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Die Erfindung betrifft ein elektronisches System, insbesondere für den Einsatz in einem Verkehrsmittel, wobei das System eine elektronische Baugruppe mit zumindest einem elektronischen Bauelement, welches auf einem Träger (starre oder flexible Leiterplatte oder Substrat) angeordnet ist, und ein die elektronische Baugruppe umgebendes Gehäuse umfasst.
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Bei elektronischen Systemen kann es durch Klimaeinflüsse, insbesondere durch Temperaturschwankungen und Luftfeuchte, zur Betauung der elektronischen Baugruppe bzw. des die Baugruppe umgebenden Gehäuses kommen. Bei Betauung schlägt sich Kondenswasser aufgrund von Luftfeuchtigkeit an der Baugruppe oder dem Gehäuse nieder. In Verbindung mit ionischen Rückständen aus den Fertigungsprozessen des elektronischen Systems und einer Dauerbestromung kann es zu spontanen Ausfällen des Systems aufgrund von Funktionsbeeinträchtigungen einzelner Bauelemente oder der gesamten Baugruppe kommen. Hervorgerufen sind diese z. B. durch vorübergehende Kurzschlüsse aufgrund von leitfähiger Flüssigkeit, welche nach Abtrocknen der Flüssigkeit wieder verschwinden. Durch Elektromigration sind jedoch auch permanente Kurzschlüsse auf der Baugruppe, insbesondere auf der Leiterplatte und/oder zwischen Bauelementen möglich.
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Um elektronische Systeme vor den aus Betauung resultierenden Problemen zu schützen wird die elektronische Baugruppe zumindest an sensiblen Bereichen vor Feuchtigkeit geschützt. Hierzu ist es bekannt, auf die Baugruppe einen Lack aufzubringen, einen Teil- oder Vollverguss der elektronischen Baugruppe mit Silikonkautschuk oder Polyurethanmassen vorzunehmen sowie eine Beschichtung mit wasserabweisenden Polymeren vorzusehen.
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Das Aufbringen eines Lacks erfolgt unmittelbar nach Durchführung eines Reflow-Lötvorganges zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem zumindest einen elektronischen Bauelement und dem Träger. Da zwischen dem Lötvorgang und dem Aufbringen des Lacks aus Kostengründen keine Reinigung des Halbzeugs erfolgt, werden durch den Lack Metall-Ionen, insbesondere Zinn, Kupfer und Silber, eingeschlossen. An Stellen, an denen der Lack zu dick aufgebracht ist, härtet dieser teilweise nicht richtig durch und kann deshalb Feuchte aufnehmen. Die Ausbildung eines Migrationspfades unter dem Lack ist deshalb ebenfalls möglich, so dass durch den Lack kein ausreichender Betauungsschutz bereitgestellt ist.
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Ähnliche Probleme bestehen bei dem Verguss mit Silikonkautschuk oder eine Polyurethanmasse. Zum einen nehmen diese Vergussmaterialien ebenfalls Feuchte auf. Zum anderen weisen sie eine hohe thermische Ausdehnung auf, welche nicht an die thermische Ausdehnung der elektronischen Baugruppen angepasst ist. Bei häufig und stark wechselnden Temperaturschwankungen ist deshalb das Eindringen von Feuchte in die Baugruppe nicht auszuschließen, so dass sich ebenfalls ein Migrationspfad unter dem Verguss ausbilden kann.
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Aus der
DE 34 42 132 C2 ist ein elektronisches System bekannt, wobei das System eine elektronische Baugruppe mit zumindest einem elektronischen Bauelement, welches auf einem Träger angeordnet ist, und ein die elektronische Baugruppe umgebendes Gehäuse umfasst, bei dem zwischen dem Gehäuse und der elektronischen Baugruppe ein funktional nicht von der Baugruppe genutzter Leerraum gebildet ist, der zumindest teilweise mit einem Bindemittel gefüllt ist, welches zur irreversiblen Aufnahme von Wasser oder wässriger Flüssigkeit ausgebildet ist. Ein derartiges System ist auch aus der
US 4 426 769 A bekannt. Dabei ist die Aufnahme von Flüssigkeit beschrieben, die aus der oben beschriebenen Betauung resultiert.
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Aus der
DE 10 2006 012 615 A1 ist ein System bekannt, bei dem zwischen dem Gehäuse und der elektronischen Baugruppe ein Klebstoff aus Wasser absorbierendem Material angeordnet ist.
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Aus der
DE 39 13 066 A1 und der
EP 0 720 260 A1 ist jeweils eine Lösung bekannt, bei der im Gehäuse ein so genanntes Gettermaterial integriert ist. Das Gettermaterial dient unter anderem der Aufnahme von Feuchtigkeit.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektronisches System anzugeben, bei welchem ein im Vergleich zum Stand der Technik verbesserter Schutz gegen Betauung erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektronisches System mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die Erfindung schafft ein elektronisches System, insbesondere für den Einsatz in einem Verkehrsmittel, wobei das System eine elektronische Baugruppe mit zumindest einem elektronischen Bauelement, welches auf einem Träger angeordnet ist, und ein die elektronische Baugruppe umgebendes Gehäuse umfasst. Bei diesem ist zwischen dem Gehäuse und der elektronischen Baugruppe ein funktional nicht von der Baugruppe genutzter Leerraum gebildet, der zumindest teilweise mit einem Bindemittel gefüllt ist, welches zur irreversiblen Aufnahme von aus Betauung in dem Gehäuse resultierendem Wasser oder wässriger Flüssigkeit ausgebildet ist.
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Die Erfindung schafft ein elektronisches System, welches gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen kostengünstiger herstellbar ist, da auf einen Lacks oder einen Verguss komplett verzichtet werden kann. Um die durch den Lack bzw. den Verguss vorgesehene Schutzfunktion zu übernehmen und verbessert bereitzustellen, schlägt die Erfindung vor, im Inneren des Gehäuses des elektronischen Systems ein Bindemittel vorzusehen. Dieses Bindemittel weist die Eigenschaft auf, in dem Gehäuse gebildete Feuchtigkeit zu absorbieren und zu binden. Hierdurch kann das Wasser bzw. die wässrige Flüssigkeit nicht mit den ionischen Rückständen der elektronischen Baugruppe reagieren, wodurch die Ausbildung von leitenden Verbindungen und eine Elektromigration auf der Baugruppe ausgeschlossen werden können. Damit kann die Zuverlässigkeit des elektronischen Systems erheblich gesteigert werden.
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Das Bindemittel weist einen Superabsorber auf. Ein Superabsorber ist ein Kunststoff, der in der Lage ist, ein Vielfaches seines Eigengewichts an Flüssigkeit aufzusaugen. Ein Gramm Superabsorber kann in etwa 130 ml Wasser oder wässrige Flüssigkeit aufnehmen. Superabsorber kommt als weißes, grobkörniges Pulver mit Partikelgrößen von 100 μm bis 1000 μm zum Einsatz. Chemisch handelt es sich bei dem Superabsorber (Super Absorbent Polymer SAP) um ein Copolymer als Acrylsäure (Propensäure C3H4O2) und Natriumacrylat (Natriumsalz und Acrylsäure, NaC3H3O2), wobei das Verhältnis dieser beiden Monomere zueinander variieren kann. Zusätzlich wird den in Form einer Monomerlösung vorliegenden Monomeren ein sog. Kernvernetzer (Core-Cross-Linker) zugesetzt, der die gebildeten langkettigen Polymermoleküle stellenweise untereinander durch chemische Brücken verbindet und sie dadurch „vernetzt”. Durch diese Brücken wird das Polymer wasserunlöslich. Bei Eindringen von Wasser oder wässrigen Lösungen in die Polymerpartikel quellen diese auf und straffen auf molekularer Ebene das Netzwerk. Das Wasser kann ohne weiteres Zutun nicht mehr entweichen. Darüber hinaus kann eine Oberflächen-Nachvernetzung (Surface-Cross-Linking) der Polymere erfolgen. Bei dieser wird eine Chemikalie auf die Oberfläche eines jeden Polymerpartikels aufgebracht und durch eine unter Hitze stattfindende Reaktion wird ein zweites Netzwerk nur auf der äußeren Schicht des Polymerpartikels geknüpft. Dieses verhindert durch eine ebenfalls eintretende Straffung bei Flüssigkeitsabsorption selbst unter Druck ein Entweichen des aufgenommenen Wassers oder der wässrigen Flüssigkeit.
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Neben dem Superabsorber umfasst das Bindemittel zusätzlich Zellstoffflocken.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Bindemittel von einer Umhüllung umgeben, welche Feuchtigkeit aus dem Leerraum aufsaugt, um die Zuführung des Wassers oder der wässrigen Flüssigkeit zu dem Bindemittel zu erleichtern und zu unterstützen.
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Dabei kann die Umhüllung eine an die Oberfläche der elektronischen Baugruppe angepasste Oberflächenkontur aufweisen. Die angepasste Ausgestaltung der Umhüllung verhindert mechanische Belastungen einzelner Bauelemente der elektronischen Baugruppe. Darüber hinaus ist es möglich, den zwischen Gehäuse und der Baugruppe gebildeten Leerraum nahezu vollständig auszufüllen, wodurch ein besonders effektiver Schutz gegenüber Betauung gewährleistet ist.
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In einer Ausgestaltung kann das Bindemittel in einer oder mehreren Umhüllungen vorgesehen sein. Dies kann insbesondere bei komplex ausgebildeten elektronischen Baugruppen mit stark variierender Oberflächengeometrie zweckmäßig sein. Darüber hinaus erlaubt es das Vorsehen mehrerer Umhüllungen, das Bindemittel selektiv an Bereichen des Systemes vorzusehen, welche anfällig gegenüber Betauung sind.
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Als äußere Schicht umfasst die Umhüllung ein Trockenvlies oder ein Polypropylenvlies. Diese weisen gute Saugeigenschaften gegenüber in dem Gehäuse auftretender Feuchtigkeit auf, so dass sich die Feuchtigkeit nicht mehr auf die elektronische Baugruppe niederschlagen kann. Als innere Schicht umfasst die Umhüllung ein Zellstoffvlies zur flächigen Verteilung der Feuchtigkeit. Hierdurch wird sichergestellt, dass die durch die äußere Schicht aufgenommene Feuchtigkeit gleichmäßig im Inneren der Umhüllung verteilt und dem Bindemittel zugeführt wird. Die innere Schicht kann eine oder mehrere Kammern aufweisen. Durch die Größe und Anordnung der einzelnen Kammern können die Menge des in dem System vorgesehenen Bindemittels gesteuert und diejenigen Bereiche festgelegt werden, an welchen Bindemittel zur Aufnahme von Feuchtigkeit vorgesehen sein muss.
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Zweckmäßigerweise weisen die äußere Schicht und die innere Schicht eine aneinander angepasste Oberflächenstruktur auf. Insbesondere können die äußere und/oder die innere Schicht dreidimensional ausgebildet sein. Die Herstellung der jeweiligen Oberflächenstruktur, welche der Oberflächenkontur der elektronischen Baugruppe folgen kann, kann beispielsweise durch Tiefziehen oder Formpressen erfolgen.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung schließt die äußere Schicht auch die elektronische Baugruppe ein. Hierdurch kann gegebenenfalls auf das Gehäuse des elektronischen Systems verzichtet werden. Ein elektrischer Anschluss der elektronischen Baugruppe erfolgt durch ein Kabel durch eine entsprechend vorbereitete Öffnung der äußeren Schicht hindurch.
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Die Umhüllung kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in den Leerraum zwischen dem Gehäuse und der elektronischen Baugruppe unbefestigt eingelegt sein. Hierdurch wird die Fertigung eines erfindungsgemäßen elektronischen Systems auf kostengünstige und einfachste mögliche Weise ermöglicht.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann die Umhüllung an der Baugruppe und/oder an dem Gehäuse befestigt sein. Die Befestigung kann beispielsweise durch einen Kleber oder auf beliebige mechanische Weise erfolgen.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Bindemittel in dem Leerraum selektiv nahe Bereichen der elektronischen Baugruppe angeordnet, welche hinsichtlich Betauung sensibel sind. Im Ergebnis braucht weniger Bindemittel in dem System vorgesehen werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Bindemittel auch ohne Umhüllung in Form von Schüttgut in dem Leerraum angeordnet werden.
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Das Wasser oder wässrige Flüssigkeiten absorbierende Bindemittel wird als Betauungsschutz für elektronische Systeme verwendet. Insbesondere wird die Verwendung eines Wassers und wässrige Flüssigkeiten absorbierenden Bindemittels als Betauungsschutz für elektronische Systeme und Steuergeräte in Kraftfahrzeugen vorgeschlagen. Bei diesen ist die Gefahr von Temperaturschwankungen sowie der Einsatz in stark feuchten Umgebungsbedingungen besonders wahrscheinlich, so dass Fälle von Betauung häufig auftreten können, wobei die durch Betauung resultierenden Folgen durch die Erfindung vermindert oder sogar vermieden werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäß in einem elektronischen System verwendeten Bindemittels gemäß einer ersten Ausführungsvariante,
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2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäß in einem elektronischen System verwendeten Bindemittels gemäß einer zweiten Ausführungsvariante,
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3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Systems,
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4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Systems mit einem alternativ ausgestalteten Bindemittel, und
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5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Systems gemäß einer alternativen Ausgestaltung.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils in einer Querschnittsdarstellung eine Einlage 12, welche in ein elektronisches System in einen Leerraum zwischen dem Gehäuse und einer vor Feuchtigkeit zu schützenden Baugruppe eingebracht werden soll. Die Einlage 12 umfasst eine Umhüllung, welche im Ausführungsbeispiel eine äußere Schicht 9 und eine innere Schicht 10 umfasst. Die äußere Schicht 9 ist als Trockenvlies oder Polypropylenvlies ausgebildet und dient dazu, in der Baugruppe vorhandene Feuchtigkeit aufzusaugen, so dass sich diese weder an dem die elektronische Baugruppe umgebenden Gehäuse noch an der Baugruppe selbst niederschlagen kann. Die innere Schicht 10 dient als Verteilerauflage und ist als Zellstoffvlies ausgebildet. Zweck der inneren Schicht 10 ist es, die von der äußeren Schicht 9 aufgesaugte Feuchtigkeit zu übernehmen und flächig in der Einlage 12 zu verteilen. Von der inneren Schicht 10 eingeschlossen ist ein Bindemittel 8, welches gemäß dem Gedanken der Erfindung als Superabsorber ausgebildet ist. Ferner kann das Bindemittel 8 Zellstoffflocken umfassen, welche eine verbesserte Verteilung der Feuchtigkeit und Zuführung zu den Superabsorbern gewährleisten.
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Die Einlage 12 kann, wie dies in 1 gezeigt ist, eine einzige Kammer 11 aufweisen. In der in 2 dargestellten Ausführungsvariante umfasst die innere Schicht 10 eine Mehrzahl an Kammern 11, welche jeweils mit dem Bindemittel 8 gefüllt sind. Die einzelnen Kammern 11 sind jeweils durch beliebig dicke Stege oder Materialabschnitte aus dem Material der inneren Schicht 10 voneinander getrennt. Die Lage und Größe der Kammern 11 können beispielsweise derart angeordnet bzw. ausgebildet sein, dass das Bindemittel 8 nahe Bereichen angeordnet ist, welche hinsichtlich Betauung besonders sensibel sind.
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Entgegen der Darstellung in den 1 und 2 braucht zwischen dem Bindemittel 8 und der bzw. den Kammern 11 kein Zwischenraum zu bestehen, da das Bindemittel in Form von Schüttgut in die jeweiligen Kammern 11 eingebracht ist. Grund für die Darstellung der Spalte sind lediglich zeichnerische Aspekte.
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Die Einlage 12 kann prinzipiell nahezu jede beliebige äußere Gestalt annehmen. In den beiden gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Einlage 12 jeweils in etwa quaderförmig ausgebildet. Die Einlage 12 kann z. B. in Form eines Polsters oder Kissens ausgebildet sein, welche zum einen an die Geometrie bzw. Abmaße des Gehäuses und zum anderen an die Geometrie bzw. Abmaße der zu schützenden elektronischen Baugruppe ausgebildet sind.
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3 zeigt in einer schematischen Querschnittsdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Systems 1. Eine elektronische Baugruppe 2 des Systems 1 ist im Inneren eines Gehäuses 6 angeordnet. Die elektronische Baugruppe 2 umfasst einen Träger 3, z. B. eine Leiterplatte, welche in diesem Beispiel mit einer beidseitigen Leiterzugstruktur (nicht dargestellt) versehen ist. Auf die beiden gegenüberliegenden Hauptseiten des Trägers 3 sind Bauelemente 4 aufgebracht und elektrisch mit der Leiterzugstruktur verbunden. Dabei kann auch eine elektrische Verbindung zwischen jeweiligen Bauelementen 4 auf den beiden gegenüberliegenden Hauptseiten des Trägers 3 vorgesehen sein. Über einen Konnektor 5 erfolgt eine elektrische Kontaktierung der elektronischen Baugruppe 2 von außerhalb des Systems 1 her. Dies ist lediglich schematisch angedeutet.
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Um die Bauelemente 4 und die elektrischen Verbindungen der elektronischen Baugruppe 2 vor Betauung und der Ausbildung von Migrationspfaden zu schützen, sind in dem zwischen dem Gehäuse 6 und der elektronischen Baugruppe 2 ausgebildeten Leerraum 7, beidseitig der Hauptseiten des Trägers 3, jeweilige Einlagen 12, wie diese im Zusammenhang mit 1 und 2 beschrieben worden sind, angeordnet. Die Einlagen 12 können hierbei einfach in den Innenraum 7 eingelegt sein. Um ein Verrutschen oder eine Bewegung der Einlagen 12 im Inneren des Gehäuses 6 zu vermeiden, können diese auch an dem Gehäuse 6 und/oder der elektronischen Baugruppe 2 fixiert sein. Dies kann im einfachsten Fall unter Verwendung eines Klebers oder durch das Vorsehen entsprechender mechanischer Halterungen (nicht dargestellt) erfolgen. Durch die mit Superabsorber gefüllten Einlagen 12 kann Wasser aus Betauung im Inneren des Gehäuses 6 aufgenommen und gebunden werden, bevor dieses mit ionischen Rückständen auf der elektronischen Baugruppe reagieren und zu leitenden Verbindungen und Elektromigration auf der Baugruppe 2 führen kann.
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Im Ausführungsbeispiel der 3 ist beidseitig der elektronischen Baugruppe 2 jeweils eine Einlage 12 vorgesehen. Es ist für einen Fachmann ohne Weiteres ersichtlich, dass das Vorsehen einer entsprechenden Einlage 12 auch auf einer einzigen Seite der elektronischen Baugruppe 2 ausreichend sein kann. Darüber hinaus könnte auch auf jeder der beiden Hauptseiten der elektronischen Baugruppe 2 eine beliebige Anzahl an voneinander unabhängigen Einlagen 12 vorgesehen sein.
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4 zeigt in einer weiteren schematischen Querschnittsdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Übersichtlichkeit halber ist in dieser Darstellung das Gehäuse 6 weggelassen. Wie ohne Weiteres zu erkennen ist, weisen die Einlagen 12, welche wiederum beidseitig der Hauptseiten der elektronischen Baugruppe 2 vorgesehen sind, eine an die Oberfläche der elektronischen Baugruppe 2 angepasste Oberflächenkontur auf. Die Anpassung der Einlagen 12 an die grobe Kontur der elektronischen Baugruppe 2 kann z. B. durch Tiefziehen oder Formpressen erfolgen. Hierdurch ist ein verbesserter Schutz der Bauelemente und Verbindungspfade der elektronischen Baugruppe 2 möglich. Darüber hinaus kann die Befestigung der Einlagen 12 an der Baugruppe erleichtert werden. Insbesondere kann es bei starken mechanischen Belastungen des elektronischen Systems nicht zu einem Verrutschen bzw. Verschieben der Einlagen im inneren des Gehäuses 6 kommen, wodurch die mechanische Belastung einzelner Bauelemente reduziert wird.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 5 dargestellt. Dort ist ebenfalls das die elektronische Baugruppe 2 umgebende Gehäuse weggelassen. Bei diesem Ausführungsbeispiel umgibt die äußere Schicht 9 der Einlage 12 nicht nur die innere Schicht 10 mit dem Bindemittel 8, sondern bettet auch die elektronische Baugruppe 2 mit ein. Eine elektronische Kontaktierung erfolgt über ein aus der äußeren Schicht 9 herausgeführtes Kabel 13. Die Einlage 12 ist damit in Beutelform ausgebildet.
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Die Verwendung der mit Bindemittel zur Aufnahme von Feuchtigkeit oder wässrigen Flüssigkeiten versehenen Einlagen 12 stellt eine kostengünstige Schutzmaßnahme gegenüber Betauung von elektronischen Systemen dar. Es besteht dabei die Möglichkeit, im Rahmen von Wartungsintervallen, z. B. bei Kraftfahrzeugen, industriellen Anlagen oder Telekommunikationsanlagen, die Einlagen auszutauschen und damit einen lang andauernden Schutz vor Betauung zu erreichen. Ein Austausch kann insbesondere in vorgesehenen Abständen erfolgen, wenn das in den Einlagen vorgesehene Bindemittel auf bestimmte Einsatzbedingungen ausgelegt ist und nach Ablauf der Zeitdauer in seiner Wasser- bzw. Feuchtigkeitsaufnahmefähigkeit erschöpft ist.
