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Die Erfindung betrifft ein standardisiertes Elektronikgehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Steuergerätes, insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen in der Automobilindustrie.
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Stand der Technik
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In der Kraftfahrzeugtechnik werden Komponenten wie Getriebe-, Motoren- oder Bremssysteme zunehmend vornehmlich elektronisch gesteuert. Hierbei gibt es eine Entwicklung hin zu mechatronischen Steuerungen, also zur Integration von Steuerelektronik und den zugehörigen elektronischen Komponenten, wie Sensoren oder Ventile in das Getriebe, den Motor, das Bremssystem oder Ähnlichem. Die Steuergeräte weisen im Allgemeinen eine Vielzahl an elektronischen Komponenten auf, welche in Verbindung mit anderen Komponenten außerhalb des Steuergerätes stehen. Bei solchen integrierten Elektroniken sind diese Steuerungen nicht mehr in einem separaten, speziell geschützten Elektronikraum untergebracht. Sie müssen daher entsprechenden Umwelteinflüssen und mechanischen, thermischen sowie chemischen Beanspruchungen standhalten.
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Sie werden zu diesem Zweck normalerweise in spezielle Gehäuse eingesetzt. Zudem erfüllen die Gehäuse eine wichtige Abschirmfunktion. Um eine verlässliche Verbindung zu außerhalb des Gehäuses liegenden Komponenten zu ermöglichen, ist eine elektrische Verbindung von der Gehäuseinnenseite zur Gehäuseaußenseite notwendig.
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Aus der
DE 10 2005 002 813 A1 ist ein Steuermodul mit einem ersten Gehauseteil, auf dem ein elektronisches Schaltungsteil angeordnet ist, einem zweiten Gehauseteil und mit einem Träger bekannt. An dem Träger ist eine flexible Leiterfolie angeordnet, die in einem zwischen dem ersten Gehauseteil und dem zweiten Gehauseteil befindlichen Gehauseinnenraum mit dem Schaltungsteil, und die außerhalb des Gehauseinnenraums mit an dem Träger festgelegten elektrischen Bauelementen elektrisch verbunden ist.
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Die
DE 198 37 663 A1 offenbart ein Steuergerät mit einem Gehäuse aus einem Gehäusedeckel und einer Bodenplatte. Im Gehäuseinneren ist auf der Bodenplatte eine elektronische Schaltung angebracht, die von einem Leiterbahnträger umgeben ist.
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Die
DE 198 17 198 A1 offenbart eine Anordnung zum elektrischen Verbinden einer elektronischen Schaltung in einem Gehäuse mit einer außerhalb des Gehäuses vorgesehenen elektrischen Peripherie, wobei die elektronische Schaltung von einem Leiterbahnträger umgeben ist.
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Es sind Systeme bekannt, bei der die Zentralelektronik im Gehäuse an einen Gesamtkomponententräger elektrisch kontaktiert wird. Der Gesamtkomponententräger stellt eine maßgeschneiderte Verbindung von allen außerhalb des Steuergeräts liegenden Komponenten an die Zentralelektronik dar. Diese Anordnung hat folglich jedoch den Nachteil, dass keine flexible Anbindung einzelner peripherer Komponenten an die Zentralelektronik möglich ist. Zudem muss der Gesamtkomponententräger spezifisch für die jeweilige Anwendung und den damit verknüpften bestimmten Anforderungen neu entwickelt und konzipiert werden. Dies ist mit erheblichem Zeit- und Kostenaufwand verbunden.
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Ein Konzept zur Flexibilisierung der Verbindung zwischen peripheren Komponenten und Zentralelektronik ist aus der
DE 10 2004 036 683 A1 bekannt. Hier wird eine Anordnung zur elektrischen Verbindung von Steuerelektronik zu peripheren Komponenten wie beispielsweise Sensoren, Ventile oder Stecker mittels Ankontaktierung an flexible Leiterplattenteilstücke beschrieben.
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Beispielhaft für eine gattungsgemäße Ankontaktierung wird auf die
DE 10 2004 050 687 A1 verwiesen. Dort wird eine Möglichkeit zur direkten Kontaktierung eines Kabels oder eines Kabelbündels aufgezeigt, das an eine flexible Leiterplatte angreift.
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Auch hier besteht jedoch jeweils der Nachteil, dass für jedes Steuergerät ein individuell angepasstes und auf die beteiligten Komponenten abgestimmtes Layout für das Gehäuse und die Geometrie der flexiblen Leiterplatten gefertigt werden muss. Ändern sich die Vorgaben für die Kontaktierung der peripheren Komponenten oder gar die Größe und die Geometrie des zentralen Elektroniksubstrates, muss zwangsläufig auch ein neues Layout für das Gehäuse und die flexiblen Leiterplatten gefunden und angefertigt werden. Dieser Zwang besteht unabhängig davon, ob die flexiblen Leiterplatten einstückig oder als Teilstücke ausgebildet sind.
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Ein weiterer Aspekt besteht in dem Prozess der Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen den Kontaktstellen der flexiblen Leiterplatten und den peripheren Komponenten. Bevorzugt wird der Prozess mittels Laserschweißen ausgeführt. Der Vorgang des Laserschweißens setzt jedoch voraus, dass die Kontakte der peripheren Komponenten auch bei einer Standardisierung flächig fest auf die entsprechenden offenen Leiterbahnebereiche der flexiblen Leiterplatte niedergehalten werden. Bisher wird diese Funktion maschinenseitig mittels federbeaufschlagter Ringe übernommen, die während des Prozesses auf die Kontaktzonen so aufgesetzt werden, dass der Laserstrahl konzentrisch von unten hindurchgeführt werden kann. Auf diese Weise ist ein bestimmter Mindestabstand der Kontaktstellen zueinander vorgegeben, da die Ringe nicht beliebig eng nebeneinander angeordnet werden können. Außerdem erfordert die maschinenseitige Anordnung der Ringe eine hohe Wiederholgenauigkeit, was einen erheblichen Kostenfaktor darstellt.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein standardisiertes Elektronikgehäuse bereitzustellen, das eine einfache, sichere und flexible Anbindung funktionaler peripherer Komponenten, wie Sensoren, Satelliten und externer Stecker, ermöglicht und gleichzeitig eine Verringerung des Mindestabstands der Kontaktbereiche erzielt. Mithin soll ein Konzept für eine standardisierte, insbesondere für eine modularisierte, Kontaktierung von peripheren Komponenten an ein Elektronikgehäuse zur Verfügung gestellt werden, das zugleich eine vereinfachte Montage erlaubt.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung entsprechend des Patentanspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung gemäß Anspruch 9 erreicht.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die elektronische Verbindung einheitliche, offene Leiterbahnbereiche außerhalb des Gehäusedeckels aufweist, welche mindestens teilweise von Kontaktpartnern abgedeckt werden. Gleichzeitig weisen die Kontaktpartner mindestens eine direkte Kontaktierung zu einer oder mehreren peripheren Komponenten auf, die mittels eines federnd ausgelegten Bereichs der Kontaktpartner flächig eben auf die entsprechenden offenen Leiterbahnbereiche gehalten werden. Damit verbindet der erfindungsgemäße Kontaktpartner unterschiedliche Funktionen der Abdeckung und der Kontaktierung sowie der sicheren Positionierung und Niederhaltung, die bisher von separaten Bauteilen übernommen wurden. Darüber hinaus kann mit dieser Zusammenfassung von Funktionalitäten auch eine Standardisierung der Kontaktierung an zentrale Elektroniken von integrierten Mechatroniken erfolgen. Es ist somit erstmals möglich, vorgegebene modulare Kontaktpartner für die einzelnen Komponentenarten bereitzustellen, die eine maschinenseitige Einrichtung zur Niederhaltung der Kontaktbereiche aufeinander ersetzt. Auf diese Weise lässt sich nicht nur eine optimale Entflechtung der Signal- und Strompfade erzielen sondern es ist auch eine flexible Anpassung an unterschiedliche Anordnungen, Funktionalitäten und Geometrien der peripheren Komponenten, wie Sensoren, Ventile oder ähnliches, möglich bei gleichzeitiger Vereinfachung der Montage im Prozess der Kontaktierung.
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Die anzusteckende Komponente mit den erfindungsgemäß federnd ausgelegten Kontaktbereichen kann je nach funktionaler Anforderung und Notwendigkeit ein oder mehrere integrierte Kontakte aufweisen. Die Komponenten können zudem durch die flexible, modulare Anbindungsmöglichkeit so ankontaktiert werden, dass eine optimale Entflechtung der/zur Elektronik ermöglicht wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann ein Kontaktpartner gleichzeitig Träger einer oder mehreren peripheren Komponenten (9) sein. Beispielsweise können Sensorelemente direkt auf den Kontaktpartner aufgesetzt sein. Dadurch kann eine sehr kompakte Bauweise des Elektronikgeräts erzielt werden.
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Die elektronische Verbindung zwischen der im Innern des Gehäuses angeordneten zentralen Elektronik und den peripheren Komponenten kann bevorzugt durch eine flexible Leiterplatte, insbesondere eine mehrlagige flexible Leiterplatte, gebildet werden. Neben der Resistenz gegen thermische und chemische Einflüsse bietet diese Art der elektronischen Verbindung eine optimale Signal- und Potentialentflechtung sowie die Möglichkeit, auf einfache Weise eine hermetische Abdichtung des Gehäuses bereit zu stellen.
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Die elektronische Verbindung kann bevorzugt aus mindestens zwei oder mehreren flexiblen Teilleiterplatten gebildet werden. Dies führt zu einer weiteren Materialeinsparung verbunden mit einer vereinfachten Montage und einer größeren Flexibilität im Hinblick auf unterschiedliche Layouts der Peripherien.
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In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der Gehäuseboden eine größere Grundfläche aufweisen als der Gehäusedeckel. Auf diese Weise kann eine verbesserte mechanische Unterstützung und gegebenenfalls eine verbesserte Wärmeabfuhr der einzelnen Komponenten erzielt werden.
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Die Kontaktpartner können über die spezifischen Kontaktstellen herausragen und mit dem Rand des Gehäusedeckels überlappen. Somit kann eine vollständige Abdeckung der zur Kontaktierung offenen Bereiche der Leiterplatten hergestellt werden. Diese Bereiche sind so vor Kontamination und vor möglichen Kurzschlüssen durch leitende Späne, die durch den Herstellungsprozess des Getriebes beispielsweise erzeugt wurden, geschützt.
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Gleichermaßen können die Kontaktpartner auch bündig mit dem Rand des Gehäusedeckels abschließen.
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Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Elektronikgehäuses kann die elektronische Verbindung auf den Gehäuseboden aufgebracht werden, mit den elektronischen Bauteilen im Innern des Gehäuses und den außerhalb des Gehäuses liegenden Komponenten über im Bereich der Kontaktstellen federnde Kontaktpartner verbunden werden und der Gehäusedeckel auf die entsprechenden Bereiche der elektronischen Verbindung und/oder des Gehäusebodens fixiert werden. Die Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte ist nicht kritisch und kann je nach Bedarf variiert werden.
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Besonders bevorzugt werden die Kontaktierungen zwischen den Kontaktpartnern und der elektronischen Verbindung mittels Laserschweißen hergestellt. Hier kann erfindungsgemäß eine maschinenseitige Niederhaltevorrichtung mittels federnder Ringe entfallen. Daneben können erstmals die Kontaktstellen sehr eng nebeneinander angeordnet werden. Dadurch kann neben einer vereinfachten Montage eine kompaktere Bauweise des Elektronikgehäuses erreicht werden.
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Die Verbindung der elektronischen Bauteile und Komponenten mit der elektronischen Verbindung kann bevorzugt mittels Dickdraht-Bonden durchgeführt werden.
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Als elektronische Verbindung kann eine flexible Leiterplatte mindestens teilweise auf den Gehäuseboden auflaminiert werden. Bevorzugt können die Bereiche der Leiterplatte, die außerhalb des Gehäusedeckels liegen und die Kontaktstellen tragen lose auf dem Gehäuseboden aufliegen ohne laminiert zu sein. Zum besseren Toleranzausgleich bei der Montage und zur nötigen Flexibilität bei vibrationsbelasteten Gehäusen kann auf diese Weise eine erhöhte Zuverlässigkeit erzielt werden. In gleicher Weise können auch mehrere Teil-Leiterplatten nur teilweise auf den Gehäuseboden fixiert werden.
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Ein Elektronikgehäuse gemäß der vorliegenden Erfindung kann bevorzugt für eine integrierte Getriebesteuerung eines Kraftfahrzeugs verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand einer Ausführungsvariante in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert.
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In diesen zeigt:
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1 eine explodierte perspektivische Draufsicht auf das Elektronikgehäuse,
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2 eine Schnittdarstellung eines Teilabschnitts des Elektronikgehäuses und des Kontaktierbereiches und
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3 eine perspektivische Seitenansicht des Elektronikgehäuses in 1.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Elektronikgehäuse 1, das zum Einbau in ein Kraftfahrzeuggetriebe vorgesehen ist. Das Gehäuse 1 wird von einer metallischen Bodenplatte 3 und einem Gehäusedeckel 4 aus Stahlblech gebildet. Auf der metallischen Bodenplatte 3 ist eine flexible Leiterplatte 5 fixiert. Der Gehäusedeckel 4 kann aus Kunststoff, Metall oder Verbundwerkstoffen bestehen und ist vorzugsweise hermetisch dicht mit der Leiterplatte verbunden. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein Elektronik-Substrat 7, beispielsweise ein Schaltungsträger. An einer Seite des Gehäuses 1 sind in dieser Ausgestaltung zwei Kontaktpartner 8 mit unterschiedlicher Funktionalität angeordnet. Als periphere Komponente 9 ist beispielhaft ein Sensorelement 9 und eine Kabelverbindung 10 dargestellt. Die Kontaktpartner 8 sind jeweils so mit dem Gehäuse 1 verbunden, dass eine Anbindung und elektrische Kontaktierung zu den offenen Cu-Zonen 11 der flexiblen Leiterplatte 5 hergestellt wird. Die flexible Leiterplatte 5 kann wie gezeigt im Bereich der einzelnen Kontaktstellen individualisiert sein, das heißt dass die Bereiche mit einzelnen Kontaktstellen mechanisch voneinander getrennt sind. Die auf diese Weise entstehenden Abschnitte der flexiblen Leiterplatte können damit unabhängig voneinander auf Vibrationsbelastungen reagieren und eine Belastung des nächsten Kontakts wird vermieden. Vorteilhafterweise ist die Ausgestaltung und Anbindung der Kontaktpartner 8 im Bereich der Kontaktstellen 12 dergestalt federnd angepasst, dass die offenen Leiterbahnbereiche der flexiblen Leiterplatte 5 vollständig, mindestens spandicht, abgedeckt werden und die einzelnen Kontaktstellen flächig eben niedergehalten werden. So kann sowohl auf eine zusätzliche Kontaktierabdeckung oberhalb der Leiterplatte verzichtet werden als auch auf eine separate, maschinenseitige Niederhaltevorrichtung. Gegebenenfalls können, wie separat abgebildet, zusätzliche für die direkte elektrische Kontaktierung zusätzliche Kontaktierabdeckungen 13 als Spanschutz und Schutz vor anderen Umwelteinflüssen unterhalb der elektrischen Anbindungen 10 vorgesehen werden. Zudem kann die Abdeckung 13 gleichermaßen als Befestigungspartner für die Kontaktpartner 8 dienen.
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2 zeigt in einer Schnittdarstellung den Aufbau des Gehäuses 1 aus 1. Das Gehäuse 1 wird von einer metallischen Bodenplatte 3 und einem Gehäusedeckel 4 aus Stahlblech oder Aluminium gebildet. Auf der metallischen Bodenplatte 3 ist eine flexible Leiterplatte 5 teilweise mittels einer Kleberschicht 15 fixiert. Im Bereich der Kontaktstellen 11 liegen die entsprechenden Bereiche der flexiblen Leiterplatte 5 lose auf der Bodenplatte auf. Der Gehäusedeckel 4 ist umlaufend fest, vorzugsweise hermetisch dicht, direkt auf der flexiblen Leiterplatte 5 angeordnet. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein Elektronik-Substrat (nicht gezeigt), beispielsweise ein Schaltungsträger. Die Verbindungen von dem elektronischen Substrat 7 zur flexiblen Leiterplatte 5 werden mittels Dickdraht-Bonden hergestellt. Die elektrische Kontaktierung zu den elektrischen Anbindungen 10 der Kontaktpartner 8 kann beispielsweise mittels Laserschweißen, Crimpen oder Bonden hergestellt werden. Bevorzugt wird die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstellen der Leiterplatte 5 und den elektrischen Anbindungen 10 der Kontaktpartner 8 mittels Laserschweißen hergestellt. Zu diesem Zweck befindet sich im Bereich der Leiterplatten-Kontaktstellen 11 eine Ausnehmung 14 in der Bodenplatte, so dass durch diese Ausnehmung der Laserstrahl geführt werden kann. Zur Niederhaltung der entsprechenden Kontaktstellen der Leiterplatte und der Kontaktpartner ist der darüber liegende Bereich der Kontaktpartner federnd ausgestaltet und richtet seine Federkraft in senkrecht in Richtung der Ausnehmung in der Bodenplatte.
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Die Kontaktierabdeckung 13 kann mit Befestigungsmitteln an der Bodenplatte 3 des Elektronikgehäuses 1 befestigt werden.
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3 zeigt das Elektronikgehäuse aus 1 in einer perspektivischen Seitenansicht. Die Bodenplatte 3 trägt die meist mehrlagige Leiterplatte 5, wobei der Gehäusedeckel 4 umlaufend fest, vorzugsweise hermetisch dicht, direkt auf der flexiblen Leiterplatte 5 angeordnet ist. Die flexible Leiterplatte 5 ragt unter der Aufsatzfläche des Deckels 4 hervor. In der Darstellung hat die Bodenplatte 3 wiederum eine kleinere Fläche als die flexible Leiterplatte 5. Unterhalb der Kontaktierstelle ist eine Abdeckung 13 mit einer Ausnehmung 14 im Bereich der Kontaktstellen angeordnet. Durch die Ausnehmung kann der Laserstrahl zur Verscheißung der Kontakte geführt werden. Die Ausnehmung kann wahlweise auch länglich unterhalb des gesamten Kontaktierbereichs ausgestaltet sein. Auf diese Weise können die Kontaktstellen vorteilhafterweise gleichzeitig verschweißt werden und ihr Mindestabstand voneinander kann signifikant verkleinert werden. In alternativen Ausgestaltungen der Erfindung ist es jedoch ohne weiteres möglich, dass die Bodenplatte 3 ganz oder teilweise über die flexible Leiterplatte 5 herausragt und eine entsprechende Ausnehmung aufweist. Die offenen Cu-Zonen der flexiblen Leiterplatte 5 als Kontaktierungsstellen 11 sind außerhalb des Gehäusedeckels 4 im Randbereich der Leiterplatte 5 angeordnet. An einer Seite der Leiterplatte 5 sind in der Darstellung die offenen Kontaktierungsstellen 11 mit den Kontaktpartnern 8 verbunden und durch diese abgedeckt. Im Bereich der Kontaktierungsstellen 12 sind die Kontaktpartner federnd ausgestaltet, um die beiden zu verschweißenden Kontakte flächig eben nieder zu halten. Beispielsweise können die Kontaktpartner 8 auf die zentrale Gehäuseeinheit 1 formschlüssig aufgesteckt werden. Es kann hierbei zusätzlich eine mechanische Halterung und/oder Sicherung, beispielsweise ein Clipmechanismus vorgesehen sein. Die Kontaktpartner 8 können in sich schon untereinander verbunden, einstückig als ein Bauteil ausgestaltet sein, oder als Einzel-Module mit dem zentralen Gehäuse verbunden werden. Die standardisierte Form der zentralen Gehäuseeinheit ermöglicht hierbei die größtmögliche Flexibilität. Die Kontaktpartner 8 können in verschiedener beliebiger Abfolge angebunden werden. So kann eine optimale Entflechtung der Elektronik gewährleistet werden. In der Figur trägt ein Kontaktpartner ein Sensorelement 9, das auf diese Weise direkt an die zentrale Elektronik angeschlossen ist. Auf diese Weise wird eine sehr kompakte Bauweise des Elektronikgeräts mit seinen Komponenten erreicht.