-
I. Anwendungsgebiet
-
Die
Erfindung betrifft vergossene elektronische Schaltungen, insbesondere
die elektronischen Schaltungen von Sensoren.
-
II. Technischer Hintergrund
-
Elektronische
Schaltungen, die – in
der Regel wegen eines späteren
Einsatzes in einer rauen Umgebung – vor Umwelteinflüssen gut
geschützt werden
müssen,
werden häufig
in Kunststoff umfänglich
vergossen, wobei es sich häufig
um einen aushärtenden
Kunststoff handelt.
-
Da
dieser Vergusskunststoff meist nur eine begrenzte mechanische Stabilität besitzt,
wird meistens noch ein mechanisch stabileres, in der Regel aus Metall
oder einem harten Kunststoff bestehendes, äußeres Gehäuse angeordnet.
-
Um
die Herstellung zu vereinfachen, wird dabei das Vergießen direkt
in dem äußeren Gehäuse als
Vergussform durchgeführt.
-
Es
hat sich jedoch herausgestellt dass in diesem Fall meist eine Schädigung der
elektronischen Komponenten die Folge ist, vor allem, wenn die Schaltung
Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.
-
III. Darstellung der Erfindung
-
a) Technische Aufgabe
-
Es
ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung,
eine Bauform einer elektronischen Schaltung sowie ein Verfahren
zu ihrer Herstellung zur Verfügung
zu stellen, welche trotz einfacher Herstellung diesen Nachteil des
Standes der Technik nicht aufweist.
-
b) Lösung
der Aufgabe
-
Diese
Aufgabe wird durch Merkmale der Ansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Durch
das Vorsehen der Freiräume
zwischen dem Vergusskörper
und dem äußeren Gehäuse kann
sich der Vergusskörper
temperaturbedingt ausdehnen, wodurch diese Freiräume reduziert werden, ohne
dass der sich ausdehnende Vergusskörper sofort gegen das äußere, stabile,
sich weniger mitdehnende Gehäuse
presst und dadurch im Inneren des Vergusskörpers eine Spannung aufgebaut wird,
die auch gegen die darin eingeschlossenen elektronischen Komponenten
wirkt und diese beschädigt
oder von dem Schaltungsträger
abreißt.
-
Durch
die dennoch vorhandene formschlüssige
Anlage des Vergusskörper
an den Innenflächen des
Gehäuses,
z. B. über
linienförmige
oder einzelne singuläre
Erhebungen auf dem Außenumfang
des Vergusskörpers,
ist dieser ausreichend stabil und formschlüssig im Inneren des Gehäuses aufgenommen.
-
Da
Ausdehnungen des Vergusskörper
zwar auch durch andere Umwelteinflüsse wie erhöhte Luftfeuchtigkeit etc. auftreten
können,
in der Regel jedoch durch Temperaturschwankungen – sei es
durch die Umwelt bedingt oder durch den Betrieb der elektronischen
Schaltung selbst – ist
vor allem bei knapper Bemessung der Freiräume, also wenn das äußere Gehäuse so klein
wie möglich
in seinen Abmessungen gewählt
werden muss, auch das Dehnungsverhalten der Materialien von Bedeutung:
Das
Material des äußeren Gehäuses sollte
sich dann nicht wesentlich weniger, sondern möglichst im gleichen Maße bei Temperaturerhöhung ausdehnen
wie das Material des Vergusskörpers.
Letzteres sollte ein Dehnungsverhalten besitzen, welches im vorgegebenen
Temperaturbereich ein ähnliches
Dehnungsverhalten wie der Schaltungsträger besitzt, um durch demgegenüber zu starke
oder zu schwache Dehnung keine Spannungen zwischen Vergusskörper und
Schaltungsträger
auftreten zu lassen.
-
Durch
das Erstrecken der Freiräume
entlang möglichst
aller Außenflächen des
Vergusskörpers und
jeweils über
möglichst
deren gesamte Länge wird
vermieden, dass durch die Dehnung des Vergusskörpers unzulässig hohe Spannung auf die Schaltung
von dem Gehäuse
ausgeübt
wird.
-
Da
bei einem langen, schlanken Vergusskörper die Ausdehnung in Längsrichtung
in absoluten Werten die größte Ausdehnung
ist, wird insbesondere zwischen deren in Einschubrichtung vorderen Stirnflächen des
Vergusskörpers
und der Gegenfläche
des Gehäuses
ein Abstand eingehalten, indem zwischen den beiden Flächen entweder überhaupt keine
Berührung
stattfindet oder eine Berührung
beispielsweise nur entlang weniger Erhebungen auf der Stirnfläche des
Vergusskörpers,
beispielsweise entlang des außen
umlaufenden Randes des Vergusskörpers,
was auch ein ringförmig
umlaufende Erhebung sein kann.
-
Im
mittleren Bereich der Stirnfläche
sollte dagegen ein Abstand vorhanden sein, insbesondere wenn dort
ein elektronisches Bauteil wie etwa ein quer zur Längsachse
angeordneter Chip positioniert ist.
-
Dies
kann etwa erreicht werden durch Einschieben des Vergusskörpers in
Längsrichtung,
bis eine am hinteren Ende des Vergusskörpers vorhandene Schulter an der
offenen Stirnseite des Gehäuses
anliegt oder die zuvor erwähnten
Erhebungen auf der vorderen Stirnfläche des Vergusskörpers.
-
Um
beim Vergießen
im Vergusskörper
den Schaltungsträger
auf einfache Art und Weise zu positionieren und dennoch die Schaltung
selbst vollständig
umschlossen einzugießen,
berührt
der Schaltungsträger
nur mit wenigen nach außen
ragenden Vorsätzen
in seiner Hauptebene – die
insbesondere in entsprechende Aufnahmen der Vergussform passen – diese
Vergussform, während
der Rest der Schaltungsträgers
und damit auch die gesamte Schaltung selbst, die darauf untergebracht
ist, demgegenüber
zurücksteht
und damit einen Abstand zur Vergussform einnimmt und von dem späteren Vergusskörper vollständig umschlossen
wird.
-
Beim
Vergießen
des Schaltungsträgers
kann der spätere
Gehäusedeckel
für das
Außengehäuse als
Verschluss der Vergussform mit eingelegt und einseitig an dem Vergusskörper mit
angegossen werden, so dass das spätere Einsetzen des Vergusskörpers in
das Gehäuse
gleichzeitig den Deckel auf das Gehäuse aufsetzt in einem einzigen
Arbeitsschritt.
-
Der
Vergussstoff, der in aller Regel ein Kunststoff ist, kann ein lichtdurchlässiger,
insbesondere lichtdurchlässig
gefärbter,
Kunststoff sein, und zwar wenigstens über einen Teil des Vergusskörpers.
-
Dadurch
kann erreicht werden, dass auf der umgossenen Schaltung enthaltene
optische Elemente wie etwa Fotodioden oder Leuchtdioden von außen sichtbar
sind bzw. von außen
Licht erhalten, wenn an der entsprechenden Stelle später das
Gehäuse
ebenfalls zumindest durchsichtige Bereiche in Form eines Fensters
aufweist.
-
Zu
diesem Zweck kann die Vergussform auch abschnittsweise mit unterschiedlichen
Vergussstoffen, beispielsweise auch unterschiedlich gefärbten durchsichtigen
Vergussstoffen, gefüllt
werden.
-
Um
die auf die elektronischen Bauelemente übertragenen Spannungen zu reduzieren,
kann das Vergießen
auch mehrlagig erfolgen, insbesondere mit Vergussstoffen unterschiedlicher
Härte nach
dem Aushärten,
so dass in einem ersten Gießschritt
ein Vergießen
mit einem Stoff erfolgt, der nur bedingt aushärtet und relativ elastisch
bleibt, und in einem zweiten Schritt dieser umschlossen wird von
einem Material, welches bis zu einer höheren Festigkeit aushärtet.
-
Um
die Signale aus der elektronischen Schaltung über Kabel nach außen zu führen, wird
ein Kabel durch den Gehäusedeckel
bereits beim Vergießen
heraus geführt,
wobei in einer bevorzugten Ausführungsform
das Kabel mit seinem Kabelmantel zuvor durch das Innengewinde des
Durchlasses im Gehäusedeckel
hindurchgeschraubt wird, welches eine solche Dimension besitzt,
dass sich dieses Gewinde in den Kabelmantel von außen eingräbt und dadurch
eine Zugentlastung in Längsrichtung
vom Deckel auf den Kabelmantel und von dort auf das Kabel ausgeübt wird.
Dies erfolgt vor dem Verbinden der Leitungen des Kabels mit der
elektronischen Schaltung und dem anschließenden Vergießen von Schaltung
und durch den Gehäusedeckel
hindurchführenden
Kabel in der Vergussform.
-
Eine
andere Möglichkeit
ist das Anordnen eines Steckerverbinders in dem Deckel, dessen Kontakte
vor dem Vergießen
mit der elektronischen Schaltung verbunden werden und der beim Vergießen ebenso
wie der Gehäusedeckel
vorzugsweise einseitig mit angegossen wird.
-
Zur
Abdichtung des Vergusskörpers
gegenüber
dem Gehäuse
wird im Außenumfang
des Vergusskörpers
oder des Steckerverbinders, welcher das vordere Ende des Vergusskörpers darstellt,
oder des Gehäusedeckels
eine ringförmig
umlaufende Nut freigelassen, was insbesondere bei Herstellung des Vergusskörpers beim
Gießen
geschieht, und in diese Nut vor dem Einschieben in das umgebende
Gehäuse
ein O-Ring eingelegt und gegebenenfalls auf dem Außenumfang
des Vergusskörpers
zwischen dem obigen O-Ring und der nach außen vorstehenden Schulter des
Einschubteils aufgebracht, falls ein solcher vorhanden ist.
-
c) Ausführungsbeispiele
-
Ausführungsformen
gemäß der Erfindung sind
im Folgenden beispielhaft näher
beschrieben. Es zeigen:
-
1:
die Situation beim Stand der Technik,
-
2: eine erste Bauform des vergossen Bauteiles,
-
3 eine zweite Bauform des vergossen Bauteils,
-
4 eine dritte Bauform des vergossen Bauteils,
-
5 eine vierte Bauform des vergossen Bauteils
-
6 unterschiedliche Querschnittsformen des
Vergusskörpers,
und
-
7 eine
andere Gehäuseform.
-
1 zeigt
den Zustand beim Stand der Technik, wenn eine auf einem Schaltungsträger 2 untergebrachte
elektronische Schaltung 3 in das spätere Gehäuse 6 eingesetzt und
dort unmittelbar vollständig
vergossen wird, so dass der Vergusskörper 5 sowohl an den
Innenflächen
des Gehäuses 6 überall anliegt
als auch an der elektronischen Schaltung 3 und deren Schaltungsträger 2.
-
Treten
dann im Vergusskörper 5 temperaturbedingte
Dehnungen auf, so presst der Vergusskörper 5 von innen gegen
das Gehäuse 6,
welches sich nur begrenzt oder gar nicht mitdehnen kann, wodurch der
Druck des Vergusskörpers 5 auf
die elektronische Schaltung 3 erhöht wird und diese beschädigen kann,
insbesondere durch Abreißen
der Schaltungselemente vom Schaltungsträger 3, je nach dem
in welche Richtung die Druckkräfte
wirken.
-
Um
dies zu vermeiden, sind bei der erfindungsgemäßen Bauform gemäß 2 die am Besten im Längsschnitt der 2a ersichtlichen
Freiräume 7 zwischen
dem größten Teil
der Außenumfangsfläche des
Vergusskörpers 5 und
dem außen
umgebenen Gehäuse 6 vorhanden,
in die hinein sich bei einem Ausdehnen des Vergusskörpers 5 dessen
Material ausdehnen kann, so dass sich im Inneren der Druck gegen
die elektronische Schaltung 3 nicht erhöht.
-
Im
vorliegenden Fall ist das äußere Gehäuse 6 jeweils
ein schlankes, zylindrisches Gehäuse
mit einer oben offenen und unten geschlossenen Stirnseite, in welches
der in einer externen Vergussform hergestellte Vergusskörper 5 von
oben eingeschoben wird. Im Inneren des ebenfalls zylindrischen Vergusskörpers 5 verläuft in dessen
Längsrichtung
der Schaltungsträger 2,
meist ein Schaltungsträger,
auf dessen einer oder beiden Seiten die elektronischen Elemente
der elektronischen Schaltung 3 angeordnet und miteinander
verbunden sind.
-
Im
vorliegenden Fall ist der Schaltungsträger 2 T-förmig mit
einem Querschenkel in Einschubrichtung 21 am vorderen Ende,
auf dessen Außenfläche ebenfalls
eine elektronisches Element, in diesem Fall ein Chip 3', angeordnet
ist.
-
Die
Freiräume 7 werden
bewirkt, indem der Vergusskörper 5 über den
größten Teil
seiner Mantelfläche
einen deutlich geringeren Außenquerschnitt besitzt
als der Innenquerschnitt des Gehäuses 6,
jedoch aus dieser Mantelfläche
einzelne, z. B. halbkugelförmige
oder kegelige, also singuläre,
Erhebungen 14' über die
Mantelfläche
verteilt vorstehen, wie am besten in der Teilschnittdarstellung
der 2b und 2c ersichtlich.
-
In
diesem Fall sind die Erhebungen 14c kegelförmige, spitz
zulaufende Erhebungen, die in gleichmäßigen Reihen und entlang von
Umfangslinien angeordnet sind. Der Gesamtanteil der Erhebungen an
der Mantelfläche
beträgt
jedoch weniger als 10% insbesondere weniger als 5%.
-
Auf
der in Einschubrichtung vorderen Stirnfläche befinden sich am Außenumfang
ebenfalls über den
Umfang verteilt entweder mehrere punktuelle Erhebungen in 14' oder ein ringförmig umlaufender,
in axialer Richtung vorstehender linienförmige Abstandsring 9,
so dass in der Mitte der Stirnfläche
eine Absenkung des Vergusskörpers 5 entsteht
und bei Anlage an den planen Boden im Inneren des Gehäuses 6 nur
die Erhebungen 14' bzw. 9 dort
anliegen. Vorzugsweise ist dort der in der Schaltung angeordnete
Chip 3' dennoch
von einer dünnen
Schicht des Materials des Vergusskörpers 5 abgedeckt.
-
Das
Gehäuse 6 besitzt
auf seinem Außenumfang
ein sich über
die gesamte Länge
erstreckendes Außengewinde 22,
welches der Befestigung an einem Bauteil der Umgebung, insbesondere
durch Einschrauben in ein dortiges, nicht dargestelltes Innengewinde
und Fixieren mittels Muttern, dient.
-
Am
oberen, ursprünglich
offenen, Ende des Gehäuses 6 ist
dieses nunmehr von einem Steckerverbinder 13 verschlossen,
welcher topfförmig
ausgebildet ist und mit seiner Mantelfläche dicht im Inneren des Gehäuses 6 anliegt
und dort insbesondere beim Einschieben verklebt wurde.
-
Die
Steckerbuchse 13 weist an ihrem hinteren freien Ende eine
nach außen
weisende Schulter 16 auf, die an der freien Stirnseite
des Gehäuses 6 anliegt.
-
Da
die Steckerbuchse 13 bereits beim Vergießen der
Schaltung 3 mit dieser verbunden war und zusammen mit dieser
in die Vergussform eingelegt war, liegt der Vergusskörper 5 an
der Rückseite
der topfförmigen
Steckerbuchse 13 an und ist mit dieser beim Vergießen verklebt
worden, und um diese Verklebung zu verbessern erstrecken sich die
Außenwände der
Steckerbuchse über
ihre rückwärtige Stirnseite
hinaus axial weiter vorwärts.
-
In
dem topfförmigen
Inneren der bezüglich des
Gehäuses 6 nach
außen
gewandten Vorderseite der Steckerbuchse 13 befinden sich
wie üblich
die Steckkontakte zum Aufstecken eines Gegenelementes.
-
3 zeigt eine zweite Bauform, die sich von
derjenigen der 2 dadurch unterscheidet, dass
die singulären
Erhebungen 14' einen
eher halbkugelförmigen Querschnitt
besitzen und damit nach dem Einschieben in das Gehäuse 6 mit
einer größeren Fläche als
die Spitzen der kegeligen Erhebungen bei 2 an
der Innenfläche
des Gehäuses 6 anliegen.
Dies erschwert zwar etwas das Einschieben des Vergusskörpers, da
jedoch wegen der größeren Anlagefläche die
Erhebungen 14' weniger
leicht in radialer Richtung zusammengepresst werden können, als
die spitzen Erhebungen in 2, ergibt
dies eine z. B. gegen Erschütterung
in radialer Richtung stabilere Aufnahme des Vergusskörpers 5 im
Gehäuse 6.
-
4 zeigt eine Bauform, bei der die Erhebungen
auf der Mantelfläche
des Vergusskörpers 5 linienförmige Erhebungen 14 sind,
die als radial umlaufend ausgebildete ringförmige Erhebungen 14 in axialer
Richtung beanstandet und verteilt über die Länge des Vergusskörpers 5 vorhanden
sind. Die streifenförmigen
Erhebungen 14 besitzen einen spitz zulaufenden, dreieckigen
Querschnitt.
-
Im Übergangsbereich
zwischen Mantelfläche
und unterer, vorderer Stirnfläche
des Vergusskörpers
ragt eine ringförmig
umlaufende linienförmiger
Abstandsring 9 diagonal nach außen und besitzt dabei vorzugsweise
keinen dreieckigen, sondern eine vorzugsweise viereckigen Querschnitt,
so dass dessen Außenkanten
einerseits am Innenumfang des Gehäuses 6 und andererseits
am Boden des Gehäuses 6 anliegen.
-
Da
die linienförmigen
Erhebungen 14 sich somit quer zur Einschubrichtung 21 des
Vergusskörpers 5 in
das Gehäuse 6 erstrecken,
stellen sie beim Einschieben einen relativ hohen Widerstand dar,
wirken aber danach zusätzlich
zu der abdichtenden Anordnung eines Gehäusedeckels in der offenen Seite des
Gehäuses 6 als
weitere Barrieren gegen das Vordringen von Feuchtigkeit in Richtung
Boden des Gehäuses 6,
falls die Abdichtung des Gehäusedeckels, z.
B. in Form der Steckerbuchse 13, versagen sollte.
-
Dies
ist bei den Bauformen der 5 und 6 nicht der Fall, jedoch ist dabei das
Einschieben mit weniger Widerstand verbunden, da hier die streifenförmigen Erhebungen 14 in
Längsrichtung 10 auf
der Mantelfläche
des Vergusskörpers 5 angeordnet
sind und sich entlang dessen gesamter Länge erstrecken. Der Abstand der
Stirnfläche
zum Boden des Gehäuses 6 ist
wiederum durch entsprechende punktuelle oder ringförmige umlaufende
Erhebungen 14'. 9 sichergestellt.
-
Derartige
entlang der Längsrichtung 10 der Mantelfläche streifenförmig verlaufende
Erhebungen 14 sind am einfachsten erzielbar, wenn der Querschnitt
des Vergusskörpers 5 eine
polygone Form darstellt, der so dimensioniert ist, dass seine Außenkanten
an dem zylindrischen Innenumfang des Gehäuses 6 nach dem Einschieben
kontaktierend anliegen.
-
Je
nachdem wie groß die
zu schaffenden Freiräume 7 sein
sollen, wird die Anzahl der Polygonzüge gewählt und die Polygonlinien sind
gerade oder – wenn
die Freiräume
größer werden
sollen – konkav ballig
gebogen, wie in 5a bei einem achteckigen Querschnitte
des Vergusskörpers 5 dargestellt.
-
Wie
der Vergleich mit 6a zeigt, sind bei einem geraden
achteckigen polygonen Querschnitt die Freiräume 7 bereits wesentlich
geringer.
-
Die
Freiräume
der achteckigen konkaven Querschnittsform des Vergusskörpers 5 der 5a sind
von ihrer Größer her
eher vergleichbar mit der in 6c dargestellten
nur sechseckigen Querschnittsform mit geraden Außenflächen.
-
Demgegenüber zeigt 6b eine
Lösung, bei
der der Vergusskörper 5 ein
im Querschnitt quadratischer Körper
ist, wodurch sehr große
Freiräume zum
Gehäuse 6 erzielt
werden, jedoch auch die Abstützung
z. B. gegen Vibrationen in radialer Richtung geringer ist.
-
Dementsprechend
wird die Wahl der Polygonform des Vergusskörpers 5 als auch der
geraden oder konkaven Form der Außenflächen des Vergusskörpers 5 abhängig vom
späteren
Einsatz des Sensors festgelegt werden.
-
7 ist
ferner ein Beispiel dafür,
dass weder das Gehäuse
noch der Vergusskörper
einen rotationssymmetrischen Querschnitt aufweisen müssen, sondern dies
auch bei quaderförmigen
sowie allen anderen Formen von Sensoren und Gehäusen anwendbar ist.
-
- 1
- Sensors
- 2
- Schaltungsträger
- 3
- elektronische
Schaltung
- 3'
- Chip
- 4
- Vergussform
- 5
- Vergusskörper
- 5a
- Stirnfläche
- 6
- Gehäuse
- 6a
- Öffnung
- 6b
- Boden
- 7
- Freiraum
- 8
- Schulter
- 9
- Abstandsring
- 10
- Längsrichtung
- 11
- Kabel
- 11'
- Kabelmantel
- 11a,
b
- Leitung
- 12
- Durchlass
- 13
- Steckerverbinder
- 14
- streifenförmige Erhebung
- 14'
- singuläre Erhebung
- 15
- Außengewinde
- 16
- Schulter
- 17
- Ringnut
- 18
- O-Ring
- 19
- Verklebung
- 19'
- Kleber
- 20
- Druckspannung
- 21
- Einschubrichtung
- 22
- Außengewinde