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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronikbaugruppe sowie die
Herstellung einer Elektronikbaugruppe zur Verwendung im Bereich
der Automobilelektronik nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw.
8.
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Die
Automobilelektronik tendiert zunehmend zu einer Montage von elektronischen
Baugruppen (z. B. Steuerelektronik) direkt an Fahrzeugkomponenten wie
Motor, Getriebe oder Bremssystemen ("Vorort- Elektronik"), vor allem mit dem Ziel die Logistik
und die Endmontage zu vereinfachen. Als Konsequenz daraus folgt
für die
betreffende Elektronik jedoch eine außergewöhnlich "rauhe Betriebsumgebung", beispielsweise
eine höhere
Umgebungstemperatur, große
Temperaturschwankungen, mechanische Belastungen (Vibration und/oder
Stöße, unterschiedliche Materialausdehnungskoeffizienten
bei Temperaturwechseln), korrosive Einflüsse wie z. B. Salzwasser, Schmieröle, Luftfeuchtigkeit
oder elektrische Einflüsse
(z. B. strom- und spannungsinduzierte Materialveränderungen
und EMV-Problematik).
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Derartige
Umgebungsbedingungen und insbesondere die für den Automobilbereich vorstehend aufgeführten wesentlichen
Einflussfaktoren beeinträchtigen
die Lebensdauer und Zuverlässigkeit
der betreffenden Elektronikbaugruppen, da diese einer größeren Abnutzung
bzw. Alterung im Betrieb ausgesetzt sind.
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Zwar
gibt es im Stand der Technik Ansätze, mit
denen jeweils ein bestimmter der vorstehend genannten Einflussfaktoren
entschärft
werden kann, z. B. aktive oder passive Kühlmaßnahmen zur Verringerung der
Bauelementetemperatur bzw. -temperaturschwankung, zusätzliches
Ankleben und/oder Vergießen
von einzelnen Bauelementen zur Verringerung von mechanischen Belastungen,
Schutzlacke oder Verguss zum Schutz gegen eine korrosive Umgebung,
spezielle Metallgehäuse
zur EMV-Schirmung.
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Derartige
Detaillösungen
sind jedoch zumeist mit hohem Aufwand verbunden, und es ist zu bedenken,
dass für
die Automobilelektronik im Betrieb häufig alle vorstehend genannten
Einflussfaktoren gleichzeitig auftreten.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fertigungsprozess-
und Qualitätsverbesserung
von Elektronikbaugruppen im Bereich der Automobilelektronik zu erreichen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
dass die Elektronikbaugruppe im Wesentlichen vollständig von
einer aufgeschrumpften Schrumpffolie umgeben ist. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
ist dementsprechend dadurch gekennzeichnet, dass auf den bestückten Bauelementträger eine
Schrumpffolie aufgebracht und diesen im Wesentlichen vollständig umgebend
aufgeschrumpft wird.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung
einer Schrumpffolie zum Schutz einer ganzen Elektronikbaugruppe
gegen schädigende
Umwelteinflüsse
ermöglicht
in fertigungstechnisch besonders einfacher Weise eine beträchtliche
Erhöhung
der Lebensdauer und Zuverlässigkeit,
also der Qualität
der betreffenden Baugruppe.
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Im
Rahmen der Erfindung ist insbesondere die Verwendung einer Schrumpffolie,
z. B. in Form eines Schrumpfschlauches, interessant, die aus einem Kunststoffmaterial
gebildet ist oder ein Kunststoffmaterial enthält, das sich unter Temperatur-
und/oder Unterdruckeinwirkung zusammenzieht (gegebenenfalls auch
aufschmilzt). Hierbei kann vorgesehen sein, dass die gesamte Baugruppe
(z. B. bestehend aus einer oder mehreren Leiterplatten, den daran
angeordneten und verdrahteten Komponenten und gegebenenfalls z.
B. metallischen Kühlplatten)
vollständig
und im Wesentlichen luftdicht verschlossen wird.
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Die
am Bauelementträger
befestigten und verdrahteten Bauelemente können durch die Schrumpffolie
zusätzlich
fixiert werden. Hierfür
kann es z. B. bereits genügen,
wenn wenigstens eines der Bauelemente durch einen Abschnitt der
Schrumpffolie an einer Bewegung (zumindest in einer Richtung) bezüglich des
Bauelementträgers
gehindert ist und/oder in Richtung zum Bauelementträger hin
belastet ist.
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Ein
bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Ausbildung eines
Steuergeräts
als Vorort-Elektronik im Bereich einer Fahrzeugkomponente eines
Kraftfahrzeugs, insbesondere für
den Fall einer Installationsumgebung mit nennenswert erhöhter Umgebungstemperatur
und/oder abhängig
vom Fahrzeugbetrieb stark schwankender Umgebungstemperatur.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Bauelementträger eine Leiterplatte ist.
Selbstverständlich
kann die Baugruppe auch mehrere Bauelementträger umfassen, beispielsweise
eine an sich bekannte gestapelte Anordnung mehrerer Leiterplatten.
Einfache Leiterplatten bestehen z. B. aus einem elektrisch isolierenden
Trägermaterial
(z. B. Keramik), auf oder in dem eine oder mehrere metallische Leitungsschichten
vorgesehen sind. Die einzelnen Leitungsschichten können in
an sich bekannter Weise mittels Durchkontaktierungen auch miteinander
verbunden sein. Zur mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung
der Bauelemente kann insbesondere ein Lötprozess vorgesehen sein. Für Elektronikbaugruppen
der hier interessierenden Art sind insbesondere Leiterplatten eines wenigstens
annähernd
rechteckigen Formats vorteilhaft verwendbar.
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Wie
bereits erwähnt,
kann die aufgeschrumpfte Schrumpffolie eine zusätzliche Fixierung der Bauelemente
vorsehen. In diesem Fall kann vorteilhaft die Funktion des eigentlichen
Fixierungsmaterials, beispielsweise eines Lots oder Leitklebers,
im Wesentlichen auf die elektrische Funktion reduziert werden. Die
mechanische Funktion von Lot bzw. Leitkleber, d. h. die Fixierung des
betreffenden Bauelements, kann durch die Schrumpffolie unterstützt bzw. gewährleistet
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Bauelemente am Bauelementträger aufgelötet sind,
wobei bevorzugt die vorstehend erwähnte Stabilisierungsfunktion
der Schrumpffolie genutzt wird. In einer Weiterbildung ist vorgesehen,
dass die Auflötung
unter Verwendung einer gedruckten Lotpaste und/oder unter Verwendung
eines thermisch aushärtbaren
Leitklebers erfolgt. Die Schrumpffolie kann nach einem solchen Lötprozess, aber
auch vor dem Lötprozess
aufgebracht werden. Bei Aufbringung vor dem Lötprozess kann das von der Schrumpffolie
umschlossene Luftvolumen hierbei vorteilhaft als Reservoir für eine beim
Lötprozess
benötigte
Schutzgasatmosphäre
dienen. Anstelle von Luft könnte
auch ein anderes Schutzgas für
den Lötprozess
aktiv zugeführt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Schrumpffolie vor einem Lötprozess
zum Auflöten
der Bauelemente am Bauelementträger
aufgebracht wird und der Lötprozess
und das Aufschrumpfen der Schrumpffolie gleichzeitig in einem Temperierungsschritt
bewerkstelligt werden. In diesem Fall kann die Folie gewissermaßen "automatisch" (durch den Lötprozess
bedingt) aufgeschrumpft werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Bauelemente wenigstens einen Anschlussstecker
umfassen, von welchem Steckerstifte durch jeweilige Öffnungen
der Schrumpffolie hindurch nach außen abstehen. Ein nachträgliches öffnen der
aufgeschrumpften Schrumpffolie kann z. B. mittels Auflasern, Ätzen, etc.
erfolgen. Bei einem Anschlussstecker mit mehreren Anschlussstiften
ist hierbei bevorzugt für
jeden einzelnen Steckerstift eine eigene Öffnung vorgesehen.
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Unabhängig davon
können
in der aufgeschrumpften Folie auch zu anderen Zwecken nachträglich Öffnungen
ausgebildet werden, z. B. zur Freilegung von mechanischen Befestigungsmitteln
zur Be festigung der Baugruppe an einer Fahrzeugstelle oder zur Anordnung
bzw. Schaffung eines Kühlmitteleinlasses
oder -auslasses zur aktiven Kühlung
der umschlossenen Baugruppe.
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Bei
der Bereitstellung der Schrumpffolie kann vorteilhaft auf an sich
gängige
Materialien auf Kunststoffbasis (z. B. Thermoplaste) zurückgegriffen werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass an oder in der Schrumpffolie
elektrisch leitfähiges
Material vorhanden ist. Damit kann in besonders einfacher Weise
z. B. eine EMV-Abschirmung, d. h. eine Reduktion von elektromagnetischer
Einstrahlung und/oder Abstrahlung, mittels der Schrumpffolie gewährleistet
werden.
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Das
elektrisch leitfähige
Material kann z. B. als äußere Beschichtung
(z. B. Metallbeschichtung) einer aus Kunststoffmaterial gefertigten
Schrumpffolie vorgesehen sein, wobei diese Beschichtung bevorzugt
nach dem Aufschrumpfen der Schrumpffolie erfolgt. In einer Ausführungsform
ist z. B. vorgesehen, dass die aufgeschrumpfte Folie nachträglich mit metallischem
Material bedampft wird.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu einer Schaffung einer elektrischen Leitfähigkeit im Bereich der Schrumpffolie
ist auch eine Ausführungsform
möglich,
bei welcher die Schrumpffolie aus einem Kunststoffmaterial mit vergleichsweise
hoher thermischer Leitfähigkeit
besteht.
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Zur
Vereinfachung einer "vorläufigen Fixierung" bzw. Anordnung der
Schrumpffolie vor deren Aufschrumpfung hat es sich als sehr vorteilhaft
herausgestellt, wenn die Innenseite der Folie vor dem Aufbringen
mit einer Kleberschicht versehen wird oder sogar selbstklebend ist
(jeweils wenigstens bereichsweise).
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Schrumpffolie ein Schrumpfschlauch ist, dessen
Durchmesser bzw. Umfang der zu umgebenden Baugruppe angepasst ist.
Vorteilhaft kann ein Schrumpfschlauch z. B. von einer Vorratsrolle
in jeweils aktuell benötigter
Länge abgeschnitten
bzw. konfektioniert werden. Wenigstens ein Schlauchende kann nach
dem Aufschrumpfen verschweißt
oder verklebt werden, z. B. um an diesem Ende eine vollständige Abdichtung
zu erreichen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:
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1 eine
Darstellung zur Veranschaulichung der Anordnung einer Schrumpffolie
an einer mit Bauelementen bestückten
Leiterplatte,
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2 eine
Darstellung der Baugruppe von 1 nach dem
Aufschrumpfen der Schrumpffolie,
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3 eine
Darstellung der Baugruppe nach einem lokalen öffnen der Schrumpffolie zum
Durchtritt von Steckerstiften,
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4 eine
Darstellung ähnlich
der 1, gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels,
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5 eine
Darstellung der aus 4 ersichtlichen Baugruppe nach
einem Aufschrumpfen und Beschichten der Schrumpffolie,
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6 eine
Darstellung nach einem nachträglichen
lokalen öffnen
der Schrumpffolie an der Baugruppe von 5,
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7 eine
Darstellung einer elektronischen Baugruppe mit vergossenen Bauelementen,
gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels,
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8 eine
Darstellung der Baugruppe von 7 nach der
Anordnung einer Schrumpffolie, und
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9 eine
Darstellung der Baugruppe nach einem Aufschrumpfen und lokalen Wiederöffnen der Schrumpffolie.
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Die 1 bis 3 veranschaulichen
die Herstellung einer Elektronikbaugruppe 1 (3)
gemäß eines
ersten Ausführungsbeispiels.
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Zunächst wird,
wie in 1 dargestellt, eine Leiterplatte 10 mit
elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen 12-1 bis 12-5 bestückt, die nachfolgend
einzeln oder gemeinsam mit der Bezugszahl 12 bezeichnet
werden.
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In
an sich bekannter Weise können
die Bauelemente 12 z. B. aktive Komponenten wie z. B. Leistungshalbleiter,
Flip-Chips, BGAs etc., aber auch passive Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren
etc. umfassen. Abweichend vom dargestellten Beispiel könnte auch
eine doppelseitige Bestückung der
Leiterplatte 10 und/oder eine gestapelte Anordnung mehrerer
Bauelementträger
vorgesehen sein.
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Eine
passive Komponente bildet im dargestellten Ausführungsbeispiel das Bauelement 12-5, bei
welchem es sich um einen elektrischen Steckverbinder zum elektrischen
Anschluss der fertigen Elektronikbaugruppe handelt, z. B. zum Anschluss
an eine externe Leitungsanordnung wie einen Kabelbaum in einem Kraftfahrzeug.
Der Steckverbinder 12-5 weist mehrere, im dargestellten
Beispiel seitlich abstehende Steckerstifte 14 ("Pins") auf.
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Die
einzelnen Bauelemente 12 sind in an sich bekannter Weise
durch einen Lötprozess
an den entsprechenden Leitungsbereichen (Leiterbahnen) der Leiterplatte 10 mechanisch
befestigt und elektrisch kontaktiert.
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Die
in dieser Weise bereitgestellte bestückte Leiterplatte 10 wird
sodann von einer Schrumpffolie, im dargestellten Beispiel von einem
Schrumpfschlauch 16 umgeben. Die Baugruppe 10, 12 wird hierfür in einen
geeignet bemessenen Schlauchabschnitt 16 eingeschoben.
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Sodann
wird durch eine für
das verwendete Schlauchmaterial geeignete Behandlung (hier: Einwirkung
einer erhöhten
Temperatur) der Schrumpfschlauch 16 die Baugruppe 10, 12 im
Wesentlichen vollständig
umschließend
aufgeschrumpft. Das Ergebnis ist in 2 dargestellt,
in welcher der aufgeschrumpfte Schrumpfschlauch mit 16' bezeichnet
ist.
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Abweichend
von dem hier vorgesehenen nachträglichen
Aufschrumpfen des Schrumpfschlauches 16 nach dem Auflöten der
Bauelemente 12 an der Leiterplatte 10 könnte das
Auflöten
der Bauelemente 12 und das Aufschrumpfen der Folie 16 auch in
einem gemeinsamen Temperierungsschritt erfolgen, etwa indem als
Lot eine gedruckte Lotpaste oder ein thermisch aushärtbarer
Leitkleber vorgesehen ist, der aufgrund seiner klebrigen Beschaffenheit
eine provisorische Fixierung der Bauelemente 12 im Zustand
gemäß 1 erlaubt
und beim temperaturgetriebenen Aufschrumpfprozess nochmals aufschmilzt ("Reflow-Löten").
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Nach
dem Aufschrumpfen des Schlauches 16 werden im dargestellten
Beispiel die beiden Schlauchenden noch luftdicht verschweißt, so dass im
Zustand gemäß 2 die
aufgeschrumpfte Folie 16' eine
luftdichte, schützende
Umhüllung
für die
darin enthaltenen Komponenten darstellt. Alternativ zum Schrumpfschlauch 16 könnte auch
z. B. eine "Schrumpfkappe" (mit einem bereits
von vornherein verschlossenen Ende) verwendet werden.
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Außerdem werden,
vor oder nach dem Verschweißen
der Enden des Schlauches 16' noch Öffnungen
im Schlauchmaterial ausgebildet, durch welche hindurch jeweils einer
der Steckerstifte 14 nach außen austritt. Alternativ ist
es denkbar, die entsprechenden Öffnungen
bereits auszubilden (und die Stifte 14 hindurchzuschieben),
bevor der Schlauch 16 aufgeschrumpft wird.
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3 zeigt
schließlich
die fertige Elektronikbaugruppe 1 mit dem – abgesehen
von den Steckeröffnungen – vollständig umschließenden Schrumpfschlauch 16'.
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Vorteilhaft
kann bei der Baugruppe 1 auf einen Verguss einzelner oder
mehrerer der Bauelemente 12 und/oder ein in üblicher
Weise gefertigtes und montiertes Gehäuse verzichtet werden, was
eine erhebliche Kosteneinsparung im Fertigungsprozess bedeutet.
Das Folienmaterial 16' dient
im beschriebenen Beispiel wie derzeit übliche Vergussmassen neben
einem mechanischen Schutz auch einem Schutz vor Feuchtigkeit und
korrosiven Einflüssen. Die
Folie 16' bewirkt
eine zusätzliche
Fixierung der Bauelemente 12 und erhöht damit die Zuverlässigkeit und
Lebensdauer der Lötstellen.
Durch die zusätzliche
Fixierung kann gegebenenfalls auch ein so genannter "Exotenträger", d. h. ein zusätzlicher
Bauelementträger
mit separaten "Exotenbauelementen" entfallen. Die Fixierung
der Bauelemente 12 beruht im dargestellten Ausführungsbeispiel
darauf, dass die Bauelemente 12 zwischen dem Bauelementträger (Leiterplatte 10)
und einem Abschnitt des Folienmaterials 16' "spielfrei" angeordnet sind, und sogar geringfügig zur
Leiterplatte 10 hin belastet bzw. geklemmt sind. Abschnittweise
liegt das Folienmaterial unmittelbar an den Oberflächen der
Bauelemente 12 an.
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Falls
der Schrumpfschlauch 16 vor seiner Schrumpfung mit einem
Schutzgas gefüllt
wird, so kann vorteilhaft auf eine ansonsten oftmals notwendige
Schutzgasatmosphäre
beim Umschmelzen einer gedruckten Lotpaste in einem Ofen verzichtet
werden.
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Mit
einer Erzeugung von Unterdruck in der Schrumpffolie 16 vor
dem Umschmelzvorgang ist eine Verringerung der Umschmelztemperatur
möglich.
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende
Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch
einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei
wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits
beschriebenen Ausführungsbeispielen
eingegangen und im Übrigen
hiermit ausdrücklich
auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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Die 4 bis 6 veranschaulichen
in den 1 bis 3 entsprechenden Darstellungen
ein weiteres Ausführungsbeispiel.
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Im
Unterschied zu der vorstehend beschriebenen Herstellungsmethode
wird nach der Ausbildung einer aufgeschrumpften Hülle 16a' wenigstens bereichsweise,
bevorzugt an einem Großteil
der Folienaußenfläche eine
Metallschicht 18a aufgedampft.
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Durch
diese nachträgliche
(alternativ vorherige) Metallbeschichtung der Schrumpffolie 16a' (bzw. 16a)
kann in einfacher Weise eine EMV-Abschirmung gewährleistet werden.
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Als
Alternative zu der aufgedampften Metallschicht 18a kommt
in Betracht, ein diese vorteilhafte EMV-Schutzwirkung bereits von
vornherein bereitstellendes Schrumpfmaterial 16 zu verwenden.
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Die 7 bis 9 veranschaulichen
ein weiteres Ausführungsbeispiel.
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Im
Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Beispielen wird eine
mit Bauelementen 12b versehene Leiterplatte 10b auf
einer Flachseite (welche die Bauelemente 12b trägt) mit
einer elastischen Vergussmasse 20b versehen, wie es in 7 dargestellt
ist.
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Der
so gebildete Verbund 10b, 12b, 20b wird wieder
von einer Schrumpffolie 16b umgeben (8),
welche sodann, beispielsweise thermisch, aufgeschrumpft wird. Die
Oberfläche
des Vergussmaterials bildet hierbei eine Auflagefläche für die Schrumpffolie
und definiert in diesem Bereich die Form der aufgeschrumpften Umhüllung 16'. Nach dem Wiederöffnen von
Durchtrittsöffnungen
für Steckerstifte 14b resultiert
die fertige Elektronikbaugruppe 1b (9).