DE102010038294A1

DE102010038294A1 - Elektronische Baugruppe mit einem von einer Vergussmasse umschlossenen Bauteil und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102010038294A1
Application number: DE102010038294A
Authority: DE
Inventors: Christian Seiler; Marc Fiedler; Jan Stickelberger
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-01-26
Also published as: WO2012010469A1

Abstract

Um bei einer elektronischen Baugruppe (10) mit verschiedenen elektronischen Bauteilen (12, 18) auf einer Leiterplatte wenigstens partiellen Schutz gegenüber schädlichen Umwelteinflüssen herzustellen, wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein zu schützendes Bauteil (18) mit einer einer Vergussmasse zu umschliessen, die wiederum von einem Vergussrahmen (20) umgeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe mit einem von einer Vergussmasse umschlossenen Bauteil und Verfahren zu deren Herstellung.
Elektronische Baugruppen, also aus mehreren und üblicherweise verschiedenen elektronischen Bauteilen bestehende, auf eine Leiterplatte gelötete Schaltungen sind zunehmend Umwelteinflüssen ausgesetzt und müssen auch vor anderen schädlichen äußeren Einflüssen geschützt werden. In verschiedenen Anwendungen ist zudem erforderlich, in der Baugruppe beim Betrieb entstehende Wärme abzuführen und sonstige Einflüsse der Baugruppe auf die Umwelt zu verhindern. So dürfen die Materialien der elektronischen Bauteile der Baugruppe im Betrieb nicht mit der umgebenden Gasatmosphäre reagieren oder schädliche Stoffe in die Umgebungsluft abgeben.
Es ist bekannt, aus den genannten Gründen Leiterplatten mit solchen Baugruppen nach ihrer Fertigstellung zu lackieren oder mit einem geeigneten Überzug zu versehen. Als Lacke dieser Art werden meist Einkomponenten-Kunstharz-Lacke verwendet. Zur Vereinfachung werden solch großflächigen Beschichtungen der Leiterplatte und der darauf befindlichen Bauteile üblicherweise in einem Tauchbad realisiert oder durch Automaten im Sprühverfahren aufgebracht. Eine solche Lackierung einer Baugruppe dient als Feuchtigkeits- und Korrosions-Schutz für die Leiterplatte und die darauf gelöteten Bauteile.
Es ist auch bekannt, komplette elektronische Baugruppen zu vergießen, wobei ein solcher Verguss großflächig mit Dispensern, teilweise sogar mit Handdispensern, aufgebracht wird. Üblicherweise werden als Vergussmasse Zweikomponenten-Kunststoffe verwendet, deren Fließverhalten und Aushärtezeit wie gewünscht eingestellt werden kann.
Ein Einsatz der besagten elektronischen Baugruppen in explosionsgefährdeten Bereichen richtet sich nach den gesetzlichen Bestimmungen. Wenn die Baugruppe sicherheitsrelevante Bauteile wie z. B. solche, die sich im Betrieb stark erwärmen oder in die Gas aus der Umgebung eindringen könnten, aufweist, ist eine Lackierung der Baugruppe häufig nicht hinreichend.
Zunehmend werden beim so genannten HOTMELT-Verfahren auch thermoplastische Kunststoffe als Vergussmasse eingesetzt, mit denen beispielsweise Stecker oder Kabel umspritzt werden, um sonst dafür verwendete einzelne Gehäuse zu ersetzen. Solche thermoplastischen Kunststoffe sind auch als Heißkleber bekannt. Das HOTMELT-Verfahren arbeitet mit Gießformen, also Matrizen, die die zu umgießenden Stecker- oder Kabelabschnitte vollständig umschließen und aufnehmen. Ein vollständiges Umgießen einer elektronischen Baugruppe nach dem HOTMELT-Verfahren ist im Vergleich zum oben geschilderten Zweikomponenten-Verguss zu aufwendig und zu teuer.
Bei manchen Baugruppen ist ein vollständiger, blockartiger Verguss der gesamten Baugruppe, sei es mit Zweikomponenten-Vergussmasse, sei es nach dem HOTMELT-Verfahren nicht möglich und sinnvoll, wenn die Baugruppe Bauteile aufweist, die nicht vergossen oder von der Vergussmasse überdeckt werden dürfen, wie z. B. mechanisch arbeitende Bauteile wie Taster oder optische Anzeigen wie z. B. LEDs. Falls in einem solchen Fall jedoch ein Verguss gewünscht oder erforderlich ist, werden komplexe und teure Baugruppen-spezifische Vergussrahmen für jede dieser Baugruppen benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Baugruppe mit verschiedenen elektronischen Bauteilen auf einer Leiterplatte anzugeben und zu schaffen, die mit einem auf einfache Weise herzustellenden, wenigstens partiellen Schutz gegenüber schädlichen Umwelteinflüssen ausgestattet ist.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch eine elektronische Baugruppe von verschiedenen elektronischen Bauteilen auf einer Leiterplatte, wovon wenigstens ein Bauteil von einer Vergussmasse umschlossen ist, die wiederum von einem Vergussrahmen umgeben ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe ist die Seite der Leiterplatte, auf der sich der Vergussrahmen befindet, mit einem Lack überzogen.
Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe weist der Vergussrahmen Abstandsnippel zur geeigneten Positionierung um das Bauteil auf.
Bei noch einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe ist die Vergussmasse ein bei der Verarbeitung thermoplatischer Kunststoff.
Bei wieder einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe ist das von der Vergussmasse umschlossene Bauteil ein für eine Ex-Schutz-Zulassung der Baugruppe relevantes Bauteil.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe ist das von der Vergussmasse umschlossene Bauteil ein SMD-Bauteil.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe sind mehrere von der Vergussmasse umschlossene Bauteile von einem gemeinsamen Vergussrahmen umgeben.
Bei wieder einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe ist der Vergussrahmen durch den Lack auf der Leiterplatte befestigt.
Die oben genannte Aufgabe wird außerdem nach der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Umschließung wenigstens eines Bauteils einer auf eine Leiterplatte gelöteten elektronischen Baugruppe mit einer Vergussmasse mit folgenden Verfahrensschritten:

– lackieren einer mit verschiedenen elektronischen Bauteilen bestückten Seite einer Leiterplatte;
– einsetzen eines Vergussrahmens in den Lack, derart, dass der Vergussrahmen wenigstens ein Bauteil umgibt, das danach mit Vergussmasse umschlossen werden soll;
– aushärten des Lackes und damit fixieren des Vergussrahmens;
– einfüllen von Vergussmasse in den Vergussrahmen; und
– aushärten der Vergussmasse.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein bei seiner Verarbeitung themoplastischer Kunststoff als Vergussmasse verwendet.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das von der Vergussmasse umschlossene Bauteil ein für eine Ex-Schutz-Zulassung der Leiterplatte relevantes Bauteil.
Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das von der Vergussmasse zu umschließende Bauteil ein SMD-Bauteil ist.
Bei noch einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrere von der Vergußmasse zu umschließende Bauteile von einem gemeinsamen Vergußrahmen umgeben.
Der große Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie für all solche Baugruppen verwendet werden kann, wo ein großflächiger bzw. großvolumiger Verguss der gesamten Baugruppe nicht erwünscht oder nicht möglich ist. Damit können – und müssen – nur die Bauteile einer Baugruppe umschlossen und vergossen werden, für die ein Verguss unumgänglich ist, sei es aus Korrosionschutzgründen, zur Wärmeableitung oder um den Vorschriften zum Explosionsschutz zu genügen. Dadurch erübrigen sich teure und komplexe Vergussformen, die Baugruppen-spezifisch angefertigt müssen.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann der Vergussrahmen auf einfache Weise mit einem Lack auf der Baugruppe befestigt werden, so dass er gegenüber der Leiterplatte abgedichtet ist.
Der Vergussrahmen selbst ein Bauteil-spezifisches Produkt und daher als Standard- und Massenartikel preiswert herzustellen und zu beziehen.
Die Erfindung wird nachfolgend und unter Verweis auf die beigefügte Zeichnung genauer erläutert und beschrieben. Dabei zeigen:
1: eine Ausführungsform einer elektronischen Baugruppe nach der Erfindung in einer Draufsicht;
2: die elektronische Baugruppe nach 1 in einer perspektivischen Draufsicht in leicht vergrößertem Maßstab;
3: ein Vergussrahmen für die Baugruppe nach den 1 und 2 in einer Draufsicht;
4 der Vergussrahmen nach 3 in einer Schnittdarstellung entlang der in 3 mit IV-IV bezeichneten Schnittlinie;
5 die Baugruppe nach den 1 und 2 mit vergossenen, sicherheitsrelevanten Bauteil in einer Draufsicht; und
6 die Baugruppe nach 5 in einer perspektivischen Draufsicht in leicht vergrößertem Maßstab.
Zur Vereinfachung und zum besseren Verständnis werden in den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen der Erfindung gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente, Bauteile und Module verwendet.
In den 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel der elektronische Baugruppe 10 nach der Erfindung dargestellt. Diese Baugruppe 10 umfasst verschiedene elektronischen Bauteile 12, die bereits nach einem üblichen Verfahren auf eine Leiterplatte 14 gelötet wurden. Zur Vereinfachung ist hier nur eine Seite 16 der Leiterplatte 14 dargestellt, wobei die Leiterbahnen nicht gezeigt werden. Diese Seite 16 der Leiterplatte 14 ist nach dem Löten der Bauteile 12 vorzugsweise bereits mit einem an sich bekannten Lack überzogen worden, üblicherweise einem Schutzlack gegen Feuchtigkeit und Korrosion der der Leiterbahnen und der Bauteile 12.
Die 1 und 2 zeigen neben den Bauteilen 12 auch ein einzelnes spezielles, für eine Ex-Schutz-Zulassung der Baugruppe 10 relevantes oberflächenmontiertes SMD-Bauteil auf der Leiterplatte. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dieses sicherheitsrelevante Bauteil 18 eine Sicherung, die für eine Ex-Schutz-Zulassung der Baugruppe 10 von einem Gehäuse umgeben oder vergossen sein muss. Neben einer solchen Sicherung gibt es auch andere sicherheitsrelevante Bauteile bei anderen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen für eine Ex-Schutz-Zulassung der betreffenden Baugruppe ein Verguss erforderlich sein kann, um die beim Betrieb dieser Bauteile entstehende Wärme abzuführen und auf einen vorgeschriebenen Wert zu reduzieren.
Die 1 und 2 veranschaulichen einen Zustand vor dem Verguss des sicherheitsrelevanten Bauteils 18. Das sicherheitsrelevante Bauteils 18 ist bereits von einem Vergussrahmen 20 umgeben, der direkt nach dessen Auftrag auf die Leiterplatte 14 und die Baugruppe 10 in den Lack eingesetzt wurde. Nach Aushärten des Lackes ist der Vergussrahmen 20 sicher auf der Leiterplatte 14 und fixiert. Gleichzeitig wird dadurch ein Zwischenraum im Innern des Vergussrahmens 20 zwischen einer Innenwand des Vergussrahmens 20 und dem sicherheitsrelevanten Bauteil 18 so abgedichtet, dass keine Vergussmasse aus dem Rahmen auslaufen kann.
Zur besseren Erläuterung veranschaulichen die 3 und 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vergussrahmen 20 in gegenüber der Darstellung der 1 und 2 vergrößertem Maßstab. 3 ist eine Draufsicht und 4 eine Schnittdarstellung des Vergussrahmens 20, wobei bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel innen im Vergussrahmen 20 Abstandsnippel 22 vorgesehen sind. Diese Abstandsnippel 22 sollten derart geformt sein, dass der Vergussrahmen 20 auf das Bauteil 18 (siehe 1 und 2) gesteckt und dort fest aufgeschnappt werden kann. Über eine Höhe h des Vergussrahmens 20 wird entsprechend den Vorschriften zur Ex-Schutz-Zulassung die erforderliche Höhe der Vergussmasse über dem sicherheitsrelevanten Bauteils 18 bestimmt. Zum anderen wird über eine Tiefe t der Abstandsnippel 22 eine nach den Vorschriften zur Ex-Schutz-Zulassung erforderliche seitliche Dicke der Vergussmasse um das Bauteil 18 herum eingestellt.
In den 3 und 4 sind im Innern des Vergussrahmens 20 beispielhaft vier Abstandsnippel 22 dargestellt. Es ist klar, dass je nach Größe und Form des zu vergießenden sicherheitsrelevanten Bauteils 18 auch weniger oder mehr Abstandsnippel 22 verwendet werden können.
Es ist außerdem klar, dass sich die Erfindung neben dem in den 1, 2, 5 und 6 beispielhaft dargestellten, einzelnen sicherheitsrelevanten und daher vergossenen SMD-Bauteil auch für andere einzelne Bauteile, die vergossen werden sollen, eignet. Darüber hinaus ist es auch denkbar, mehrere zu vergießende Bauteile benachbart anzuordnen und mit einem gemeinsamen Vergussrahmen zu umgeben, so dass sie anschließend in einem Block vergossen werden können. Auch in diesen Fällen erscheint es am Einfachsten, den entsprechenden Vergussrahmen 20, wie oben beschrieben, in einen auf die Leiterplatte 12 und die Baugruppe 10 aufgebrachten Lack einzusetzen und damit zu fixieren.
Zur Vervollständigung ist in den 5 und 6 die aus den 1 und 2 bekannte Baugruppe 10 mit dem vergossenen sicherheitsrelevanten Bauteil 18 veranschaulicht. Der Vergussrahmen 20 ist mit der Vergussmasse gefüllt, sicherheitsrelevanten Bauteil 18 von der Vergussmasse umschlossen.
Als Vergussmasse eignen sich an sich alle von den Vorschriften zur Ex-Zulassung genehmigten Vergussmassen. Vorzugweise wird jedoch nach der Erfindung ein thermoplatischer Kunststoff als Vergussmasse verwendet. Derartige thermoplastischen Kunststoffe sind beispielsweise als so genannte ”Hotmelt”-Klebstoffe bekannt, die zum Umspritzen von Kabeln oder einzelnen Steckern genutzt werden. Für die Erfindung eignen sich dabei sowohl dauerhaft thermoplastische Klebstoffe auf einer Basis von Ethylen-Vinyl-Acetat, Polyester oder Polyamid als auch so genannte ”reaktive” Hotmelt-Klebstoffe, die zwar beim Vergießen thermoplastische Eigenschaften aufweisen, aber bei ihrer Aushärtung ihre thermoplastischen Eigenschaften verlieren.
Wie bereits oben beschrieben ermöglicht die Erfindung auf einfache Weise, wenigstens eines Bauteil 18 der auf die Leiterplatte 14 gelöteten elektronischen Baugruppe 10 mit einer Vergussmasse zu umschließen. Nachdem Lackieren der mit verschiedenen elektronischen Bauteilen 12, 18 bestückten Seite 16 der Leiterplatte 14 wird vor dem Aushärten des Lackes der Vergussrahmen um das sicherheitsrelevante Bauteil in den Lack gesetzt. Nach dem Aushärten des Lackes und der damit verbundenen Fixierung des Vergussrahmens 20 wird Vergussmasse in den Vergussrahmen 20 eingefüllt, so dass das Bauteil 18 in gewünschter Weise von der Vergussmasse umschlossen ist. Anschließend lässt man die Vergussmasse in bekannter Weise aushärten.

Claims

Elektronische Baugruppe (10) von verschiedenen elektronischen Bauteilen (12, 18) auf einer Leiterplatte (14), wovon wenigstens ein Bauteil (18) von einer Vergussmasse umschlossen ist, die wiederum von einem Vergussrahmen (20) umgeben ist.
Baugruppe (10) nach Anspruch 1, bei der die Seite (16) der Leiterplatte (14), auf der sich der Vergussrahmen (20) befindet, mit einem Lack überzogen ist.
Baugruppe (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Vergussrahmen (20) Abstandsnippel (22) zur geeigneten Positionierung um das (18) Bauteil aufweist.
Baugruppe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Vergussmasse ein bei der Verarbeitung thermoplatischer Kunststoff ist.
Baugruppe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das von der Vergussmasse umschlossene Bauteil (18) ein für eine Ex-Schutz-Zulassung der Baugruppe (10) relevantes Bauteil ist.
Baugruppe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das von der Vergussmasse umschlossene Bauteil (18) ein SMD-Bauteil ist.
Baugruppe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der mehrere von der Vergussmasse umschlossene Bauteile von einem gemeinsamen Vergussrahmen (20) umgeben sind.
Baugruppe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Vergussrahmen (20) durch den Lack auf der Leiterplatte (14) befestigt ist.
Verfahren zur Umschließung wenigstens eines Bauteils (18) einer auf eine Leiterplatte (14) gelöteten elektronischen Baugruppe (10) mit einer Vergussmasse mit folgenden Verfahrensschritten: – lackieren einer mit verschiedenen elektronischen Bauteilen (12, 18) bestückten Seite (16) einer Leiterplatte (14); – einsetzen eines Vergussrahmens (20) in den Lack, derart, dass der Vergussrahmen (20) wenigstens ein Bauteil (18) umgibt, das danach mit Vergussmasse umschlossen werden soll; – aushärten des Lackes und damit Fixieren des Vergussrahmens (20); – einfüllen von Vergussmasse in den Vergussrahmen (20); und – aushärten der Vergussmasse.
Verfahren nach Anspruch 9 mit einem bei seiner Verarbeitung themoplastischen Kunststoff als Vergussmasse.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das von der Vergussmasse zu umschließende Bauteil (18) ein für eine Ex-Schutz-Zulassung der Leiterplatte (14) relevantes Bauteil ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem das von der Vergussmasse umschlossene Bauteil (18) ein SMD-Bauteil ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem mehrere von der Vergussmasse umschließende Bauteile von einem gemeinsamen Vergussrahmen (20) umgeben sind.