäuses verbindet.

Die US2008/0170372 AI beschreibt ein Steuergerät mit einem Schaltungsträger, auf den elektronischen Bauelemente angeordnet sind, und ein elektrisches Verbindungselement zum Verbinden des Schaltungsträgers mit seiner Peripherie. Der Schaltungsträger ist auf einer Grundplatte angeordnet, die als Wärmesenke dient und die Wärme vom Schaltungsträger abführt. Der Schaltungsträger, das Verbindungselement und die Grundplatte sind derart mit einem Kunststoff umgössen, dass der Schaltungsträger mit seinen Bauelementen ganz umschlossen ist, der größte Teil der Rückseite der Grundplatte und die äußeren Enden des elektrischen Verbindungselements jedoch frei von Kunststoff sind. Dieses Steuergerät kann ohne Gehäuse als Vorortsteuergerät zum Beispiel in einem Getriebe montiert werden.

Die Oberflächen des Schaltungsträgers und der Grundplatte sind zumindest teilweise aufgeraut. Durch diese Oberfiächenrauheit wird erreicht, dass der umschließende Kunststoff besser mit den Oberflächen des Schaltungsträgers und der Grundplatte verzahnt wird als bei glatten Oberflächen. Dadurch soll verhindert werden, dass sich bei Temperaturschwankungen, bedingt durch die verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten der Beteiligten Komponenten des Steuergerätes, insbesondere die Verbindung des elektrischen Bauelements zum

Schaltungsträger zerstört wird, oder, dass der Kunststoff Risse bekommt bzw. sich von dem Schaltungsträger oder der Grundplatte löst, und damit zum Beispiel Öl aus dem Getriebe bis zum Schaltungsträger vordringen kann und diesen beschädigt.

In der zitierten US2008/0170372 AI wird bei der Auswahl der beteiligten Komponenten des Steuergerätes die Bedeutung der einzelnen Materialkennzahlen betont. So wird zum Beispiel auf die Vorteile einer keramischen Leiterplatte gegenüber einer organischen Leiterplatte ausführlich eingegangen. So ist insbesondere die Wärmeleitfähigkeit einer keramischen Leiterplatte um eine Größenordnung höher als die einer organischen Leiterplatte. Dies ist wichtig im Hinblick auf das Abführen der Wärme, die beispielsweise von einem

Mikrokontroller auf dem Schaltungsträger erzeugt wird.

Ein Nachteil bei der Verwendung einer keramischen Leiterplatte ist vor allem der hohe Preis, der um einiges über dem einer organischen Leiterplatte liegt. Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Anordnung ist, dass die Herstellung der rauen Oberfläche sowohl beim

Schaltungsträger als auch bei der Grundplatte jeweils einen zusätzlichen Arbeitsschritt darstellt, der die Gesamtkosten des Steuergerätes erhöht. Die Verwendung einer keramischen Leiterplatte als Schaltungsträger hat darüber hinaus den Nachteil, dass die Auswahl der elektrischen Bauelemente, die auf ihr montiert werden können, eingeschränkt ist. Insbesondere können entweder nur Leistungsbauelemente wie zum Beispiel Leistungstransistoren als Schaltelemente auf dem keramischen Schaltungsträger angeordnet sein, oder es können nur Signal produzieren bzw. Signal verarbeitende

Bauelemente wie zum Beispiel Mikroprozessoren verbaut werden.

Ein Beispiel dafür ist die DE 100 13 255 AI, die eine harzgekapselte elektronische

Vorrichtung beschreibt, wobei der Mikroprozessor auf einer keramischen Leiterplatte und der Leistungshalbeiter auf einer separaten Vorrichtung angeordnet ist.

Die WO 2011/072629 AI beschreibt eine sogenannte HDI (High Density Interconnect)- Leiterplatte zum Einsatz in einem Gehäuse eines Vorortsteuergerätes in einem Kraftfahrzeug. HDI- Schaltungsträger sind spezielle organische Mehrlagenleiterplatten, die sich vor allem durch eine gute Wärmeableitung von der obersten Leiterplattenlage, auf der zum Beispiel ein Wärme generierendes aktives Bauelement angeordnet ist, zur untersten Leiterplattenlage, die thermisch leitend mit einem Kühlkörper verbunden ist, auszeichnet [unsere eigene HDI-] Anmeldung.

Ein HDI- Schaltungsträger weist vertikale Durchkontaktierungen von einer Leiterplattenlage zur nächsten auf, die sowohl eine elektrisch, als auch eine thermisch leitende Funktion haben. Diese Durchkontaktierungen werden als Vertical Interconnect Access, nachfolgend kurz als Via, bezeichnet. Vias, die als durchkontaktierte Löcher mit einem Durchmesser kleiner als etwa 150 μιη ausgebildet sind, werden auch als Mikrovias bezeichnet. Bedingt durch den kleinen Durchmesser der Mikrovias, ist eine relativ große Anzahl von Kontaktierungen auf relativ kleiner Fläche des Schaltungsträgers möglich, wodurch diese Art von

Schaltungsträger prädestiniert ist, für die Montage von ungehäusten Halbeiterbausteinen, sog. Bare Dies, die naturgemäß einen viel engeren Kontaktabstand haben, als Bauelemente mit Gehäuse.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein mit Kunststoff umhülltes Elektronikmodul zur Verwendung als Steuergerät in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, das sowohl niedrige Material- als auch niedrige Herstellungskosten und darüber hinaus während der gesamten Lebensdauer hohe Prozesssicherheit, insbesondere Öldichtheit, garantiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Elektronikmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Kern der Erfindung ist, dass mindestens ein organischer sogenannter HDI- Schaltungsträger mit einer elektronischen Schaltung, die mindestens ein elektronisches Bauelement umfasst, mit einem Kühlkörper thermisch leitend verbunden ist und die elektronische Schaltung und der Kühlkörper derart mit Kunststoff umhüllt sind, dass nur die dem Schaltungsträger gegenüberliegende Rückseite des Kühlkörpers zumindest teilweise, und mindestens die Kontaktenden der Leiterstrukturen , die zur elektrischen Verbindung mit den elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls dienen, frei von Kunststoff sind.

Die Umhüllung des Schaltungsträgers und eines Teils des Kühlkörpers und der

Leiterstrukturen mit Kunststoff, insbesondere einem duroplastischen Polymer, wie Silikon, Epoxysilikon, Epoxidharz oder Phenolharz ermöglicht denselben Schutz gegen schädigende Umgebungseinflüsse in der Vorortumgebung wie ein teueres Gehäuse. Zudem müssen die Leiterstrukturen zur elektrischen Verbindung der elektronischen Schaltung mit den elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls nicht wie bei einem Steuergerät mit Gehäuse separat abgedichtet werden und die kunststofffreie Rückseite des Kühlkörpers kann zur optimalen Wärmeabführung an einem Teil des Getriebes montiert sein, an dem niedrigere Temperaturen herrschen.

Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten insbesondere des Kunststoffs, des Schaltungsträgers, der Leiterstrukturen und des Kühlkörpers sind idealerweise derart aufeinander abgestimmt sind, dass sie im direkten Vergleich jeweils in der Größenordnung von +/- 15% liegen, so dass es bei Temperaturschwankungen innerhalb des

Betriebstemperaturbereichs von etwa -40°C bis 150°C zum Beispiel nicht zu Rissen im Kunststoff selbst kommt bzw. der Kunststoff sich von dem Schaltungsträger oder der

Grundplatte löst, und damit etwa Öl aus dem Getriebe bis zum Schaltungsträger vordringen und diesen beschädigen oder gar zerstören kann. Die Verwendung eines HDI- Schaltungsträgers mit seiner besonderen Anordnung und Kombination von Vias und Wärmeleitschichten der verschiedenen Leiterplattenlagen macht es möglich, auf der obersten Leiterplattenlage ein Leistungsbauelement mit hoher

Wärmeerzeugung und Betriebsstromstärken bis etwa 80 A und gleichzeitig ein Signal erzeugendes bzw. verarbeitendes Bauelement, wie einen ungehäusten Mikroprozessor mit sehr engen Kontaktabständen und vergleichsweise niedrigen Betriebsstromstärken, gleichzeitig zu verwenden. Auf keramischen Schaltungsträgern können dagegen in der Regel nur Stromstärken bis maximal 25 A realisiert werden.

Als Kühlkörpermaterial für eine organische HDI-Leiterplatte eignen sich auf Grund ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten (kurz CTE = Coefficient of Thermal Expansion) und ihrer Wärmeleitfähigkeit Aluminium oder Kupfer oder deren Legierungen besonders gut. Sie sind auch kostengünstiger als spezielle Verbundwerkstoffe wie z. B. AlSiC. Besonders gut als Kühlkörper eignet sich eine flache Platte, da diese eine große Fläche zur Wärmeabfuhr besitzt und leicht am Gehäuse zum Beispiel eines Getriebes montierbar ist.

Die Platte des Kühlkörpers kann auch eine Abstufung, insbesondere am Rand der Platte aufweisen. Durch die Abstufung wird die Kontaktfläche zwischen der Platte und dem umhüllenden Kunststoff und damit der Kriechweg für evtl. in das Elektronikmodul eindringende Flüssigkeiten und Gase vergrößert. Die Kriechwegverlängerung kann sowohl durch die Abstufung im Querschnitt des Kühlkörpers als auch als Hinterschneidung ausgeführt sein, in die gezielt Kunststoff eindringen kann, wobei die Hinterschneidung insbesondere so angeordnet ist, dass diese an das Formfüllverhalten des Kunststoffs optimal angepasst ist, um Lufteinschlüsse zu vermeiden. Beide Kriechweg verlängernden Maßnahmen können auch in Kombination auftreten.

Als elektrisch leitende Leiterstrukturen zum elektrischen Verbinden eines elektronischen Bauelements auf dem Schaltungsträger der elektronischen Schaltung mit elektrischen

Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls dienen, wie schon erwähnt, insbesondere mindestens ein Stanzgitter, eine weitere Leiterplatte oder ein flexibler Folienleiter. Dabei kann das Stanzgitter oder die Flexfolie direkt auf den Schaltungsträger zum Beispiel aufgelötet, aufgeschweißt oder aufgeklebt werden. Die elektrische Verbindung kann aber auch indirekt zum Beispiel mittels eines Bonddrahts zwischen Schaltungsträger und

Leiterstruktur hergestellt werden. Stanzgitter und Leiterplatte werden vor allem bei einfach strukturierten Umgebungen des Elektronikmoduls verwendet, die teuereren flexiblen Folienleiter können an komplexer angeordnete Umgebungen angepasst werden.

Die Mechanische Verbindung zwischen Schaltungsträger der Leiterstruktur ist in der Regel Stoff- oder kraftschlüssig. Diese Funktion kann insbesondere wie weiter oben im Zusammenhang mit der elektrischen Verbindung beschrieben, durch Auflöten, Aufschweißen oder Aufkleben, oder auch Sintern, Sinterkleben erfolgen.

Vorteilhafterweise ist der umhüllende Kunststoff mit nichtmetallischen, anorganischen Partikeln, wie zum Beispiel Si0 ₂ oder A1 ₂ 0 ₃ gefüllt, da diese einerseits elektrisch isolierend sind um Kurzschlüsse der elektronischen Schaltung zu vermeiden, andererseits eine gute thermische Leitfähigkeit besitzen, um zusätzlich zum Kühlkörper zur Abfuhr der aufgrund der Verlustleistung der elektronischen Bauelemente entstehenden Wärme beizutragen.

Andere Füllstoffe wie AIN, BN oder SiC wären grundsätzlich auch denkbar, da sie eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit als die genannten Oxide besitzen, aber aus Kostengründen und aufgrund ihrer hohen Härte, nur sehr unwahrscheinlich ökonomisch einsetzbar sind.

Da die Kontaktfläche von Kunststoff und Schaltungsträger in der Regel kleiner ist als die Kontaktfläche von Schaltungsträger und Wärme abführendem Kühlkörper, ist der

Glasübergangspunkt des Kunststoffs vorzugsweise zumindest gleich oder größer als der des Schaltungsträgers. Der Glasübergangspunkt eines Materials ist insbesondere bei Duroplasten auf Kohlenstoffbasis ein Maß für die maximal zulässige Betriebstemperatur. Insbesondere erhöht sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials ab der Glastemperatur um das vier- bis fünffache, was negative Auswirkungen auf den Aufbau des Elektronikmoduls hätte.

Grundsätzlich ist es von Bedeutung, dass die Glasübergangstemperatur des umhüllenden Polymers oberhalb der Einsatztemperatur der Elektronik ist. Da es durch die Änderung des CTE während dem thermischen Zyklus zu Delaminationen auf dem Schaltungsträger kommen kann. Um eine besonders gute thermische Anbindung des Schaltungsträgers zum Kühlkörper zu erreichen, ist der Schaltungsträgers mit dem Kühlkörper insbesondere mittels eines thermisch leitfähigen Adhäsivmaterials, z.B. mittels eines mit anorganischen Partikeln gefülltem

Wärmeleitkleber oder thermisch leitenden Folienmaterials durch Lamination verbunden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines mit

Kunststoff umhüllten Elektronikmoduls zur Verwendung als Steuergerät in einem

Kraftfahrzeug zu schaffen, das sowohl niedrige Material- als auch niedrige

Herstellungskosten und darüber hinaus während der gesamten Lebensdauer hohe

Prozesssicherheit, insbesondere Öldichtheit, garantiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen

Elektronikmoduls werden zunächst folgende Komponenten bereit gestellt:

- ein für eine Bare Die Montage, also für die Montage von ungehäusten Bauelementen geeigneter, organischer HDI-Schaltungsträger, mit mindestens einem elektronischen Bauelement,

- mindestens eine elektrisch leitende Leiterstruktur zum elektrischen Verbinden der elektronischen Schaltung mit elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls,

- ein Kühlkörper,

- eine Spritzform.

Anschließend wird eine elektrische Verbindung des mindestens einen elektronischen Bauelements der elektronischen Schaltung mit entsprechenden elektrisch leitenden

Leiterstrukturen hergestellt.

Als elektrisch leitende Leiterstrukturen kann insbesondere mindestens ein Stanzgitter, eine weitere Leiterplatte oder ein flexibler Folienleiter oder eine Kombination daraus verwendet werden. Dabei kann das Stanzgitter oder die Flexfolie zum einen direkt auf den

Schaltungsträger beispielsweise aufgelötet, aufgeschweißt oder aufgeklebt werden. Diese direkte elektrisch leitende Verbindung dient in der Regel auch als mechanische Verbindung zwischen elektronischer Schaltung und Leiterstruktur.

Die elektrische Verbindung kann aber auch indirekt zum Beispiel mittels eines Bonddrahts zum Beispiel aus Gold, Silber oder auch Kupfer zwischen Schaltungsträger und

Leiterstruktur hergestellt werden.

In einem weiteren Schritt wird der Schaltungsträger mit dem Kühlkörper thermisch leitend verbunden. Dies erfolgt vorteilhafterweise mittels eines thermisch leitfähigen

Adhäsivmaterials, z. B. eines Wärmeleitklebers. Die Reihenfolge der letzten beiden Schritte ist beliebig.

Danach wird die elektronische Schaltung mit dem Kühlkörper in eine Spritzform eingelegt und mit Kunststoff umspritzt. Bei dem Kunststoff handelt es sich vorzugsweise um ein duroplastisches Polymer, wie zum Beispiel Silikon, Epoxysilikon, Epoxidharz oder

Phenolharz, welches mit anorganischen Partikeln gefüllt sein kann.

Nach dem Umspritzen sind die elektronische Schaltung und der Kühlkörper derart mit Kunststoff umhüllt dass nur die dem Schaltungsträger gegenüberliegende Rückseite des Kühlkörpers zumindest teilweise frei von Kunststoff ist. Die freie Fläche der Rückseite des Kühlkörpers steht dann der Ableitung der Wärme aus dem Elektronikmodul zur Verfügung.

Neben einem Teil der Rückseite des Kühlkörpers bleiben beim Spritzvorgang auch die Kontaktenden der Leiterstrukturen , die zur elektrischen Verbindung mit den elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls dienen, frei von Kunststoff.

Als Spritzverfahren kann insbesondere das sogenannte Spritzpressen, oder auch Transfer Moulding genannt, zum Einsatz kommen, wobei Kunststoff in die Spritzform eingepresst, und unter Wärme und Druck aushärtet. Dieses Verfahren bietet gegenüber anderen Verfahren, z.B. Compression Moulding die Möglichkeit auch Elektroniken mit komplexen

Schaltungslayout und stark unterschiedlich großen Komponenten ohne Lufteinschlüsse zu ummoulden. Grundsätzlich wäre auch Duroplast- Injectionmoulding (Spritzgießen) denkbar. Bei diesem Verfahren entstehen aber deutlich höhere Drücke, die dazu führen können, dass insbesondere die feinen Gold-Bonddrähte verweht oder abgerissen werden.

In der nachfolgenden Beschreibung werden die Merkmale und Einzelheiten der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Elektronikmodul mit einem Kühlkörper und einer direkten Verbindung zwischen Schaltungsträger und Leiterstruktur,

Fig. 2 ein Elektronikmodul wie in Fig. 1 mit einem Kühlkörper mit einer Abstufung,

Fig. 3 ein Elektronikmodul wie in Fig. 1 mit einem Kühlkörper mit einer Abstufung und einer Hinterschneidung,

Fig. 4 ein Elektronikmodul mit einer Abstufung am Kühlkörper und einem Bonddraht zwischen Schaltungsträger und Leiterstruktur als indirekte elektrische Verbindung, und

Fig. 5 ein Elektronikmodul mit einer Abstufung am Kühlkörper und einem Bonddraht

zwischen Schaltungsträger und Leiterstruktur, wobei die Leiterstruktur elektrisch nicht leitend mit dem Schaltungsträger verbunden ist.

Fig. 1 zeigt ein Elektronikmodul zur Verwendung als Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, mit einer mit Kunststoff 2 umhüllten elektronischen Schaltung 1, die auf einem Kühlkörper 3 angeordnet ist. Die elektronische Schaltung 1 umfasst einen organischen HDI (High Density Interconnect)- Schaltungsträger 5, auf dem elektronische Bauelemente 4, 7 montiert sind.

Nachfolgend werden die bekannten konstruktiven Merkmale einer HDI-Leiterlatte näher erläutert. Eine HDI-Leiterplatte 5 ist eine spezielle mehrlagige Leiterplatte. Die Leiterplattenlagen weisen jeweils wenigstens eine auf das elektrisch isolierende Basismaterial aus

glasfaserverstärktem Kunststoff aufgebrachte Wärmeleitschicht, insbesondere aus Kupfer, auf. Dabei sind mehrere in z-Richtung senkrecht zu den Leiterplattenlagen verlaufende Vias vorgesehen.

Mit Via (= Vertical Interconnect Access), auch Lagenwechsler genannt, wird eine vertikale Durchkontaktierung bezeichnet, die wenigstens zwei Leiterplattenlagen einer mehrlagigen Leiterplatte 5 elektrisch und thermisch verbindet.

Als Blind Via wird ein Via bezeichnet, das als Sackloch mit einer Durchkontaktierung ausgebildet ist, die insbesondere die oberste oder unterste Leiterplattenlage mit wenigstens einer inneren Leiterplattenlage einer mehrlagigen Leiterplatte 5 verbindet.

Als Buried Via wird ein Via bezeichnet, das im Inneren einer mehrlagigen Leiterplatte 5 angeordnet ist, und wenigstens zwei innere Leiterplattenlagen verbindet.

Vias, die als durchkontaktierte Löcher mit einem Durchmesser kleiner als etwa 150 μιη ausgebildet sind, werden auch als Mikrovias bezeichnet.

Vias, die primär einer Verbesserung des Wärmetransportes durch eine Leiterplatte 5 dienen, werden auch als thermische Vias bezeichnet.

Die Vias verbinden die Wärmeleitschichten verschiedener Leiterplattenlagen derart, dass die Vias und die Wärmeleitschichten der Leiterplattenlagen eine Wärmeleitbrücke von der obersten Leiterplattenlage zur untersten Leiterplattenlage bilden. Die Wärmeleitschichten dienen dabei gleichzeitig als elektrischer Leiter.

Insbesondere ist eine Gesamtoberfläche aller Wärmeleitschichten wenigstens einer

Leiterplattenlage größer als eine Gesamtoberfläche aller Wärmeleitschichten einer darüber liegenden Leiterplattenlage. Die von den Vias und Wärmeleitschichten gebildete Wärmeleitbrücke wird dabei von wenigstens einer Leiterplattenlage zu einer darunter liegenden Leiterplattenlage verbreitert, da die Gesamtoberfläche aller Wärmeleitschichten wenigstens einer Leiterplattenlage größer als eine Gesamtoberfläche aller Wärmeleitschichten einer darüber liegenden Leiterplattenlage ist. Dadurch wird die für den Wärmetransport wirksame Fläche vorteilhaft vergrößert und der Wärmewiderstand der gesamten Leiterplatte 5 reduziert, da der Wärmewiderstand wenigstens näherungsweise proportional zum Kehrwert der für den Wärmetransport wirksamen Fläche ist.

Speziell bei einer HDI-Leiterplatte wird die oberste Leiterplattenlage mit wenigstens der in z-Richtung senkrecht zu den Leiterplattenlagen nächsten inneren Leiterplattenlage zumindest zum Teil mit als Mikrovias mit kleinem Durchmesser ausgebildeten Blind Vias verbunden. Dadurch ist eine höhere Anzahl an Vias pro Fläche möglich. Daraus resultiert neben einer erhöhten Stromtragfähigkeit insbesondere eine verbesserte Wärmeableitung, speziell von Wärme abgebenden aktiven elektronische Bauelementen 4, 7. Die höhere Anzahl an Vias pro Fläche durch den Einsatz von Mikrovias ermöglicht vor allem aber auch, dass auf der obersten Leiterplattenlage speziell ungehäuste elektronische Bauelemente 4, sogenannte Bare Dies, montiert werden können, deren Kontaktabstände um einiges kleiner sind als die von Bauelementen 7 mit Gehäuse.

Insbesondere ist zumindest auf die Wärmeleitschichten der Leiterplattenlagen eine multifunktionale Zusatzmetallisierung mit einer Schichtabfolge aus z. B. Nickel, Palladium und Gold aufgebracht. Dadurch sind Verbindungstechniken zur Bestückung der Leiterplatte 5 mit ungehäusten Bauelementen 4 zusammen mit gehäusten Bauelementen 4 möglich. Hierzu ist die Zusatzmetallisierung auf die äußere Kupfer-Oberfläche der Wärmeleitschichten aufgebracht, wobei die Zusatzmetallisierung gleichzeitig für Montageprozesse insbesondere mittels Löttechnik, Silberleitkleben etc. für ungehäuste aktive Bauelemente 4 und

Verbindungstechniken, wie z. B. Drahtbonden mit Gold-Draht und/oder Aluminium-Draht insbesondere für gehäuste passive Bauelemente 7, geeignet ist.

Wie schon erwähnt sind insbesondere die Wärmeleitschichten der Leiterplattenlagen und die Wände der Vias mit Kupfer beschichtet und zusätzlich mit einer multifunktionalen

Metallisierung aus NiPdAu versehen. Dies trägt auch vor allem dazu bei, dass die Stromtragfähigkeit dieser HDI- Leiterplatte 5 bis zu 50 A und mehr beträgt. Die maximale Stromtragfähigkeit von Dickschichtkeramikleiterplatten liegt dagegen bei etwa 25 A.

Bei der Verwendung des Elektronikmoduls aus mit Kunststoff 2 umhüllter elektronischer Schaltung 1 auf einem Kühlkörper 3 als Steuergerät in einem Kraftfahrzeug kommt es im wesentlichen darauf an, dass die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Komponenten

idealerweise derart aufeinander abgestimmt sind, dass sie im direkten Vergleich jeweils in der Größenordnung von +/- 15% liegen. Dadurch wird erreicht, dass es bei

Temperaturschwankungen nicht zu Rissen im Kunststoff selbst kommt bzw. der Kunststoff sich von dem Schaltungsträger 5 oder dem Kühlkörper 3 löst, und damit ewa Öl aus dem Getriebe bis zum Schaltungsträger 5 vordringen und diesen beschädigen oder gar zerstören kann.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE eines Schaltungsträgers wie der HDI- Leiterplatte 5 liegt im Bereich von 18 - 20 ppm/°C. Der CTE von Kupfer liegt bei 16 ppm/°C und der von Aluminium bei 23 ppm/°C. Diese beiden Materialien eignen sich daher besonders gut als Kühlkörper 3 für eine HDI- Leiterplatte 5 da sie nahezu spannungsfrei miteinander verbunden werden können

Verglichen, zum Beispiel mit Eisen, dessen CTE bei 12 ppm/° C, und somit eher als

Kühlkörpermaterial für eine Keramikleiterplatte mit 5-7 ppm/°C geeignet ist, haben Kupfer und Aluminium gegenüber Eisen zudem den Vorteil, dass ihre thermischer

Wärmeleitfähigkeit von 200 W/mK für Aluminium und 400 W/mK für Kupfer um das 3-5 fache höher ist als die von Eisen, die bei 70 W/mK liegt.

Die Leiterstruktur 6 kann insbesondere als Stanzgitter aus Kupfer, mit einem CTE von 16 ppm/°C, als zusätzliche Leiterplatte aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit einem CTE von 18-20 ppm/°C oder einem flexiblen Folienleiter aus einem Verbund aus einer Polyimid- und einer Kupferfolie mit einem CTE im Bereich 16-18 ppm/°C ausgeführt sein. Die

Leiterstruktur 6 ist in Fig. 1 mit dem Schaltungsträger 5 direkt verbunden. Diese Verbindung kann durch Schweißen, Löten oder Kleben hergestellt werden und hat sowohl die Funktion einer elektrischen als auch einer mechanischen Verbindung.

Der umhüllende Kunststoff 2 besteht insbesondere aus einem duroplastischen Polymer, wie Silikon, Epoxysilikon, Epoxidharz oder Phenolharz. Der CTE dieser Materalien liegt hier im Bereich von 14-19 ppm/°C, wobei der Bereich durch unterschiedliche Beimengungen der anorganischen Füllstoffe, z.B. Si0 ₂ eingestellt werden kann.

Diese Kunststoffmaterialien sind somit aufgrund ihres CTE geeignet, den Schaltungsträger 3, die Leiterstruktur 6 und zumindest einen Teil des Kühlkörpers 3 so zu umhüllen, dass es bei Temperaturschwankungen nicht zu Rissen im Kunststoff 2 selbst kommt bzw. der Kunststoff 2 sich von dem Schaltungsträger 5 oder dem Kühlkörper 3 löst. Denkbar wäre aber auch die Verwendung eines thermoplastischen Polymers.

Die Umhüllung mit Kunststoff 2 ermöglicht denselben Schutz gegen schädigende

Umgebungseinflüsse in der Vorortumgebung wie ein teureres Gehäuse. Ferner wird durch die Kapselung mit Kunststoff 2 der in Steuergerätgehäusen sonst übliche weiche Verguss der elektronischen Schaltung 1 mit Silikon-Gel und/oder Silikon-Lack als Schutz gegen beispielsweise eindringende schädliche Gase eingespart.

Zudem muss die Leiterstruktur 6 zur elektrischen Verbindung der elektronischen

Schaltung 1 mit den elektrischen Bauteilen außerhalb des Elektronikmoduls nicht wie einem Steuergerät mit Gehäuse in der Gehäusewand separat abgedichtet werden.

Die Betriebstemperatur des Kunststoffs 2 ist in der Regel etwas höher als die des

Schaltungsträgers 5, da insbesondere die Kontaktfläche zwischen Kunststoff 2 und

Schaltungsträger 5 kleiner ist als die Kontaktfläche zwischen dem Schaltungsträger 1 und dem Wärme abführendem Kühlkörper 3. Daher ist der Glasübergangspunkt des Kunststoffs 2 vorzugsweise zumindest gleich oder größer als der des Schaltungsträgers 5, wobei der Glasübergangspunkt eines Materials ein Maß für die maximal zulässige Betriebstemperatur ist. Die kunststofffreie Rückseite des Kühlkörpers 3 kann zur optimalen Wärmeabführung an einem Teil des hier nicht gezeigten Getriebes montiert sein, an dem niedrigere Temperaturen herrschen.

Fig. 2 zeigt ein Elektronikmodul, bei dem der Kühlkörper 3 am Rand eine Abstufung 10 aufweist. Die Abstufung 10 kann am Rand des Kühlkörpers 3 umlaufend angeordnet sein, muss aber nicht. Durch die Abstufung 10 wird die Kontaktfläche zwischen dem Kühlkörper 3 und dem umhüllenden Kunststoff 2 und damit der Kriechweg für evtl. von außen in das Elektronikmodul eindringende Flüssigkeiten und Gase vergrößert und damit Wahr- scheinlichkeit eines Ausfalls des Moduls verringert.

Die Kriechwegverlängerung kann alternativ zur Abstufung 10 auch als Hinterschneidung 9 ausgeführt sein, in die gezielt Kunststoff 2 eindringen kann. Beide Kriechweg verlängernden Maßnahmen können auch in Kombination auftreten, wie in Fig. 3 gezeigt.

Die Leiterstruktur 6 ist in Fig. 4 mit dem Schaltungsträger 5 indirekt mit einem Bonddraht 12 elektrisch leitend verbunden, zum Beispiel einem Cu-Bonddraht, dessen CTE wie weiter oben beschrieben im Bereich des Kunststoffs 2 liegt und somit im wesentlichen spannungsfrei von diesem umhüllt wird.

Fig. 5 zeigt ein Elektronikmodul, bei dem die Leiterstruktur 6 mit dem Schaltungsträger 5 elektrisch nicht leitend verbunden ist, beispielsweise geklebt ist. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen Schaltungsträger 5 und Leiterstruktur 6 ist mittels eines Bonddrahts 12 hergestellt.

Durch geeignete Auswahl der Materialien seiner Einzelkomponenten ist das erfindungsgemäße Elektronikmodul in großem Maße unempfindlich gegen Temperaturschwankungen, somit im wesentlichen spannungsfrei und dadurch zuverlässig dicht über seine gesamte Lebensdauer. Der kompakte Aufbau des Elektronikmodul garantiert einen Platz sparenden Einbau, wobei insbesondere durch geeignete Form des Kühlkörpers das Elektronikmodul auch wie ein Stecker verbaut werden kann. Zusätzlich kann bei der Herstellung des Elektronikmoduls vorteilhafterweise dieselbe Spritzform für verschiedene elektronische Schaltungen verwendet werden. Zu guter letzt bietet die Komplettabkapselung des Elektronikmoduls einem Plagiatsschutz bzw. einen Schutz gegen Fremdmanipulation.

Bezugszeichenliste :

1 elektronischen Schaltung

2 Kunststoff

3 Kühlkörper

4 Ungehäust elektronisches Bauelement

5 Schaltungsträger

6 Elektrisch leitende Leiterstruktur

7 Gehäust elektronisches Bauelement

8 Offene Kontaktenden der Leiterstruktur

9 Hinterschneidung

10 Abstufung

11 Wärmeleitkleber

12 Bonddraht