DE102005059360B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Verguss von Schaltungsanordnungen - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (10) zum Verguss von Schaltungsanordnungen (20, 20a, 20b) mit einer durch Belichtung zu aktivierenden Vergussmasse (32), mit einem Vorlagebehälter (30), einer Förderleitung (40) mit Appliziereinrichtung (42) und einer Belichtungseinrichtung (50), wobei die Vergussmasse (32) vor der Belichtung eine geringere Viskosität und nach der Belichtung und einer Relaxationszeit eine höhere Viskosität aufweist, wobei die Belichtungseinrichtung (50) im Verlauf der Förderleitung (40) oder im Anschluss an die Appliziereinrichtung (42) angeordnet ist, wobei zwischen dem Vorlagebehälter (30) und der Belichtungseinrichtung (50) ein Dosierbehälter (60) und eine Lichtfalle (70) angeordnet ist, wobei die Lichtfalle (70) einen Leitungsabschnitt aufweist, dessen Wandung (72) für die verwendete Wellenlänge durchlässig ist, einen ähnlichen oder geringeren Brechungsindex wie die Vergussmasse (32) aufweist und entweder eine absorbierende Schicht (76) aufweist oder auf der Außenseite der Wandung (72) eine Gitterstruktur, eine Schichtfolge dielektrischer Schichten oder eine streuende Oberfläche (78) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verguss von Schaltungsanordnungen, beispielhaft von leistungselektronischen Schaltungen oder von elektronischen Schaltungen zu Einsatz bei rauen Umgebungsbedingungen. Hierbei ist es häufig notwendig verschiedene Teile einer Schaltung durch eine Isolationsmasse mit hoher Dielektrizitätskonstate zu vergießen, um die elektrische Sicherheit zu gewährleisten. Ebenso kann es gefordert sein die elektronische Schaltung vor den Umgebungsbedingungen als Ersatz eines geschlossenen Gehäuses oder zusätzlich zu einem Gehäuse zu schützen.
  • Einen Ausgangspunkt bildet somit beispielhaft die DE 10 2004 021 927 A1 . Diese offenbart ein Verfahren zur inneren Isolation eines Leistungshalbleitermoduls, wobei das Substrat mit schaltungsgerecht angeordneten und verbundenen Bauelementen mit einer Vergussmasse beschichtet wird, in einem anschließend Prozess die Vergussmasse durch Belichtung aktiviert wird und dadurch vernetzt, also ihre Viskosität erhöht.
  • Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Leistungshalbleitermodule für diese Verfahren geeignet konstruiert sein müssen. Bei Leistungshalbleitermodulen, die erst im Anschluss an die Anordnung eines Gehäuses auf dem Substrat vergossen werden ist das bekannte Verfahren nicht vorteilhaft einsetzbar. Das bekannte Verfahren setzt eine Belichtung der gesamten Oberfläche der Vergussmasse voraus. Dies ist allerdings nach der Anordnung eines Gehäuses in der Regel nicht mehr gegeben, es entstehen somit Schattenbereiche, in denen die Vergussmasse nicht vernetzt und somit nicht ihre gewünschte Eigenschaft annimmt.
  • Beispielhaft aus der DE 37 02 999 A1 oder der DE 39 09 688 A1 ist bekannt, im Verlaufe einer Förderleitung eine Belichtungseinrichtung zur optischen Aktivierung einer geförderten Flüssigkeit anzuordnen. Allerdings ist hier nicht offenbart, in welcher Weise verhindert werden kann, dass das eingestrahlt Licht sich in Richtung eines Vorlagebehälters ausbreitet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verguss von Schaltungsanordnungen mit einer optisch zu aktivierenden Vergussmasse vorzustellen, wobei eine Vielzahl verschiedener Schaltungsanordnung vergossen werden können und wobei eine Rückwirkung auf einen Vorlagebehälter vermieden wird.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch die Maßnahmen der Merkmale der Ansprüche 1 und 5. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Der erfinderische Gedanke geht aus von einer Vorrichtung zum Verguss von Schaltungsanordnungen mit einer durch Belichtung zu aktivierenden Vergussmasse, mit einem Vorlagebehälter für einen Vorrat an Vergussmasse, einer Förderleitung mit daran angeordneter Appliziereinrichtung und einer Belichtungseinrichtung.
  • Die Vergussmasse hat die Eigenschaft vor der Belichtung eine geringere Viskosität und nach der Belichtung und einer anschließenden Relaxationszeit eine höhere Viskosität aufzuweisen. Innerhalb der Vorrichtung ist die Belichtungseinrichtung im Verlauf der Förderleitung oder im Anschluss an die Appliziereinrichtung angeordnet. Die Belichtung erfolgt mit kurzwelligem vorzugsweise ultraviolettem Licht mit einer Wellenlänge zwischen 250 nm und 500 nm.
  • Das hierbei durch die Förderleitung oder direkt in die ausfließende Vergussmasse eingekoppelte Licht initiiert den Prozess zur Viskositätsänderung.
  • Allerdings wirkt hierbei die Vergussmasse in der Förderleitung als Lichtleiter der das eingekoppelte Licht nicht nur in Richtung der Schaltungsanordnung sondern auch in Richtung des Vorlagebehälters leitet. Ohne die im Folgenden genannten Maßnahmen würde somit die Vergussmasse im Vorlagebehälter ebenfalls ihre Viskosität ändern und eine Förderung über die Förderleitung wäre auf Grund der zu hohen Viskosität nicht mehr geeignet möglich.
  • Daher weist die Vorrichtung erfindungsgemäß zwischen dem Vorlagebehälter und der Belichtungseinrichtung einen Dosierbehälter mit zwei lichtundurchlässigen Ventilen und/oder eine Lichtfalle auf. Es kann hierbei besonders bevorzugt sein, wenn diese Vorrichtungsteile nahe der Belichtungseinrichtung angeordnet sind.
  • Das Verfahren zum Verguss einer Schaltungsanordnung mittels einer oben genannten Vorrichtung weist die folgenden erfindungswesentliche Merkmale auf. Die Aktivierung der Vergussmasse erfolgt bei deren Vorbeifluss an der Belichtungseinrichtung. Die Belichtung durch die Belichtungseinrichtung erfolgt kontinuierlich oder in einem pulsierenden Betrieb. Die Vergussmasse wird nach dem Vorlagebehälter in einen geeigneten Dosierbehälter und von dort auf die zu vergießende Schaltungsanordnung gefördert. Alternativ oder zusätzlich wird mindestens 95 von 100 des in das Medium eingekoppelen Lichts beim Durchfluss der Lichtfalle gehindert sich in Richtung des Vorlagebehälters auszubreiten.
  • Die erfinderische Lösung wird an Hand der Ausführungsbeispiele der 1 bis 4 weiter erläutert.
  • 1 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 2 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 3 zeigt einen Ausschnitt einer ersten Ausgestaltung der Lichtfalle der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 4 zeigt einen Ausschnitt einer zweiten Ausgestaltung der Lichtfalle der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 1 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (10) zum Verguss von Schaltungsanordnungen (20) mit einer durch Belichtung zu aktivierenden Vergussmasse (32), wobei diese Vergussmasse (32) vor einer optischen Belichtung eine geringere Viskosität und nach dieser Belichtung und einer Relaxationszeit eine höhere Viskosität aufweist. Die Vorrichtung (10) weist hierbei einen Vorlagebehälter (30) für die Vergussmasse (32) auf. Aus diesem Vorlagebehälter (30) wird die Vergussmasse (32) durch einen ersten Abschnitt (40a) der Förderleitung zu einem Dosierbehälter (60) gefördert. Vorzugsweise weist dieser Dosierbehälter (60) mindestens ein Volumen zur Aufnahme der Vergussmasse (32) für eine Schaltungsanordnung (20) auf.
  • Im Zulauf des Dosierbehälters (60) ist hier ein für die Wellenlänge der Belichtung lichtundurchlässiges Ventil (62) angeordnet, welches bei der Befüllung des Dosierbehälters (60) geöffnet und bei seiner Entleerung geschlossen ist. Der Dosierbehälter (60) wird vorzugsweise mit genau der Menge an Vergussmasse (32) befüllt, die notwendig ist um eine Schaltungsanordnung (20) zu vergießen. Im Ablauf des Dosierbehälters (60) ist vorzugsweise ein weiteres lichtundurchlässiges Ventil (64) angeordnet, welches bei der Befüllung des Dosierbehälters (60) geschlossen und bei seiner Entleerung geöffnet ist. Da somit niemals beide Ventile (62, 64) gleichzeitig geöffnet sind ist eine Ausbreitung von im zweiten Abschnitt (40b) der Förderleitung eingekoppelten Lichts in den Vorlagebehälter (30) sicher ausgeschlossen.
  • Anschließend an den Dosierbehälter (60) ist der zweite Abschnitt (40b) der Förderleitung angeordnet, die in einer Appliziereinrichtung (42) für die Vergussmasse (32) endet. Die Belichtungseinrichtung (50) ist bei dieser dargestellten Ausgestaltung im Verlauf dieses zweiten Abschnitts (40b) der Förderleitung, nahe an der Appliziereinrichtung (42) angeordnet. Mit dieser Appliziereinrichtung (42) wird hier die aktivierte Vergussmasse (32) durch eine kleine Gehäuseöffnung in ein Leistungshalbleitermodul (20a) eingefüllt.
  • Die Belichtungseinrichtung (50) ist in dieser Ausgestaltung als ein Ringlicht ausgebildet, das Licht der Wellenlänge zwischen 250 nm und 500 nm durch einen für diese Wellenlänge durchlässigen Teil der Förderleitung (40b) in die Vergussmasse (32) bei deren Vorbeifluss einkoppelt. Die Belichtung kann je nach verwendeter Lichtquelle und weiterer Anforderungen, beispielhaft der Taktzeit der Vorrichtung, kontinuierlich oder vorzugsweise im Pulsbetrieb erfolgen. Alternativ zum Ringlicht kann es vorteilhaft sein die Belichtungseinrichtung als eine sternförmige Anordnung einer Mehrzahl von Glasfasern auszubilden. Hierbei kann es vorteilhaft sein die Appertur der Faser beispielhaft durch GRIN-Linsen (GRadienten INdex) an die Belichtungsaufgabe anzupassen.
  • Vorzugsweise wird mittels dieser Vorrichtung (10) das Leistungshalbleitermodul (20a) nicht vollständig verfüllt, sondern nur diejenige Menge an Vergussmasse (32) eingefüllt, die notwendig ist um den Schutz aller Bauteile zu gewährleisten. Hierbei kann das Verfahren gemäß des o. g. Standes der Technik eingesetzt werden und nach der Verfüllung das Leistungshalbleitermodul (20a) gedreht werden um nach oben ragende Teile im Inneren mit Vergussmasse (32) zu umhüllen. Durch die bereits durch die Belichtung initiierte Vernetzung verbleibt die Vergussmasse (32) an allen vorgesehenen Stellen haften.
  • Es kann ebenso vorteilhaft sein, wenn die Belichtungseinrichtung (50) und der Dosierbehälter (60) eine integrale Einheit bilden. Hierbei erfolgt die Belichtung der für eine Schaltungsanordnung (20) notwendigen Menge von Vergussmasse (32) durch die im oder am Dosierbehälter (60) angeordnete Belichtungseinrichtung (50).
  • 2 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (10). Hier ist wiederum ein Vorlagebehälter (30), sowie eine Förderleitung (40) mit anschließender Appliziereinrichtung (42) dargestellt. Hierbei ist allerdings die Belichtungseinrichtung (50) nicht im Verlauf der Förderleitung (40) angeordnet. In dieser Ausgestaltung der Vorrichtung (10) ist die Belichtungseinrichtung (50) direkt nach der Appliziereinrichtung (42) angeordnet und das Licht wird direkt in die Vergussmasse (32), die hier auf ein ungehaustes Substrat (20b) appliziert wird eingekoppelt.
  • Damit dieses hier eingekoppelte Licht nicht in den Vorlagebehälter (30) gelangt und die dort bevorratete Vergussmasse (32) aktiviert ist im Verlauf der Förderleitung (40) eine Lichtfalle (70) angeordnet, die mindestens 95 von 100 des in die Vergussmasse (32) eingekoppelten Lichts daran hindert sich weiter in Richtung des Vorlagebehälters (30) auszubreiten.
  • Eine Kombination aus dem Dosierbehälter (60) gemäß 1 und der Lichtfalle (70) gemäß 2 ist besonders geeignet eine Lichtausbreitung in den Vorlagebehälter (30) zu vermeiden und gleichzeitig eine vorteilhafte Dosierung der Vergussmasse (32) auf die Schaltungsanordnung (20) zu gewährleisten.
  • 3 zeigt einen Ausschnitt einer ersten Ausgestaltung der Lichtfalle (70) der erfindungsgemäßen Vorrichtung (10). Dargestellt ist hierbei ein Leitungsabschnitt der Lichtfalle (70) in dessen Inneren die Vergussmasse (32) und ein sich ausbreitender Lichtstrahl dargestellt sind, der eine Wandung (72) aufweist, die für die in der Belichtungseinrichtung (50) verwendete Wellenlänge durchlässig ist, wobei diese Wandung einen geringeren Brechungsindex als die Vergussmasse (32) aufweist. Die Außenseite der Wandung (72) weist eine lichtabsorbierenden Schicht (76) auf. Weiterhin ist hier die prinzipielle Wirkungsweise dieser Ausgestaltung der Lichtfalle (70) verdeutlicht. Ein Lichtstrahl (90a) aus der Belichtungseinrichtung (50) trifft auf die Grenzfläche (74) der Wandung (72) und wird auf Grund des Brechungsindexunterschieds in Richtung der absorbierenden Schicht (76) gebrochen (92a) und dort absorbiert.
  • Es ist hierbei besonders bevorzugt, wenn der Leitungsabschnitt der Lichtfalle (70) S-förmig verlaufend angeordnet ist, um die Effizienz der Lichtfalle zu erhöhen.
  • 4 zeigt einen Ausschnitt einer zweiten Ausgestaltung der Lichtfalle (70) der erfindungsgemäßen Vorrichtung (10). Dargestellt ist wiederum ein Leitungsabschnitt der Lichtfalle (70) in dessen Inneren die Vergussmasse (32) und sich ausbreitende Lichtstrahlen (90b/c) dargestellt sind, der eine Wandung (72) aufweist, die für die in der Belichtungseinrichtung (50) verwendete Wellenlänge durchlässig ist, wobei diese Wandung einen ähnlichen oder geringeren Brechungsindex als die Vergussmasse (32) aufweist.
  • Auf der Außenseite der Wandung (72) ist eine Gitterstruktur (80), eine Schichtfolge dielektrischer Schichten oder eine streuende Oberfläche (78) angeordnet. Die Gitterstruktur (80) ist hierbei bevorzugt derart ausgebildet, dass sie das Licht (92c) in der Wandung in die nullte und minus erste Beugungsordnung außerhalb der Wandung gebeugt und es somit aus dem Leitungsabschnitt auskoppelt (96). Im Außenbereich neben dem Leitungsabschnitt ist vorzugsweise eine absorbierende Schicht vorgesehen.
  • Alternativ kann eine Folge dielektrischer Schichten auf der Außenseite der Wandung (72) angeordnet sein, die das Licht mit hohem Wirkungsgrad auskoppelt. Als günstigste Alternative kann eine streuende Oberfläche (78), die beispielhaft durch Ätzen der Außenseite der Wandung (72) erzeugt werden kann, dort angeordnet werden. Das Licht (90b) in der Wandung wird gestreut und somit aus der Wandung ausgekoppelt (94). Auch bei diesen beiden Alternativen ist eine weitere absorbierende Schicht vorteilhaft.

Claims (7)

  1. Vorrichtung (10) zum Verguss von Schaltungsanordnungen (20, 20a, 20b) mit einer durch Belichtung zu aktivierenden Vergussmasse (32), mit einem Vorlagebehälter (30), einer Förderleitung (40) mit Appliziereinrichtung (42) und einer Belichtungseinrichtung (50), wobei die Vergussmasse (32) vor der Belichtung eine geringere Viskosität und nach der Belichtung und einer Relaxationszeit eine höhere Viskosität aufweist, wobei die Belichtungseinrichtung (50) im Verlauf der Förderleitung (40) oder im Anschluss an die Appliziereinrichtung (42) angeordnet ist, wobei zwischen dem Vorlagebehälter (30) und der Belichtungseinrichtung (50) ein Dosierbehälter (60) und eine Lichtfalle (70) angeordnet ist, wobei die Lichtfalle (70) einen Leitungsabschnitt aufweist, dessen Wandung (72) für die verwendete Wellenlänge durchlässig ist, einen ähnlichen oder geringeren Brechungsindex wie die Vergussmasse (32) aufweist und entweder eine absorbierende Schicht (76) aufweist oder auf der Außenseite der Wandung (72) eine Gitterstruktur, eine Schichtfolge dielektrischer Schichten oder eine streuende Oberfläche (78) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeweils ein lichtundurchlässiges Ventil (62) im Zulauf des Dosierbehälters (60) und eines (64) in seinem Ablauf angeordnet ist und diese für die Wellenlänge der Belichtung lichtundurchlässig sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Belichtungseinrichtung (50) im oder am Dosierbehälter (60) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Leitungsabschnitt der Lichtfalle (70) S-förmig verlaufend angeordnet ist.
  5. Verfahren zum Verguss einer Schaltungsanordnung (20, 20a, 20b) mit einer durch Belichtung zu aktivierenden Vergussmasse (32) mittels einer Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Aktivierung der Vergussmasse (32) beim Vorbeifluss an der Belichtungseinrichtung (50) erfolgt, wobei die Belichtung selbst kontinuierlich oder pulsierend erfolgt und wobei die Vergussmasse (32) aus dem Dosierbehälter (60) gefördert wird, wobei die beiden Ventile (62, 64) des Dosierbehälters (60) nie gleichzeitig geöffnet sind, und/oder wobei mindestens 95 von 100 des in die Vergussmasse (32) eingekoppelten Lichts mittels der Lichtfalle (70) daran gehindert wird sich in Richtung des Vorlagebehälters (30) auszubreiten.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Belichtung der für eine Schaltungsanordnung (20, 20a, 20b) notwendigen Menge von Vergussmasse (32) durch die im oder am Dosierbehälter (60) angeordnete Belichtungseinrichtung (50) erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Belichtung mit einer Wellenlänge zwischen 250 nm und 500 nm erfolgt.
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