DE102006033178A1

DE102006033178A1 - Verfahren zur Herstellung bzw. Montage eines verpackten elektronischen Bauelements auf einer Leiterplatte sowie elektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102006033178A1
Application number: DE200610033178
Authority: DE
Inventors: Erich Ilic; Dietmar Saur; Wolfram Kienle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2008-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verpackten elektronischen Bauelements (2) bzw. zur Montage desselben auf einer Leiterplatte (24), wobei das Bauelement (2) mindestens zwei Komponenten umfasst, die beim Verpacken gemeinsam in eine Form (32) eingebracht und in der Form (32) mindestens teilweise mit Kunststoff umspritzt werden, und wobei das Bauelement (2) eine Mehrzahl von Pins (22) aufweist, die mittels einer auf der Leiterplatte (24) vormontierten Zentrierhilfe (44) in zugehörigen Durchkontaktierungen (28) der Leiterplatte (24) zentriert werden. Die Erfindung betrifft weiter ein solches elektronisches Bauelement (2). Es ist vorgesehen, dass beim Umspritzen mindestens eine Vorzentriereinrichtung (42) angeformt wird, mit der sich das Bauelement (2) in Bezug zu der Zentrierhilfe (44) auf der Leiterplatte (24) vorzentrieren lässt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verpackten elektronischen Bauelements zur Montage auf einer Leiterplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Montage eines solchen verpackten elektronischen Bauelements auf einer Leiterplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2, sowie ein elektronisches Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen zur Montage auf einer Leiterplatte werden häufig eine Reihe von Komponenten und/oder Schaltungen durch einen als "Molden" bezeichneten Prozess in einem umgebenden Kunststoffgehäuse verpackt, indem die einzelnen Komponenten und/oder Schaltungen mit Kunststoff umspritzt und auf diese Weise zu einem integralen Bauelement verbunden werden. Beispielsweise werden bei der Herstellung von sogenannten Leistungsmodulen, d.h. für hohe Verbraucherströme geeigneten integrierten Schaltungen, Leistungshalbleiter und/oder andere Komponenten durch Direct Copper Bonding (DCB) auf einem Substrat montiert und dann zusammen mit einem die Leiter für den Anschluss des Leistungsmoduls liefernden vorgefertigten Stanzgitter in einem aus Kunststoff bestehenden Gehäuse verpackt, indem man das Substrat und die Komponenten in einer Spritzgussform ganz oder teilweise in den Kunststoff einbettet. Dabei lässt man die freien Enden der Leiter über das Gehäuse überstehen, so dass sie nach dem Entfernen von Materialbrücken zwischen den Leitern Anschluss- oder Signalpins bilden, die bei der Montage des Leistungsmoduls auf einer Leiterplatte in Durchkontaktierungen derselben eingeführt werden können. Um das Einführen der Pins zu erleichtern und Beschädigungen infolge einer ungenauen Positionierung zu vermeiden, werden gewöhnlich Zentrierkämme oder andere Zentriereinrichtungen verwendet, mit deren Hilfe sich die Pins in Bezug zu den Durchkontaktierungen zentrieren lassen. In Steuergeräten von Kraftfahrzeugen wird jedoch häufig eine Vielzahl von derartigen Leistungsmodulen sowie von anderen elektrischen oder elektronischen Bauteilen benötigt, die nebeneinander auf der Leiterplatte montiert werden müssen. Aus Platzgründen und bedingt durch den Aufbau des Gesamtsystems kann die Lagezentrierung der Anschluss- oder Signalpins der Leistungsmodule erst kurz vor deren Montage vorgenommen werden, wodurch ein Einsatz üblicher Zentriereinrichtungen unmöglich ist. Aus diesem Grund werden bei der Bestückung von Leiterplatten von Steuergeräten mit Leistungsmodulen oder anderen elektronischen Bauelementen häufig an sich bekannte Zentrierhilfen verwendet, die auf der Leiterplatte vormontiert werden, um die Pins bei der Montage der Bauelement in die Durchkontaktierungen zu lenken. Für ein ordnungsgemäßes Zusammenwirken mit den Zentrierhilfen müssen die Bauelemente jedoch mit geeigneten Vorzentriermerkmalen versehen sein, die häufig an den Bauelementen selbst nicht vorhanden sind, so dass sie nachträglich in einem separaten Spritzgießschritt angebracht werden müssen, wozu ggf. eine zusätzliche Spritzgießanlage benötigt wird.
Bei der Fertigung von Stanzgittern ist es bereits an sich bekannt, als Ausgangsmaterial dienende Kupferbleche vor oder während des Stanzens teilweise mit Kunststoff zu umspritzen, um die Positionen von einzelnen Teilen des Stanzgitters vor einem anschließenden Freistanzen zu fixieren.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Bauelement sowie Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Bereitstellung geeigneter Vorzentriermerkmale ohne einen separaten Spritzgießvorgang bzw. eine zusätzliche Spritzgießanlage möglich ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bereits beim Verpacken der Bauelemente an denselben mindestens eine Vorzentriereinrichtung angeformt wird, mit deren Hilfe sich das Bauelement bei seiner späteren Montage auf der Leiterplatte in Bezug zu einer darauf vormontierten Zentrierhilfe vorzentrieren lässt.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den zum Umspritzen der Komponenten des Bauelements dienenden Formprozess (Molden) auszunutzen, um auch die zur Vorzentrierung des Bauelements in Bezug zur Zentrierhilfe benötigte Vorzentriereinrichtung am Bauelement anzuformen. Durch die Verpackung des Bauelements und die Bereitstellung der Vorzentriereinrichtung in einem einzigen Formgebungsschritt kann so ein zusätzlicher Spritzgießschritt bzw. eine zusätzliche Spritzgießanlage eingespart werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vorzentriereinrichtung um mindestens einen Teil der Pins herum angeformt wird, so dass sie außer zur Vorzentrierung des Bauelements auch dazu dienen kann, die Pins während des Transports und der Lagerung des Bauelements in einer vorgegebenen Lagebeziehung zu fixieren und ein Verbiegen einzelner Pins zu verhindern. Diese frühzeitige Lagefixierung der Pins ermöglich es auch, dieselben beim Molden des Gehäuses in Form eines einteiligen Stanzgitters in die Form einzubringen und im Anschluss an das Molden Materialbrücken zwischen den überstehenden Pins zu entfernen, ohne dass deren Lagebeziehung beeinträchtigt wird. Bei der Montage des Bauelements auf der Leiterplatte kann die Vorzentriereinrichtung darüber hinaus auch noch als Anschlag dienen, der den Bewegungsweg des Bauelements bei der Annäherung an die Leiterplatte begrenzt, indem er mit einer von der Leiterplatte abgewandten Anschlagfläche der Zentrierhilfe in Anschlag tritt, wenn die freien Enden der Pins ausreichend weit in die Durchkontaktierungen der Leiterplatte eingedrungen sind.
Da die Pins von elektronischen Bauelementen und die zugehörigen Durchkontaktierungen von Leiterplatten in der Regel in einer Reihe oder in zwei Reihen nebeneinander angeordnet sind, umfasst die Vorzentriereinrichtung gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mindestens eine langgestreckte Kunststoffleiste, welche die Pins in einer derartigen Reihe von nebeneinander angeordneten Pins jeweils teilweise umschließt und in einer vorgegebenen Abstandsbeziehung starr miteinander verbindet.
Da der zur Verpackung der Bauelemente dienende Formprozess häufig bereits verhältnismäßig komplizierte Formwerkzeuge erforderlich macht, sollten die zum Formen der Vorzentriereinrichtung dienenden Teile des Formwerkzeugs vorzugsweise so einfach wie möglich ausgebildet werden. Dies gelingt zweckmäßig dadurch, dass die Vorzentriereinrichtung mindestens zwei voneinander abgewandte Zentriernuten umfasst, mit denen bei der Vorzentrierung jeweils einer von zwei gegenüberliegenden Zentriervorsprüngen der Zentrierhilfe in Eingriff gebracht wird. Derartige Zentriernuten erlauben zum einen im Zusammenwirken mit den Zentriervorsprüngen eine verhältnismäßig genaue Vorzentrierung des Bauelements in Bezug zur Zentrierhilfe und können zum anderen mit einem einfachen Werkzeug hergestellt werden, das zwei zum Öffnen und Schließen der Form in Bezug zueinander translatorisch hin und her beweglichen Formhälften oder Formteile umfasst.
Dort, wo die Vorzentriereinrichtung die Form einer die Pins verbindenden langgestreckten Kunststoffleiste aufweist, ist diese zweckmäßig jeweils in der Nähe ihrer entgegengesetzten Stirnenden mit zwei Paaren von Zentriernuten versehen, um sowohl in Längsrichtung der Kunststoffleiste als auch quer dazu für eine Zentrierung zu sorgen.
Um das Einführen der Vorzentriereinrichtung zwischen Paare von überstehenden Zentriervorsprüngen zu erleichtern, verjüngen sich die Nuten und/oder die Zentriervorsprünge vorzugsweise entgegen der Bewegungsrichtung des Bauelements bei der Montage auf der Leiterplatte.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1 eine perspektivische Ansicht von Signal- oder Anschlusspins eines zur Montage auf einer Leiterplatte vorgesehenen Leistungsmoduls für ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs mit einer angeformten Vorzentriereinrichtung;
2 eine perspektivische Ansicht einer zur Vormontage auf der Leiterplatte vorgesehenen Zentrierhilfe für die Signal- oder Anschlusspins des Leistungsmoduls;
3 eine perspektivische Ansicht der Zentrierhilfe und der Signal- oder Anschlusspins nach der Montage auf der Leiterplatte;
4 eine schematische Querschnittsansicht einer zum Verpacken des Leistungsmoduls und zum Anformen der Vorzentriereinrichtung dienenden Spritzgussform.
Ausführungsform der Erfindung
Wie am besten in 4 dargestellt, besteht ein beispielhaftes Leistungsmodul 2 für ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs im Wesentlichen aus einer keramischen Isolatorplatte 4, die einen Schaltungsträger bildet, einem auf einer Breitseitenfläche der Isolatorplatte 4 angebrachten Kühlkörper 6 in Form einer Aluminiumplatte, einer Mehrzahl von elektrischen oder elektronischen Komponenten 8, 10, 12 und Schaltungen 14, die für die Funktion des Leistungsmoduls 2 benötigt werden und auf der entgegengesetzten Breitseitenfläche der Isolatorplatte 4 lediglich schematisch dargestellt sind, sowie einer Mehrzahl von elektrischen Leitern 16, deren eines Ende 18 im Kontakt mit einer der Komponenten 8, 10, 12 oder Schaltungen 14 in ein umgebendes, durch Umspritzen der Komponenten 8, 10, 12 oder Schaltungen 14 mit Kunststoff hergestelltes Gehäuse 20 des Leistungsmoduls 2 eingebettet ist, während der Rest der Leiter 16 aus dem Gehäuse 20 übersteht und eine Reihe von parallelen nebeneinander angeordneten Signal- oder Anschlusspins 22 bildet, wie in 1 und 3 dargestellt. Mit Hilfe dieser Signal- oder Anschlusspins 22 werden die Komponenten 8, 10, 12 und Schaltungen 14 des in 1 und 3 nicht dargestellten Leistungsmoduls 2 an eine Leiterplatte 24 (3) des Steuergeräts angeschlossen, indem die angespitzten freien Enden 26 der Pins 22 in Durchkontaktierungen 28 der Leiterplatte 24 eingeführt und durch Löten mit den letzteren verbunden werden.
Wie ebenfalls am besten in 4 dargestellt, werden die elektronischen Komponenten 8, 10, 12 und Schaltungen 14 des Leistungsmoduls 2 durch ein auf dem Fachgebiet als Molden bezeichnetes Spritzgussverfahren verpackt, indem der Kühlkörper 6 und die Isolatorplatte 4 mit den vormontierten Komponenten 8, 10, 12 und Schaltungen 14 gemeinsam mit den Leitern 16 in ein Formnest 30 einer Spritzgussform 32 eingebracht und dort mit dem zur Herstellung des Gehäuses 20 dienenden thermoplastischen Kunststoff umspritzt werden, um sie in einer vorgegebenen Lage- und Kontaktbeziehung fest miteinander zu verbinden.
Die zum Umspritzen der Komponenten 8, 10, 12 und Schaltungen 14 sowie der Leiter 16 dienende Spritzgussform 32 weist in der Regel mehrere in Bezug zueinander bewegliche Formteile auf, jedoch sind in 4 zur Vereinfachung lediglich zwei Formhälften 34, 36 schematisch dargestellt, die entlang einer durch das Formnest 30 verlaufenden Trennfläche 38 aneinander stoßen. Die beiden Formhälften 34, 36 sind in Richtung des Doppelpfeils A in 4 beweglich, so dass die Form 32 nach dem Einbringen der Teile des Leistungsmoduls 2 zum Spritzgießen geschlossen und nach dem Spritzgießen zur Entnahme des fertigen Leistungsmoduls 2 wieder geöffnet werden kann. Wie in 4 durch eine strichpunktierte Linie angezeigt, folgt die Trennfläche 38 einer Fläche, die von den über das Gehäuse 16 überstehenden, in 4 hintereinander angeordneten Signal- oder Anschlusspins 22 aufgespannt wird, so dass diese letzteren beim Schließen der Form 32 in einer vorbestimmten Lagebeziehung zueinander sowie im Kontakt mit den zugehörigen Komponenten 8, 10, 12 und Schaltungen 14 zwischen den beiden Formhälften 34, 36 festgehalten werden.
Um das Einbringen der Leiter 16 zwischen die Formhälften 34, 36 zu erleichtern, bilden die Leiter 16 zweckmäßig einen Teil eines durch Stanzen und Biegen aus Kupferblech hergestellten Stanzgitters oder Leadframe, wobei sie im Bereich ihrer aus der Form 32 bzw. aus dem Gehäuse 20 des Leistungsmoduls 2 überstehenden Teile durch Materialbrücken (nicht dargestellt) miteinander verbunden sind. Diese Materialbrücken können nach dem Spritzgießen des Gehäuses 20 abgeschert werden, um die einzelnen Anschluss- oder Signalpins 22 voneinander zu trennen. Die Entnahme des Leistungsmoduls 2 aus der Form 32 kann in bekannter Weise mit Hilfe eines nicht dargestellten Ausstoßers erfolgen.
Neben dem zum Molden des Gehäuses 20 dienenden Formnest 30 weist die in 4 dargestellte Spritzgussform 32 entlang der Trennfläche 38 ein weiteres kleineres Formnest 40 auf, mit dessen Hilfe die aus dem Gehäuse 20 überstehenden Pins 22 in einem Abstand von ihren freien Enden 26 durch eine langgestreckte, im Querschnitt im Wesentlichen rechteckige Kunststoffleiste 42 verbunden werden, indem während des Spritzgießens des Gehäuses 20 ein Teil des verwendeten thermoplastischen Kunststoffs in das Formnest 40 injiziert wird.
Die Kunststoffleiste 42 dient zum einen dazu, die Signal- oder Anschlusspins 22 nach dem Abscheren der Materialbrücken in ihrer Position zu fixieren und ein Verbiegen einzelner Pins 22 beim Transport oder bei der Lagerung des fertigen Leistungsmoduls 2 zu vermeiden. Zum anderen dient die Kunststoffleiste 42 als Vorzentriereinrichtung, welche die freien Enden 26 der Pins 22 im Zusammenwirken mit einer auf der Leiterplatte 24 vormontierten Zentrierhilfe 44 in die Durchkontaktierungen 28 der Leiterplatte 24 lenkt.
Wie am besten in 2 dargestellt, besteht die Zentrierhilfe 44 aus einem durch Spritzgießen einstückig aus Kunststoff hergestellten Formteil, das neben einem langgestreckten, mit Zentrieröffnungen 46 für die Signal- oder Anschlusspins 22 versehenen leistenförmigen Grundkörper 48 vier paarweise über eine Seite des Grundkörpers 48 überstehende Führungsdorne 50 sowie zwei über die andere Seite des Grundkörpers 48 überstehende Rasthaken 52 umfasst. Die Zentrieröffnungen 46 verjüngen sich in Richtung der Leiterplatte 24 und befinden sich jeweils genau über deren Durchkontaktierungen 28, wenn die Zentrierhilfe 44 durch Einführen der Rasthaken 52 in komplementäre Durchtrittsöffnungen 54 der Leiterplatte 24 auf dieser befestigt worden ist, wie in 3 dargestellt.
Die beiden Paare von Führungsdornen 50 wirken mit der zuvor an den Signal- oder Anschlusspins 22 angeformten Kunststoffleiste 42 zusammen, um während der Montage des Leistungsmoduls 2 auf der Leiterplatte 24 die freien Enden 26 der Pins 22 bei der Annäherung an die Zentrieröffnungen 46 in diese hinein zu lenken. Dazu ist die Kunststoffleiste 42 in der Nähe ihrer entgegengesetzten Stirnenden mit zwei Paaren von eingeformten Nuten 56 versehen, wie am besten in 1 dargestellt, mit denen die jeweils benachbarten Zentrierdorne 50 in Eingriff treten, bevor die Enden 26 der Pins 22 die von der Leiterplatte 24 abgewandten Mündungen der Zentrieröffnungen 46 erreichen. Die Form und der gegenseitige Abstand der Nuten 56 ist sowohl in Längsrichtung der Kunststoffleiste 42 als auch quer dazu an die Form und den gegenseitigen Abstand der Zentrierdorne 50 in der entsprechenden Richtung der Zentrierhilfe 44 angepasst, so dass sich die Pins 22 des Leistungsmoduls 2 nach dem Einführen der Kunststoffleiste 42 zwischen die Paare von Zentrierdornen 50 nur noch in einer zur Oberfläche der Leiterplatte 24 senkrechten Richtung bewegen kann. Damit lässt sich aufgrund der Einbettung der Pins 22 in der Mitte der Leiste 42 ein Auftreffen ihrer freien Enden 26 neben den Mündungen der Zentrieröffnungen 46 sicher verhindern.
Um das Einführen der Kunststoffleiste 42 zwischen die Dorne 50 zu erleichtern, sind die im Querschnitt quadratischen Zentrierdorne 50 an ihren freien Enden angespitzt, während die Nuten 56 an ihrem vorderen, der Leiterplatte 24 zugewandten Ende erweitert sind, wie am besten in 2 bzw. in 1 dargestellt.
Um die Kunststoffleiste 42 nach der Montage des Leistungsmoduls 2 sowohl in ihrer Längsrichtung als auch quer dazu spielfrei zwischen den Dornen 50 festzuhalten, weisen diese angrenzend an den Grundkörper 48 einen vom Grundkörper 48 weg pyramidenstumpfförmig verjüngten Fuß 58 auf, dessen Form an die Form des erweiterten Endes der im Querschnitt dreieckigen Nuten 56 angepasst ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines verpackten elektronischen Bauelements zur Montage auf einer Leiterplatte, wobei das Bauelement mindestens zwei Komponenten umfasst, die beim Verpacken gemeinsam in eine Form eingebracht und in der Form mindestens teilweise mit Kunststoff umspritzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umspritzen mindestens eine Vorzentriereinrichtung (42) angeformt wird, mit der sich das Bauelement (2) in Bezug zu einer auf der Leiterplatte (24) vormontierten Zentrierhilfe (44) vorzentrieren lässt.
Verfahren zur Montage eines verpackten elektronischen Bauelements auf einer Leiterplatte, wobei das Bauelement mindestens zwei Komponenten umfasst, die beim Verpacken gemeinsam in eine Form eingebracht und in der Form mindestens teilweise mit Kunststoff umspritzt werden, und wobei das verpackte Bauelement eine Mehrzahl von Pins aufweist, die mittels einer auf der Leiterplatte vormontierten Zentrierhilfe in zugehörigen Durchkontaktierungen der Leiterplatte zentriert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (2) mittels mindestens einer beim Umspritzen der Komponenten (8, 10, 12, 14) angeformten Vorzentriereinrichtung (42) in Bezug zur Zentrierhilfe (44) vorzentriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzentriereinrichtung (42) um mindestens einen Teil der Pins (22) herum angeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzentriereinrichtung mindestens eine langgestreckte Kunststoffleiste (42) umfasst, die eine Reihe von nebeneinander angeordneten Pins (22) teilweise umgibt und miteinander verbindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzentriereinrichtung (42) mindestens eine Zentriernut (56) enthält, vorzugsweise zwei zueinander entgegengesetzte Zentriernuten (56), mit denen bei der Vorzentrierung zwei gegenüberliegende Zentriervorsprünge (50) der Zentrierhilfe (44) in Eingriff gebracht werden.
Elektronisches Bauelement zur Montage auf einer Leiterplatte, umfassend mindestens zwei Komponenten und ein die Komponenten mindestens teilweise umgebendes Gehäuse aus einem Kunststoff, mit dem die Komponenten in einer Form mindestens teilweise umspritzt worden sind, sowie eine Mehrzahl von über das Gehäuse überstehenden Pins, gekennzeichnet durch mindestens eine beim Umspritzen der Komponenten (8, 10, 12, 14) angeformte Vorzentriereinrichtung (42) zur Vorzentrierung des Bauelements (2) in Bezug zu einer auf der Leiterplatte (24) vormontierten Zentrierhilfe (44), mit der sich die Pins (22) in zugehörigen Durchkontaktierungen (28) der Leiterplatte (24) zentrieren lassen.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzentriereinrichtung (42) mindestens einen Teil der Pins (22) umgibt und starr miteinander verbindet.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzentriereinrichtung mindestens eine langgestreckte Kunststoffleiste (42) umfasst, die eine Reihe von nebeneinander angeordneten Pins (42) verbindet.
Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzentriereinrichtung (42) mindestens eine Zentriernut (56) und vorzugsweise mindestens zwei zueinander entgegengesetzte Zentriernuten (56) enthält.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzentriereinrichtung (42) in der Nähe ihrer entgegengesetzten Stirnenden zwei Paare von Zentriernuten (56) enthält.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nuten (56) in Richtung von freien Enden (26) der Pins (22) erweitern.