DE19929209A1 - Elektronisches Steuergerät mit Kühlkörper und Herstellungsverfahren - Google Patents

Abstract

Ein elektronisches Steuergerät weist ein auf der Oberseite eines Schaltungsträgers (11) angeordnetes Leistungsbauteil (111) auf. Auf der Unterseite des Schaltungsträgers (11) ist ein metallischer Kühlkörper mit einer Länge von höchstens 40 mm, einer Breite von höchstens 40 mm und einer Dicke von höchstens 5 mm gelötet. Der Kühlkörper (112) wird von einem herkömmlichen Bauelemente-Bestückungsautomaten bestückt.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Steuergerät mit ei­ nem auf einem Schaltungsträger angeordneten Kühlkörper und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Steuergeräts.

Aus der Patentschrift DE 197 04 152 C2 ist ein Steuergerät für ein Antiblockiersystem bekannt, das eine flexible Leiter­ platte aufweist. Auf einer Seite der Leiterplatte befindet sich eine Steuerschaltung und auf der anderen Seite eine Kühlplatte. Die Kühlplatte liegt nach dem Aufsetzen des Steu­ ergeräts auf einen Ventilblock an einer Wand des letzteren an.

Üblicherweise werden solche Kühlplatten mittels Kaltklebe­ technik oder mittels Heißklebetechnik auf die Leiterplatte laminiert. Bei der Kaltklebetechnik klebt ein doppelseitiges Klebeband die Leiterplatte an die Kühlplatte. Bei der Heiß­ klebetechnik verbindet eine kunstharzgetränkte Glasfasermatte die Leiterplatte und die Kühlplatte durch Aufpressen unter Wärmeeinwirkung.

Zusätzlich kann unter den wärmeerzeugenden Bauteilen der Lei­ terplatte ein Kupferniet in die Leiterplatte eingepresst wer­ den, über den die Wärme direkt in die Kühlplatte abgeführt wird.

Der Prozeß des Auflaminierens stellt einen kostenintensiven Arbeitsgang dar, der nur von wenigen Herstellern mit hoher Prozeßsicherheit durchgeführt werden kann. Dabei müssen hohe Anforderungen an die Kühlplatte hinsichtlich Ebenheit, Gratfreiheit und unbeschädigter Klebeoberfläche beachtet wer­ den. Dies alles führt zu relativ hohen Herstellungskosten. Wegen der großflächigen Kühlplatte ist die Leiterplatte re­ gelmäßig nur einseitig mit elektronischen Bauteilen bestück­ bar. Deswegen ist eine gegenüber einer doppelseitigen Bestüc­ kung größere Leiterplattenfläche nötig. Das Einpressen eines Kupferniets zur Wärmeabführung von einem Bauteil auf die Kühlplatte muß unter Berücksichtigung von extrem geringen To­ leranzen erfolgen. Die Überprüfung dieser Toleranzen ist sehr schwierig und aufwendig.

Aus der Offenlegungsschrift DE 41 07 312 A1 ist eine Leiter­ platte mit Durchkontaktierungen bekannt, die unter Vermitt­ lung einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht durch eine Klebung oder eine Verpressung mittels einer kunstharzgetränk­ ten Glasfasermatte mit einer Kühlplatte verbunden ist. Der thermische Pfad für die Ableitung von Wärme, die von auf der Leiterplatte angeordneten Bauteilen erzeugt wird, führt durch die Durchkontaktierungen über die klebende Zwischenschicht in die Kühlplatte. Die Zwischenschicht stellt einen thermischen Widerstand bei der Wärmeableitung dar.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein elektronisches Steuergerät und ein Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Steuer­ geräts bereitzustellen, bei denen ein Schaltungsträger auf besonders einfache Weise mit einem metallischen Kühlkörper versehen werden kann.

Dieses Ziel wird mit einem elektronischen Steuergerät und einem Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Steuerge­ räts erreicht, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert sind. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Verwendung von sehr kompakten Kühlkörpern können diese von einem herkömmlichen Bestückungsautomaten für elek­ tronische Bauelementen bestückt werden. Zudem erlaubt die punktuelle Anordnung der kleinflächigen Kühlkörper unter ver­ lustleistungserzeugenden Bauteilen optional eine beidseitige Bestückung des Schaltungsträgers.

Aufgrund der Verlötung der metallischen Kühlkörper, die wegen der verhältnismäßig geringen Masse problemlos erfolgen kann, erfolgt ein besonders guter Wärmeübergang von einer Durchkon­ taktierung auf den Kühlkörper.

Vorzugsweise wird eine Kunststoffmasse unmittelbar auf den Kühlkörper aufgetragen. Hierdurch entsteht eine Wärmesenke, die besonders geeignet zur Aufnahme von nur temporär auftre­ tenden Verlustleistungsspitzen ist. Der metallische Kühlkör­ per sorgt für die schnelle Ableitung von Wärme in die Kunst­ stoffmasse. Letztere weist regelmäßig eine höhere Wärmekapa­ zität auf als das üblicherweise für Wärmesenken verwendete Aluminium.

Die Vergußmasse kann innerhalb des Steuergeräts einen zusätz­ lichen Effekt aufweisen, beispielsweise durch nachträgliches Vergießen eine hermetische Abdichtung der Steuerschaltung be­ wirken.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltungsträger, der gerade bestückt wird, und

Fig. 2 ein elektronisches Steuergerät mit dem Schaltungs­ träger von Fig. 1.

Fig. 1 veranschaulicht einen Schaltungsträger 11, der mit einem Kühlkörper 112 durch eine handelsüblichen Bestückungs­ automaten für SMD(Surface Mounted Device) in herkömmlicher Weise bestückt wird. Derselbe Bestückungsautomat wird sowohl für das Bestücken der Kühlkörper als auch von elektronischen Bauelementen eingesetzt. Ein zusätzlicher Prozeßschritt für die Bestückung der Kühlkörper 112 entfällt daher. Der metal­ lische Kühlkörper 112 besteht aus Kupfer.

Der Schaltungsträger 11 ist eine starre Leiterplatte aus FR4. Die Leiterplatte wird nach dem Bestücken mit elektronischen Bauteilen gelötet. In einem Arbeitsschritt werden sowohl die elektronischen Bauteile als auch ein oder mehrere Kühlkörper 112 auf den Schaltungsträger 11 gelötet.

Die Länge eines Kühlkörpers 112 kann zwischen 1 mm und 40 mm betragen, seine Breite zwischen 1 mm und 40 mm und seine Dic­ ke zwischen 0,3 mm und 5 mm.

In diesem Ausführungsbeispiel weist der Kühlkörper eine Länge von 20 mm, eine Breite von 10 mm und eine Dicke von 3 mm auf. Die Kühlkörper werden in mit Bestückungsmaschinen verarbeit­ barem "Tape & Reel" angeliefert. Dabei handelt es sich um ein auf eine Rolle gewickeltes Band mit Vertiefungen, in denen Kühlkörper von einer Folie abgedeckt liegen.

Fig. 2 zeigt ein elektronisches Steuergerät 1 mit einem Schaltungsträger 11. Auf der Oberseite des Schaltungsträgers 11 ist eine Steuerschaltung für eine hydraulisch betätigbare Fahrzeugbremse angeordnet, die ein Leistungsbauteil 111 auf­ weist.

Das Leistungsbauteil 111 ist mit seiner Unterseite auf den Schaltungsträger 11 gelötet. Im Bereich des Leistungsbauteils 111 sind mehrere Durchkontaktierungen 113 angeordnet. Diese Durchkontaktierungen weisen hohlzylinderförmige Kupferflächen auf, die Wärme vom Leistungsbauteil 111 auf der Leiterplat­ tenoberseite an die Leiterplattenunterseite abführen.

An der Leiterplattenunterseite sind die Durchkontaktierungen 113 durch den Kühlkörper 112 bedeckt. Der Kühlkörper 112 ist seinerseits von einer Kunststoffmasse 13 oder Vergußmasse we­ nigstens an einer flächigen Seite bedeckt oder eingebettet. In diesem Beispiel sind alle Seiten des Kühlkörpers mit Aus­ nahme der an die Leiterplattenunterseite gelöteten Fläche vollständig von der Kunststoffmasse 13 umhüllt. Zwischen der Kunststoffmasse 13 und dem Kühlkörper 112 besteht Formschluß, so daß keine isolierende Luftschicht zwischen der Kunststoff­ masse und dem Kühlkörper existiert. Die Kunststoffmasse be­ steht aus Polyurethan.

In die Unterseite des Schaltungsträger 11 sind Kontaktstifte 14 von Ventilspulen 15 und von einer externen Spannungsver­ sorgung geführt.

Die im Gehäuse 1 vergossene Kunststoffmasse 13, die nach dem Einsetzen der Kontaktstifte 14 in den Schaltungsträger 11 in dem Gehäuse 1 vergossen wurde, dichtet den Bereich um die Kontaktstifte 14 ab. Es kann daher keine Feuchtigkeit in den Bereich eindringen, in der die Steuerschaltung mit dem Lei­ stungsbauteil 111 angeordnet ist.

Die Ventilspulen 15 sind elastisch gelagert, damit die Ven­ tilspulen beim Aufsetzen auf einen Ventilblock Toleranzen in allen drei Richtungen ausgleichen. Die elastische Lagerung kann durch Umspritzen mit einer elastischen Kunststoffmasse oder durch einen Federmechanismus erzielt werden.

Auf der Leiterplattenunterseite befindet sich ein passives Bauelement 114, nämlich ein Widerstand.

Durch die gute thermische Kopplung zwischen dem Leistungsbau­ teil 111 und dem Kühlkörper 112 wird bei einer momentan auf­ tretenden hohen Verlustleistung die Wärme sehr effizient in den Kühlkörper 112 abgeleitet. Über die Kunststoffmasse 13, die ein Vielfaches der Masse des Kühlkörpers aufweist, er­ folgt eine Pufferung und Abführung der aufgenommenen Wärme.

Claims (7)

1. Elektronisches Steuergerät, das aufweist:

• - eine auf einem Schaltungsträger (11) angeordnete Steuer­ schaltung mit wenigstens einem elektronischen Leistungsbau­ teil (111),
• - einen metallischen Kühlkörper (112), der unter dem Lei­ stungsbauteil (111) auf die dem Leistungsbauteil (111) ab­ gewandte Seite des Schaltungsträgers (11) gelötet ist und eine Länge von höchstens 40 mm, eine Breite von höchstens 40 mm und eine Dicke von höchstens 5 mm aufweist,
• - eine Kunststoffmasse (13) in die der Kühlkörper (112) form­ schlüssig eingebettet ist,
• - wenigstens eine Durchkontaktierung (113) des Schaltungsträ­ gers (11), die einen thermischen Pfad zwischen dem Lei­ stungsbauteil (111) und dem Kühlkörper (112) bereitstellt.

2. Elektronisches Steuergerät nach dem vorhergehenden An­ spruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffmasse (13) in den Schaltungsträger (11) geführte Kontaktstifte (14) dichtend umhüllt.

3. Elektronisches Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungsträger (11) beidseitig bestückt ist.

4. Elektronisches Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät ein Ventilsteuergerät einer hydraulisch betätigbaren Fahrzeug­ bremse ist.

5. Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Steuergeräts mit wenigstens einem Kühlkörper, mit den Schritten:

• - ein Schaltungsträger (11) wird von einem Bestückungsautoma­ ten (2) mit wenigstens einem elektronischen Leistungsbau­ teil (111) bestückt,
• - der Schaltungsträger (11) wird vom Bestückungsautomaten (2) mit wenigstens einem metallischen Kühlkörper (112) unter einem Leistungsbauteil (111) auf der dem Leistungsbauteil gegenüberliegenden Seite des Schaltungsträgers (11) be­ stückt,
• - das Leistungsbauteil (111) und der Kühlkörper (112) werden an den Schaltungsträger (11) gelötet.

6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kühlkörper (112) mit einer Kunststoff­ masse (13) vergossen oder umspritzt wird.

7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch das Vergießen oder Umspritzen gleich­ zeitig das Leistungsbauteil (111) gegen Feuchtigkeit herme­ tisch abgedichtet wird.