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DE102016205966A1 - Elektronische Einheit mit ESD-Schutzanordnung - Google Patents

Elektronische Einheit mit ESD-Schutzanordnung Download PDF

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DE102016205966A1
DE102016205966A1 DE102016205966.1A DE102016205966A DE102016205966A1 DE 102016205966 A1 DE102016205966 A1 DE 102016205966A1 DE 102016205966 A DE102016205966 A DE 102016205966A DE 102016205966 A1 DE102016205966 A1 DE 102016205966A1
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printed circuit
electronic unit
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component
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Thomas Maier
Mike Vogel
Josef Loibl
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ZF Friedrichshafen AG
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ZF Friedrichshafen AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektronische Einheit mit einer Leiterplatte mit zumindest einem auf einer Hauptoberfläche (3, 4) der Leiterplatte (2) angeordneten Bauelement (5, 6) und mit einem Hüllelement (7), welches das zumindest eine Bauelement (5, 6) einbettet sowie mit einer ESD-Schutzanordnung für die Leiterplatte (2). Gemäß der Erfindung sind offene Bereiche (13) auf der Leiterplatte (2), welche nicht von dem Hüllelement (7) bedeckt sind, durch eine Gold-Auflage (11, 12), welche direkt auf einer Kupferoberfläche der Leiterplatte (2) aufgebracht ist, abgedeckt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Einheit mit Leiterplatte gemäß dem Hauptanspruch.
  • In aktuellen Serienanwendungen für mechatronische Steuergeräte werden eine gekapselte Elektronik (z. B. ein Metallgehäuse mit Glasdurchführungen) und eine Verteilung von Signalen und Strömen über Stanzgitter, Litzen oder Flex-Leiterplatten eingesetzt. Elektronische Steuergeräte unterliegen dauerhaft dem Trend, bei gleichbleibendem oder steigendem Funktionsumfang im Preis immer günstiger zu werden. Dies erfordert eine Weiterentwicklung bestehender Lösungen oder den Einsatz neuartiger Konzepte. Gleichzeitig ist es erforderlich, dass die mechatronischen Steuergeräte die geforderten ESD-Anforderungen erfüllen.
  • Aus DE 10 2013 212 265 A1 und DE 10 2013 215 368 A1 sind gattungsgemäße elektronische Einheiten mit Leiterplatten bekannt, welche eine Umhüllung für auf der Leiterplatte angeordneten Bauelementen aufweisen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es eine elektronische Einheit mit einem wirkungsvollen ESD-Schutz anzugeben.
  • Dieser Aufgabe wird mit dem Gegenstand des geltenden Anspruchs 1 und des geltenden Anspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Die Erfindung geht aus von einer elektronischen Einheit mit einer Leiterplatte mit zumindest einem auf einer Hauptoberfläche der Leiterplatte angeordneten Bauelement und mit einem Hüllelement, welches das zumindest eine Bauelement einbettet.
  • Gemäß einer ersten Variante der Erfindung weist die elektronische Einheit eine ESD-Schutzanordnung für die Leiterplatte auf. Die ESD-Schutzanordnung ist hierbei derart ausgebildet, dass offene Bereiche auf der Leiterplatte, welche nicht von dem Hüllelement bedeckt sind, durch eine Gold-Auflage, welche direkt auf einer Kupferoberfläche der Leiterplatte aufgebracht ist, abgedeckt sind.
  • Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung weist die elektronische Einheit eine ESD-Schutzanordnung für die Leiterplatte auf, wobei die ESD-Schutzanordnung derart ausgebildet ist, dass offene Bereiche auf der Leiterplatte, welche nicht von dem Hüllelement bedeckt sind, durch eine leitfähige Abdeckung, welche auf dem Hüllelement angeordnet ist, abgedeckt sind. Zweckmäßig ist leitfähige Abdeckung ein Formbiegeteil, welches auf dem Hüllelement aufliegt und im Randbereich der Leiterplatte an der Leiterplatte befestigt ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die unter der leitfähigen Abdeckung befindlichen offenen Bereiche auf der Leiterplatte ausreichend vor ESD-Beschuss geschützt sind und den ESD-Anforderungen genügen.
  • Offene Bereiche auf der Leiterplatte, d. h. Bereiche auf der Leiterplatte, welche nicht durch das Hüllelement abgedeckt sind, dienen üblicherweise dazu, die Leiterplatte beim Umspritzvorgang entsprechend abzustützen, so dass beim Umspritzvorgang es nicht zu einer Durchbiegung der Leiterplatte kommt. Solche offene Bereiche können Abschnitte der Kupferoberfläche der Leiterplatte freilegen.
  • Mit der Erfindung ist gewährleistet, dass diese Bereiche nach der Umspritzung einem ESD-Beschuss von bis zu 15 kV standhalten, ohne dass es zu einer Schädigung der Leiterplatten-Innenlagen kommt. Dadurch können zudem Geräteausfälle reduziert und vermieden werden.
  • Gemäß der ersten Variante der Erfindung ist eine Gold-Schicht auf der Kupferoberfläche einer Leiterplatte in den Bereichen der Leiterplatte aufgebracht, in denen das Hüllelement die Kupferoberfläche der Leiterplatte nicht abdeckt. Unter einer Kupferoberfläche wird eine Kupferschicht auf der Oberfläche der Leiterplatte verstanden, wobei eine solche Kupferschicht z. B. eine Kupferlage oder eine Kupferbahn sein kann, welche die elektrischen Funktionen der Leiterplatte sicherstellt.
  • Üblicherweise ist im Getriebebereich der Einsatz von Kupferschichten unerwünscht, da Kupfer mit dem Getriebeöl unerwünschte chemische Reaktionen eingeht, durch welche das Kupfer zersetzt wird. Durch die Gold-Schicht, welche die Kupferschicht vollständig abdeckt, wird die Kupferlage bzw. Kupferbahn vor dem Getriebeöl geschützt und somit eine Zerstörung bzw. Ablösen der Kupferschicht verhindert.
  • Zweckmäßig ist ein Überlapp vorhanden, d. h. die Goldschicht ist in ihren Abmessungen größer gewählt, als die Abmessungen des durch die Aussparung im Hüllelement gebildeten offenen Bereichs der Leiterpatte. Dadurch ist sichergestellt, dass auch im Randbereich der offenen Bereiche eine hohe ESD-Schirmung gewährleistet werden kann.
  • Bei dem vorliegenden Mechatronik Konzept wird eine Steuereinheit mit einer zentralen Leiterplatte vorgeschlagen. Dabei sind sämtliche in der elektronischen Einheit benötigten Bauelemente auf einer einzelnen Leiterplatte angeordnet sind. Hierbei ist unter einer einzelnen Leiterplatte zu verstehen, dass sämtliche elektronischen Bauelemente, Kühlkörper, Sensoren sowie Anschlusselemente für externe Geräte auf einer einzigen Leiterplatte angeordnet sind. Diese Leiterplatte ist insbesondere einstückig ausgebildet und kann auch als Mehrlagenleiterplatte ausgebildet sein.
  • Die vorgeschlagene elektronische Einheit mit einer Leiterplatte ist ausgebildet mit zumindest einem auf einer Hauptoberfläche der Leiterplatte angeordneten Bauelement und mit einem Hüllelement, welches das zumindest eine Bauelement einbettet, wobei die elektronische Einheit eine einzige Leiterplatte umfasst und das Hüllelement auf einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche der einzigen Leiterplatte zumindest abschnittsweise ausgebildet ist, derart, dass das Hüllelemente Bereiche aufweist, welche die Leiterplatte nicht bedecken und somit auf der Leiterplattenoberfläche freie Flächen bilden.
  • Zweckmäßig weist die Leiterplatte zumindest ein elektronisches Bauelement auf je einer der beiden Hauptoberflächen auf. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil eines weiteren Freiheitsgrads, insbesondere zur doppelseitigen Bestückung der Leiterplatte, wodurch sich die Flexibilität bei der Herstellung der elektronischen Einheit erhöht.
  • Durch die freien Flächen auf der Leiterplatte wird beim Umspritzvorgang eine hohe Stabilität zwischen der Unterseite und der Oberseite der Leiterplatten erzeugt. Hierbei können die auf der Oberseite und Unterseite umspritzten Flächen unterschiedliche Formen und Maße aufweisen.
  • Zweckmäßig ist das elektronische Bauelement durch das Hüllelement von einer Außenumgebung fluiddicht gekapselt und das Wärmeabfuhrelement ist zumindest teilweise von dem Hüllelement eingeschlossen.
  • Zweckmäßig können durch die Umhüllung von elektronischen Bauelementen auf der Leiterplatte Sensoren gebildet sein. Dadurch können Sensoren, welche üblicherweise als Einzelteile auf eine Leiterplatte aufgebracht sind, direkt an die Leiterplatte angespritzt sein. Hierdurch können Materialkosten und Bestückungszeiten eingespart werden.
  • Zweckmäßig füllt das Hüllelement einen Bereich zwischen einer Außenoberfläche und einem Hauptoberflächenbereich der Leiterplatte und/oder dem Bauelement und einem Hauptoberflächenbereich der Leiterplatte aus. Zweckmäßig ist das Hüllelement durch eine Vergussmasse oder Umspritzungsmasse gebildet. Durch das Ausfüllen sämtlicher Hohlräume zwischen der Leiterplatte und einem Bauelement wird ebenfalls die Stabilität der elektronischen Einheit erhöht. Mit der Außenoberfläche ist hierbei diejenige Oberfläche gemeint, welche durch die Umspritzmasse nach Durchführung eines Umspritzprozesses gebildet wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Wärmeabfuhrelement Hinterschnitte auf, welche von dem Hüllelement umschlossen sind.
  • Die Erfindung sowie weitere Vorteile der Erfindung werden im weiteren anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer elektronischen Einheit in einer ersten Variante in Schnittdarstellung,
  • 2 eine schematische Darstellung einer elektronischen Einheit in einer zweiten Variante in Schnittdarstellung,
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektronischen Einheit in einer ersten Variante. Auf einer Leiterplatte 2 ist auf einer Hauptoberfläche 3, 4 ein Bauelement 5, 6 und ein Hüllelement 7, welches das Bauelement 5, 6 umschließt, angeordnet. Zweckmäßig ist auf beiden Hauptoberflächen 3, 4 der Leiterplatte 2, d. h. aus der Oberseite 4 und der Unterseite 3 der Leiterplatte 2 jeweils ein elektronisches Bauelement 5 angeordnet. Durch die beidseitige Bestückung der Leiterplatte 2 ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Packungsdichte der elektronischen Einheit.
  • Die elektronische Einheit 1 weist ein Hüllelement 7 auf, welches die elektronischen Bauelemente 5 umschließt. Das Hüllelement 7 besteht dabei zweckmäßig aus einem Material (z. B. Duroplast), welches vorgegebene Schutzanforderungen, z. B. Wasser- und/oder Öldichtigkeit, aber auch vorgegebene Abstrahlungseigenschaften erfüllt. Das Hüllelement 7 ist auf der Oberseite 4 und der Unterseite 3 der Leiterplatte 2 ausgebildet. Das Material 10 des Hüllelements 7 füllt hierbei die Durchbrechungen 9 in der Leiterplatte 2 aus sowie den Bereich zwischen den elektronischen Bauelementen 5 und der Leiterplatte 2. Zweckmäßig umschließt das Hüllelement 7 die Leiterplatte 2 vollständig, es ist aber auch möglich, dass das Hüllelement 7 lediglich abschnittsweise auf der Oberseite 3 und Unterseite 4 der Leiterplatte 2 ausgebildet ist. Dadurch, dass das Material 10 des Hüllelements 7 die Durchbrechungen 9 in der Leiterplatte 2 ausfüllt, ist das Hüllelement als ein einstückiges Element ausgebildet. Damit ergibt sich eine direkte Verbindung des Hüllelementabschnitts 7 auf der Unterseite 4 mit demjenigen Hüllelementabschnitts 7 auf der Oberseite 3, wodurch eine erhöhte Stabilität des gesamten Hüllelements 7 und damit auch der Leiterplatte 2 erreicht wird.
  • Durch die Dicke des Hüllelements 7 kann die Höhe der elektronischen Einheit 1 definiert werden. Dadurch wird auch die Außenoberfläche der elektronischen Einheit 1 festgelegt.
  • Das Hüllelement 7 weist offene Bereiche 13 auf. Diese offene Bereiche 13 legen die Oberseite 3 bzw. die Unterseite 4 der Leiterplatte 2 frei, so dass diese Bereiche 13 nicht mit von dem Hüllelement 13 bedeckt sind. In 1 sind beispielhaft auf der Oberseite 3 der Leiterplatte 2 solche offene Bereiche 13 vorgesehen. Selbstverständlich können die offenen Bereiche 13 auch auf der Unterseite 4 oder auf der Ober- und Unterseite 3, 4 ausgeführt sein.
  • In den offenen Bereichen 13 ist eine Goldschicht 12 vorhanden, welche die Kupferschicht 11 in den offenen Bereichen 13 auf der Leiterplatte 2 vollständig abdeckt. Die Goldschicht 12 ist in den offenen Bereichen 13 dabei direkt auf der Kupferschicht 11 aufgebracht. Die Goldschicht 12 reicht in das Hüllelement 7 hinein. Somit bedeckt das Hüllelement 13 zumindest den Randbereich der Goldschicht 12. Damit ist gewährleistet, dass die Kupferschicht 11 in den offenen Bereichen 13 von der Umgebung der Elektronischen Einheit 1 bezüglich des unter Umständen dort vorhandenen Getriebeöls (nicht dargestellt) abgeschirmt ist.
  • Zweckmäßig ist die flächenhafte Erstreckung der Goldschicht 12 in den offenen Bereichen gleich der flächenhaften Erstreckung der Kupferschicht 11, derart, dass die Goldschicht 12 die Kupferschicht 11 auf der Oberseite 3 der Leiterplatte 2 in den offenen Bereichen vollständig abdeckt, ohne dass die Goldschicht 12 die Oberseite 3 der Leiterplatte 2 bedeckt. Es ist aber auch möglich, dass die flächenhafte Erstreckung der Goldschicht 12 größer ist als die flächenhafte Erstreckung der Kupferschicht 11, so dass die Goldschicht 12 in dem offenen Bereich 13 zum einen direkt auf der Kupferschicht 11 und zum anderen direkt auf der Oberseite 3 der Leiterplatte 2 angeordnet ist. In beiden Fällen ragt der Randbereich der Goldschicht 12 in das Hüllelement 13 hinein.
  • In der Leiterplatte 2 sind Durchbrechungen 9 ausgeführt, welche von der Oberseite 4 zur Unterseite 3 der Leiterplatte 2 führen. Diese Durchbrechungen 9 sind zweckmäßig im Bereich um die einzelnen elektronischen Bauelemente 5 ausgeführt, können aber auch im Randbereich der Leiterplatte 2 ausgeführt sein. Zweckmäßig sind die Durchbrechungen 9 gleichmäßig in der Leiterplatte 2 verteilt, insbesondere entsprechend einer Wabenstruktur. Es ist aber auch möglich, dass um bestimmte elektronische Bauelemente 5 mehr oder weniger Durchbrechungen 9 ausgeführt sind. Zweckmäßig können die Durchbrechungen 9 nach einem vorgegebenen Muster ausgeführt sein. Die Durchbrechungen 9 sind insbesondere als Bohrung ausgeführt. Es ist aber auch möglich, dass die Durchbrechungen 9 als gerade oder bogenförmige Schlitze ausgeführt sind.
  • Auf der Leiterplatte 2 sind weitere Anschlussbereiche (nicht dargestellt) für Stecker (nicht dargestellt) oder Sensoren (nicht dargestellt) vorgesehen.
  • Auf der Leiterplatte 2 ist auf der Unterseite 4 ein Wärmeabfuhrelement 6, z. B. ein Kühlkörper angeordnet. Dieser Kühlkörper 6 ist ebenfalls von dem Hüllelement 7, zumindest teilweise, umschlossen. Ein Abschnitt des Kühlkörpers 6 weist keine Umhüllung des Hüllelements 7 auf. Somit kann die Wärme ungehindert abfließen. Es ist aber auch möglich, dass der Kühlkörper 6 vollständig von dem Hüllelement 7 umschlossen ist. Der Bereich B zwischen der Leiterplatte 2 und dem Kühlkörper 6 ist ebenfalls mit dem Material 10 des Hüllelements 7 gefüllt.
  • Das Hüllelement 7 weist Hinterschnitte 14 auf, welche mit dem Material 10 des Hüllelements 7 gebildet sind und somit von dem Hüllelement 7 umschlossen sind. Dadurch wird eine weitere Stabilität der elektronischen Einheit 1 gewährleistet. Ferner wird der Kühlkörper 6 in der Position gehalten und fixiert. Der Kühlkörper 6 kann dabei mit einer Oberfläche direkt mit einem elektronischen Bauelement 5 verbunden sein bzw. über ein thermisches Material 19.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer elektronischen Einheit in einer zweiten Variante. Um Wiederholung zu vermeiden, wird auf die Erläuterungen in 1 verwiesen. Gleiche Bezugszeichen bedeuten in 2 dasselbe wie in 11.
  • Die erste Variante in 1 und die zweite Variante in 2 unterscheiden sich darin, dass in 2 die Kupferlagen 11 in den offenen Bereiche 13 der Leiterplatte 2 nicht mit einer Goldschicht 12, sondern mit einem leitfähigen Abschirmelement 15 abgedeckt sind. Das Abschirmelement 15 liegt auf dem Hüllelement 7 auf und bedeckt die offenen Bereiche 13 vollständig, indem das Abschirmelement 15 den durch das Hüllelement 7 gebildeten offenen Bereich 13 vollständig abdeckt und von der Außenumgebung abschirmt.
  • Das Abschirmelement 15 ist mittelbar oder unmittelbar auf der Oberseite 3 der Leiterplatte 2 befestigt. Die Befestigung kann mittels Schraub-, Löt-, Klemm- oder Schweißverbindungen erfolgen. Unter mittelbarer Befestigung ist hierbei verstanden, dass das Abschirmelement 15 an einem oder mehreren Bauteilen befestigt ist, welche ihrerseits direkt auf der Leiterplatte 2 befestigt sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektronische Einheit
    2
    Leiterplatte
    3
    Oberseite
    4
    Unterseite
    5
    elektronisches Bauelement
    6
    Wärmeabfuhrelement
    7
    Hüllelement
    8
    weiteres Hüllelement
    9
    Durchbrechung
    10
    Umspritzmasse
    11
    Kupferschicht
    12
    Goldschicht
    13
    offene Bereiche auf Leiterplatte
    14
    Hinterschnitt
    15
    leitfähiges Abschirmelement
    19
    thermische Material
    B
    Bereich zwischen Leiterplatte und Wärmeabfuhrelement
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013212265 A1 [0003]
    • DE 102013215368 A1 [0003]

Claims (5)

  1. Elektronische Einheit mit einer Leiterplatte mit zumindest einem auf einer Hauptoberfläche (3, 4) der Leiterplatte (2) angeordneten Bauelement (5, 6) und mit einem Hüllelement (7), welches das zumindest eine Bauelement (5, 6) einbettet, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Einheit (1) eine ESD-Schutzanordnung (11, 12) für die Leiterplatte (2) aufweist, derart, dass offene Bereiche (13) auf der Leiterplatte (2), welche nicht von dem Hüllelement (7) bedeckt sind, durch eine Goldschicht (12), welche direkt auf einer Kupferoberfläche (11) der Leiterplatte (2) aufgebracht ist, abgedeckt sind.
  2. Elektronische Einheit mit einer Leiterplatte mit zumindest einem auf einer Hauptoberfläche (3, 4) der Leiterplatte (2) angeordneten Bauelement (5, 6) und mit einem Hüllelement (7), welches das zumindest eine Bauelement (5, 6) einbettet, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Einheit eine ESD-Schutzanordnung (15) für die Leiterplatte (2) aufweist, derart, dass offene Bereiche (13) auf der Leiterplatte (2), welche nicht von dem Hüllelement (7) bedeckt sind, durch eine leitfähige Abdeckung (15), welche auf dem Hüllelement (7) angeordnet ist, abgedeckt sind.
  3. Elektronische Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllelement (7) zumindest den Randbereich der Goldschicht (12) bedeckt.
  4. Elektronische Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Abdeckung (15) ein Formbiegeteil ist, welches auf dem Hüllelement (7) aufliegt und im Randbereich der Leiterplatte (2) an der Leiterplatte (2) befestigt ist.
  5. Elektronische Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4 für eine integrierte Getriebesteuerung für Kraftfahrzeuge.
DE102016205966.1A 2016-04-11 2016-04-11 Elektronische Einheit mit ESD-Schutzanordnung Pending DE102016205966A1 (de)

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DE102016205966.1A DE102016205966A1 (de) 2016-04-11 2016-04-11 Elektronische Einheit mit ESD-Schutzanordnung
CN201710165189.3A CN107295741B (zh) 2016-04-11 2017-03-20 带有esd保护装置的电子单元
US15/483,111 US10819107B2 (en) 2016-04-11 2017-04-10 Electronic unit comprising an ESD protective arrangement

Applications Claiming Priority (1)

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DE102016205966.1A DE102016205966A1 (de) 2016-04-11 2016-04-11 Elektronische Einheit mit ESD-Schutzanordnung

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