DE102007062918A1

DE102007062918A1 - Verfahren zum Vergießen zumindest einer Leiterplatte

Info

Publication number: DE102007062918A1
Application number: DE200710062918
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr. Spanke; Ralf Armbruster; Roland Grozinger
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Vergießen zumindest einer Leiterplatte mit elektrischen Bauteilen und mit zumindest einer Buchse oder einem Stecker einer Steckverbindung, die zumindest teilweise mit einem ersten Vergussmaterial vergossen werden. Die Erfindung beinhaltet, dass im Bereich der Buchse und/oder des Steckers der Steckverbindung zumindest zeitweise aufgrund der Ausgestaltung der Vergussform und/oder aufgrund der Ausgestaltung des Vergussdeckels ein Hohlraum im ersten Vergussmaterial erzeugt wird, wobei die Steckverbindung geschlossen wird, indem die Buchse oder der Stecker mit einem jeweiligen entsprechenden Gegenstück elektrisch und mechanisch verbunden wird, wobei der Hohlraum um die geschlossene Steckverbindung mittels eines zweiten Vergussmaterials vergossen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergießen eines Modulsystems aus zumindest einer ersten Leiterplatte und zumindest einer zweiten Leiterplatte mit elektrischen Bauteilen, die zumindest teilweise mit einem ersten Vergussmaterial vergossen werden.
Die Fortschritte der Mikroelektronik in den letzten Jahren haben zu einer Miniaturisierung von Feldgeräten und zu einer Integration der Funktionalitäten geführt, die in der Automatisierungstechnik eine effektive und kostengünstige Anwendung von integrierten dezentralen Systemen bewirkte. So werden in diesen Feldgeräten nicht nur die Messwerte ermittelt, sondern schon die Messwerte vorverarbeitet, linearisiert und sogar eine Selbstdiagnosen des Sensors oder des Aktors implementiert. Die Vorraussetzung für das Einbringen dieser dezentralen Funktionalitäten in ein geschlossenes Automatisierungskonzept mit „intelligenten" Sensoren und Aktoren ist ein erhöhter Informations- und Datenaustausch dieser dezentralen Einheiten untereinander und mit einem Leitsystem. In der industriellen Messtechnik, insb. in der Automatisierungs- und Prozesssteuerungstechnik, werden regelmäßig Feldgeräte eingesetzt, die im Prozessablauf mittels Sensoren Prozessvariablen messen oder mittels Aktoren Stellgrößen steuern. Die entsprechenden Feldgeräte ermitteln beispielsweise den Druck, den Durchfluss, den Füllstand, die Dielektrizitätskonstante, die Grenzschicht, die Temperatur oder eine andersartige physikalische und/oder chemische Prozessgröße als eine Prozessvariable in einem Prozessablauf. Von der Anmelderin werden beispielsweise Feldgeräte unter dem Namen Cerabar, Deltabar, Deltapilot, Promass, Levelflex, Micropilot, Prosonic, Soliphant, Liquiphant, Easytemp produziert und vertrieben, die vorwiegend dazu bestimmt sind, zumindest eine der oben bezeichneten Prozessvariablen eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen. Allen diesen Feldgeräten ist gemein, dass zur Auswertung der Messergebnisse der Sensoren oder zur Beeinflussung der Stellgrößen, sowie zur Kommunikation dieser dezentralen Einheiten untereinander und mit einem Leitsystem eine Elektronik-Schaltung in einem Messumformergehäuse der Feldgeräte vorgesehen ist.
Die einzelnen Elektronik-Schaltungen in dem Messumformer dieser Feldgeräte sind nach den verschiedenen Funktionsgruppen der Elektronik des Feldgeräts aufgeteilt und somit modular aufgebaut. Es werden beispielsweise Module mit einer Sensorschaltung, einer Regel-/Auswerteschaltung und/oder einer Kommunikationseinheit separat voneinander auf einzelnen Leiterplatten aufgebaut und über eine standardisierte Schnittstelle zu Modulsystemen miteinander verbunden.
Bei vielen Anwendungen müssen diese Elektronik-Module unter erschwerten Umweltbedingungen, wie z. B. Schmutz, Staub und Feuchtigkeit, über viele Jahre sicher und zuverlässig in den Feldgeräten arbeiten. Auch die Einflüsse von unsachgemäßen Berührungen durch Fremdkörper oder Bediener lassen sich kaum vermeiden. Die IP-Schutzklassen legen fest, in welchem Umfang ein elektrisches Bauteil Umwelteinflüssen ausgesetzt werden kann ohne beschädigt zu werden oder ein Sicherheitsrisiko darzustellen.
Um beispielsweise die Schutzklasse IP65 oder IP67 in den Feldgeräten zu erfüllen, wird gewöhnlich die gesamte Elektronik mit einem Vergussmaterial vergossen. Hierdurch wird eine Kapselung zum Berührungs- und Fremdkörperschutz der Elektronik gegen das Berühren unter Spannung stehender Bauteile gegen das Eindringen von Staub oder Wasser gewährleistet. Hierzu wird meist der gesamte Verbund des Modulsystems der Elektronik des Feldgeräts mit einem Vergussmaterial luft- und wasserdicht vergossen.
In der DE 20 2005 015 791 U1 wird ein solches Modulssystem beschrieben, welches mit einer dichtenden Masse vergossen ist. Desweiteren ist in der DE 101 29 788 B4 ein Kunststoffrahmen zur Aufnahme der Elektronikmodule auf Leiterplatten beschrieben, welche durch eine Verguss des gesamten Modulsystems die elektronischen Bauelemente auf den Leiterplatten schützt.
Nachteilig an dieser bekannten Vorgehensweise des Vergießens von Modulsystemen der Feldgeräte-Elektronik ist, dass nur das komplette Verbund der Modulsysteme durch den Verguss geschützt werden kann und die einzelnen Module, die schon im Vorfeld gefertigt wurden, ungeschützt in der Lagerhaltung gelagert werden müssen. Außerdem ist es bei dem Verguss des Modulsystems aus mehreren übereinander geschichteten Lagen von Leitplatten notwendig ein Vakuum-Vergussmethode anzuwenden, damit ein dichter und vollständiger Verguss des Modulsystems ausgebildet wird.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Schutzmöglichkeit der einzelnen Module der Elektronik vorzuschlagen, die einfach, kostengünstig und sicher ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf der ersten Leiterplatte und/oder auf der zweiten Leiterplatte in einem ersten Vergussschritt im Bereich einer Buchse und/oder eines Steckers einer Steckverbindung zumindest zeitweise aufgrund der Ausgestaltung der Gussform und/oder aufgrund der Ausgestaltung eines Gussformdeckels ein Hohlraum im ersten Vergussmaterial erzeugt wird, dass die Steckverbindung geschlossen wird, indem die Buchse oder der Stecker mit einem jeweiligen entsprechenden Gegenstück elektrisch und mechanisch verbunden wird, und dass in einem zweiten Vergussschritt der Hohlraum um die geschlossene Steckverbindung mittels eines zweiten Vergussmaterials vergossen wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass die Steckverbindung geschlossen wird, indem die Buchse der Steckverbindung auf einer ersten Leiterplatte in den Stecker der Steckverbindung auf einer zweiten Leiterplatte gesteckt und elektrisch kontaktiert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steckverbindung geschlossen wird, indem eine Verbindungsleitung mit der Buchse der Steckverbindung auf einer ersten Leiterplatte und mit dem Stecker der Steckverbindung auf einer zweiten Leiterplatte verbunden und elektrisch kontaktiert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das zweite Vergussmaterial über einen in dem ersten Vergussmaterial ausgebildeten Angusskanal in den Hohlraum um die geschlossen Steckverbindung eingebracht wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass als erstes Vergussmaterial ein Thermoplast, ein Heißkleber oder ein Epoxydharz auf die Leiterplatte aufgebracht wird.
Eine sehr vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass das erste Vergussmaterial mittels eines Spritzgießverfahren auf die Leiterplatte aufgebracht wird.
Gemäß einer vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass als zweites Vergussmaterial ein SIL-Gel in den Hohlraum um die geschlossen Steckverbindung eingebracht wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit den zugehörigen Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zur besseren Übersicht und zur Vereinfachung die Elemente, die sich in ihrem Aufbau und/oder in ihrer Funktion entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels von zwei über eine Steckverbindung elektrisch verbundenen Leiterplatten mit dem erfindungsgemäßen Verguss,
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vergusses von zwei über eine Steckverbindung elektrisch verbundenen Leiterplatten mit dem erfindungsgemäßen Verguss,
3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Vergusses von zwei über eine Steckverbindung elektrisch verbundenen Leiterplatten, und
4 ein Ablaufdiagramm des in 3 dargestellten erfindungsgemäßen Vergusses von zwei über eine Steckverbindung elektrisch verbundenen Leiterplatten.
In 1 wird eine modulare Elektronikeinheit aus einer ersten Leiterplatte 1 und einer zweiten Leiterplatte 2 gezeigt, die über eine Steckverbindung 3 elektrisch miteinander verbunden sind. Die Leiterplatten 1, 2 sind erfindungsgemäß mit einem ersten Vergussmaterial 4 so vergossen worden, dass um die Buchse 3a der Steckverbindung 3 und um den Stecker 3b der Steckverbindung 3 entsprechende Hohlräume 7 entstanden sind. Als erstes Vergussmaterial 4 wird beispielsweise ein Thermoplast, ein Heißkleber oder ein Epoxydharz verwendet, dass in einem Vergussverfahren oder einem Spritzgussverfahren separat auf die einzelnen Leiterplatten 1, 2 aufgebracht wird. Die vereinzelten Leiterplatten 1, 2 mit dem ersten Vergussmasse 4 können separiert voneinander gelagert werden und beispielsweise erst beim Einbau in dem Feldgerät zu einer kompletten Geräte-Elektronik über die Steckverbindung 3 zusammengefügt werden. Die Hohlräume 7 um die geschlossene Steckverbindung 3 werden erfindungsgemäß in einem weiteren Schritt durch eine zweite Vergussmasse, z. B. einem SIL-Gel, verfüllt, indem über den Angusskanal 8 die zweite Vergussmasse 5 eingebracht wird. Die Leiterplatten 1, 2 sind so ausgestaltet, dass bei einer gegenüberliegenden Anordnung der Leiterplatten 1, 2, wie in 1 gezeigt, sich eine Buchse 3a und eine Stecker 3b der Steckverbindung 3 zwischen den beiden Leiterplatten 1, 2 genau fluchtend sind und leicht gesteckt werden können. Die einzelnen, elektrischen Bauteile 9 sind auf den Leiterplatten 1, 2 mittels Leiterbahnen 6 miteinander und der Buchse 3a oder dem Stecker 3b der Steckverbindung verbunden.
In 2 wird eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vergusses von zwei über eine Steckverbindung elektrisch verbundenen Leiterplatten mit dem erfindungsgemäßen Verguss gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Steckverbindung an den Rand der Leiteplatten 1, 2 gelegt worden, so dass das Auffüllen der entstanden Hohlräume 7 in dem ersten Vergussmaterial 4 um den Stecker 3b und die Buchse 3a der Steckverbindung 3 herum vereinfacht wird und die Ausbildung eines Angusskanals in der ersten Vergussmaterial 4 für das zweite Vergussmaterial 5 vollends entfallen kann. Werden die Leiterbahnen 6 bis an den Rand der beiden Leiterplatten 1, 2 geführt, ist es sogar möglich gänzlich auf die Steckverbindung 3 zu verzichten und die Enden der Leiterbahnen 6 auf der ersten Leiterplatte 1 mit den Enden der Leiterbahnen 6 auf der zweiten Leiterplatte 2 mittels beispielsweise einer Verbindungsleitung 10 über eine Verlötung elektrisch zu verbinden. Diese Verbindungsleitung 10 kann dann in einem weiteren Verfahrensschritt mit dem zweiten Vergussmaterial 5 komplett, dicht und durchschlagsfest vergossen werden.
In 3 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Vergusses von zwei über eine Steckverbindung 3 elektrisch verbundenen Leiterplatten 1, 2 gezeigt. Ein Ablaufdiagramm des in 3 dargestellten, erfindungsgemäßen Verguss-Verfahrens von zwei über eine Steckverbindung elektrisch verbundenen Leiterplatten ist in 4 dargestellt.
Das Vergussverfahren lässt sich grundlegend in 7 Schritte einteilen. Diese Verfahrensschritte sind:

– In einem ersten Schritt T1 wird die erste Leiterplatte 1 in die Gussform 11 eingelegt.
– In einem zweiten Schritt T2 wird der Gussformdeckel 12 auf die mit der ersten Leiterplatte 1 gefüllten Gussform 11 gelegt.
– In einem dritten Schritt T3 wird das erste Vergussmaterial, z. B. ein Epoxy-Polymer oder Thermoplast, mittels einer Spritzgussdüse 13 in die mit dem Gussformdeckel 12 geschlossene Gussform 11 eingebracht und ausgehärtet.
– In einem vierten Schritt T4 wird die Gussformdeckel 12 von der Gussform 11 abgehoben.
– In einem fünften Schritt T5 wird die teilvergossene, erste Leiterplatte aus der Gussform 11 entformt.

Mit der zweiten Leiterplatte werden die Verfahrenschritte T1 bis T4 erneut durchgeführt, so dass auch die zweite Leiterplatte 2 als teilvergossene modulare Elektronik vorliegt.

– In einem sechsten Schritt T6 wird die Steckverbindung 3 zwischen der teilvergossenen, ersten Leiterplatte 1 und de teilvergossenen, zweiten Leiteplatte 2 geschlossen und ein Modulverbund der modular aufgebauten Elektronik gebildet.
– In einem siebten Schritt T7 wird der Hohlraum 7 um die Steckverbindung 3 des Modulverbunds aus der ersten Leiterplatte 1 und der zweiten Leiterplatte 2 wird mit dem zweiten Vergussmaterial 5, z. B. einem SIL-Gel, vergossen.

Dieser zweite Verguss mit dem zweiten Vergussmaterial 5 kann auch ein gewisse Zeitspanne, z. B. einige Jahre, später als der erste Verguss mit dem ersten Vergussmaterial 4 erfolgen. Die modulare Elektronik beispielsweise eines Feldgeräts der Prozessmesstechnik kann durch den auch gegen mechanische Einwirkungen schützenden ersten Verguss mit dem ersten Vergussmaterial 4 gelagert werden. Die elektrischen Bauteile 9 und Leiterbahnen 6 werden durch das erste Vergussmaterial 4 beispielsweise vor Korrosion und Alterungseinflüssen geschützt.
In der modularen Leiterplattentechnik werden Elektroniken in logischen Einheiten, so genannten Modulen, zusammengefasst. Die Elektronik wird grundlegend in funktionale Module zerlegt, die einzeln geplant, entwickelt, aufgebaut und getestet werden können. Zur Vervollständigung der Elektronik können die einzelnen Module dann logisch miteinander über Schnittstellen, z. B. eine Steckverbindung 3, kontaktiert werden, und sind somit einsatzbereit. Der modulare Aufbau der Elektronik mit normierten bzw. standardisieren Schnittstellen zwischen den Modulen beschreibt dabei den Versuch, die Herstellung von Elektroniksystemen zu vereinfachen und noch effizienter zu machen. Der modulare Aufbau einer Elektronik hat vorzugsweise auch den Vorteil, dass die einzelnen Module mittels verschiedener Verfahren hergestellt und/oder von unterschiedlichen Entwicklern entwickelt werden können. Desweiteren ist die Elektronik durch den modularen Aufbau beliebig erweiterbar und kann leicht und schneller durch den Austausch von einzelnen Modulen verändert und/oder korrigiert werden. Die geringen Entwicklungskosten und die kurze Entwicklungszeiten, sowie den individuelle Entwicklung der Module machen diese Art des modularen Aufbaus einer Elektronik auch für die industriellen Anwendungen hoch interessant.

1: Erste Leiterplatte
2: Zweite Leiterplatte
3: Steckverbindung
3a: Buchse
3b: Stecker
4: erstes Vergussmaterial, erste Vergussmasse
5: zweites Vergussmaterial, zweite Vergussmasse
6: Leiterbahnen
7: Hohlraum
8: Angusskanal
9: Elektrische Bauteile
10: Verbindungsleitung
11: Gussform
12: Gussformdeckel
13: Spritzgussdüse, Einfüllelement
T1: erster Schritt
T2: zweiter Schritt
T3: dritter Schritt
T4: vierter Schritt
T5: fünfter Schritt
T6: sechster Schritt
T7: siebter Schritt
T8: achter Schritt
T9: neunter Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 202005015791 U1 [0006]
- DE 10129788 B4 [0006]

Claims

Verfahren zum Vergießen eines Modulsystems aus zumindest einer ersten Leiterplatte (1) und zumindest einer zweiten Leiterplatte (2) mit elektrischen Bauteilen (9), die zumindest teilweise mit einem ersten Vergussmaterial (4) vergossen werden, dadurch gekennzeichnet, – dass auf der ersten Leiterplatte (1) und/oder auf der zweiten Leiterplatte (2) in einem ersten Vergussschritt im Bereich einer Buchse (3a) und/oder eines Steckers (3b) einer Steckverbindung (3) zumindest zeitweise aufgrund der Ausgestaltung der Gussform (11) und/oder aufgrund der Ausgestaltung eines Gussformdeckels (12) ein Hohlraum (7) im ersten Vergussmaterial (4) erzeugt wird, – dass die Steckverbindung (3) geschlossen wird, indem die Buchse (3a) oder der Stecker (3b) mit einem jeweiligen entsprechenden Gegenstück elektrisch und mechanisch verbunden wird, und – dass in einem zweiten Vergussschritt der Hohlraum (7) um die geschlossene Steckverbindung (3) mittels eines zweiten Vergussmaterials (5) vergossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckverbindung (3) geschlossen wird, indem die Buchse (3a) der Steckverbindung (3) auf einer ersten Leiterplatte (1) in den Stecker (3b) der Steckverbindung (3) auf einer zweiten Leiterplatte (2) gesteckt und elektrisch kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckverbindung (3) geschlossen wird, indem eine Verbindungsleitung (10) mit der Buchse (3a) der Steckverbindung (3) auf einer ersten Leiterplatte (1) und mit dem Stecker (3b) der Steckverbindung (3) auf einer zweiten Leiterplatte (2) verbunden und elektrisch kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Vergussmaterial (5) über einen in dem ersten Vergussmaterial (4) ausgebildeten Angusskanal (8) in den Hohlraum (7) um die geschlossen Steckverbindung (3) eingebracht wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Vergussmaterial (4) ein Thermoplast, ein Heißkleber oder ein Epoxydharz auf die Leiterplatte (1, 2) aufgebracht wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Vergussmaterial (4) mittels eines Spritzgießverfahren auf die Leiterplatte (1, 2) aufgebracht wird
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Vergussmaterial (5) ein SIL-Gel in den Hohlraum (7) um die geschlossen Steckverbindung (3) eingebracht wird.