Intelligente Lösungen für anspruchsvolles Packaging

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Sensorgehäuse als Garant für Sicherheit und Komfort im Auto

Umweltfreundlichkeit, Sicherheit und Komfort sind drei Verkaufsargumente, die in der Automobilindustrie immer wichtiger werden. Es sind nicht zuletzt die Fortschritte in der intelligenten Sensortechnik, Mikrocontroller-, Leistungshalbleiter- sowie der Informations- und Kommunikationstechnologie, die die Realisierung dieser Versprechen ermöglichen.

In Automobilen kommt eine Vielzahl von Sensoren zum Einsatz, so z. B. Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren und Drucksensoren. Indes wächst der Bedarf für immer kleinere Ausführungen, die dennoch höchste Funktionalität bieten.

Herkömmlicherweise wurden diese Sensoren unter milden Bedingungen im Inneren des Fahrzeugs eingesetzt, so dass die Anforderungen an das Packaging relativ gering waren und Kunststoffe für die Verpackung der Sensoren genutzt werden konnten. In den vergangenen Jahren sind vor allem intelligente und hochpräzise Sensorlösungen gefragt, die oft außen angebracht und damit starken Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. In diesem Umfeld haben sich Keramikgehäuse dank ihrer Zuverlässigkeit gegenüber Kunststoffmaterialien bewährt und diese immer häufiger abgelöst.

Im Bereich hochpräziser Sensoren ist es außerdem erforderlich, den Sensor in einem mechanisch festen Gehäuse zu verpacken. Schwache Materialien könnten zu einer Verformung führen und die Sensorfunktion beeinträchtigen. Im Allgemeinen beträgt das E-Modul eines Kunststoffgehäuses zwischen 23 und 25 GPa. Dem steht eine Festigkeit der Keramik von 330 GPa gegenüber – mehr als das Zehnfache eines Kunststoffgehäuses. Nicht zuletzt deshalb werden in diesem Bereich immer häufiger Keramikgehäuse eingesetzt.

Da immer mehr Steuergeräte für Mikrocontroller verwendet werden und eine höhere Multifunktionalität erzielen, gibt es mehr Einschränkungen hinsichtlich der Positionierung der Motorsteuerung. Bei Antriebssystemen werden die Steuergeräte im Motorraum nahe dem Antriebsaggregat oder der Getriebeeinheit installiert oder direkt in diese mechanischen Bauteile integriert, die dann als elektromechanische Bauteile bezeichnet werden. Unter solch rauen Bedingungen ist die Verwendung von Keramik-Steuergeräten weit verbreitet, da diese sehr hitzeresistent sind. Abgesehen von den Antriebssystemen werden Keramik-Substrate dank ihres geringeren Platzbedarfs auch für Anwendungen zur Motorsteuerung genutzt.

Motorsteuerung braucht hitzebeständige Keramikbauteile

Kyocera stellt sowohl HTCC (High Temperature Co-fired Ceramic) als auch LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) Produkte her. Für Steuergeräte wird dabei das HTCC-Verfahren eingesetzt, da es in puncto Wärmeableitung und mechanischer Festigkeit den LTCC-Produkten überlegen ist. Bislang hatte HTCC einen geringen Leiterwiderstand. Durch die Verwendung von Wolfram-Kupfer als Leitermaterial hat Kyocera jedoch Substrate entwickelt, die über den gleichen Leiterwiderstand wie LTCC verfügen.

Für die Steuergeräte elektronischer Fensterhebermotoren verwendet Kyocera HTCC-Substrate mit einer hohen mechanischen Festigkeit, die der Druckbelastung während des Moldings standhalten. Außerdem hat die sehr gute Wärmeleitfähigkeit dieser Substrate dazu geführt, dass sowohl der Antriebs- als auch der Steuerkreis in einem einzigen Steuergerät kombiniert werden können.

Eine weitere Eigenschaft von HTCC ist, dass es eine Verbindung mit Metallteilen erlaubt. Wenn dagegen LTCC mit Metall verbunden werden soll, erfordert das Lötmaterial einen relativ hohen Schmelzpunkt, der allerdings zu nah am Schmelzpunkt des LTCC liegt, sodass Lötmaterial nicht verwendet werden kann. Dieses Problem entfällt beim HTCC, da es bei hohen Temperaturen gesintert wird und so für eine äußerst zuverlässige Metallverbindung sorgt.

Ein Beispiel ist die Verbindung eines HTCC-Steuergeräts mit einem Metall-Leadframe. Herkömmlicherweise wurde die elektrische Verbindung zwischen dem Substrat des Steuergeräts und dem externen Schaltkreis mittels Aluminium-Wire-Bonding erzielt. Indem jedoch zuvor ein Metall-Leadframe mit dem Substrat verbunden wird, kann ein Steuergerät über den Leadframe mit einem externen Anschluss verlötet werden, was den Fertigungsprozess deutlich verkürzt. Zudem können auf diese Weise kleine und sehr dichte Steuereinheiten kostengünstig hergestellt werden. Für die Verbindung können anstelle von Leadframes auch Metallstifte verwendet werden. So lassen sich das Substrat und der externe Anschluss nicht nur horizontal, sondern auch vertikal miteinander koppeln, was die Anordnung des gesamten Steuerkreises viel flexibler macht.

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