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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronikeinheit mit mindestens einer Leiterplatte, auf welcher elektrische Bauteile angeordnet sind, und mit mindestens einer Abschirmung zum Schutz zumindest eines Teilbereichs der Leiterplatte vor elektromagnetischer Strahlung. Derartige Elektronikeinheiten kommen in einer Vielzahl elektrotechnischer Geräte zum Einsatz, insbesondere zur Abschirmung hochfrequenter Strahlung. Beispielsweise besitzen Radarmessgeräte zur Füllstandsbestimmung Leiterplatten mit HF-Abschirmung.
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Um die Funktionsfähigkeit elektrotechnischer Geräte sicherzustellen, werden gegenüber Störfeldern empfindliche Komponenten in der Regel von einer Abschirmung umgeben. Insbesondere in der Hochfrequenztechnik ist dies wichtig. Mit Hochfrequenz wird im Folgenden der Frequenzbereich zwischen ca. 3 MHz und 300 GHz bezeichnet. Die Abschirmung besteht meist aus einem metallischen Blech oder zumindest einem metallischen Rahmen und schützt darüber hinaus auch die Umgebung oder benachbarte Bauteile vor von den elektrischen Bauteilen erzeugten Feldern. In der Regel wird die Abschirmung auf die mit den elektrischen Bauteilen bestückte Leiterplatte aufgelötet oder aufgeklebt.
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In der Hochfrequenztechnik kommen viele keramische Bauteile zum Einsatz. Diese sind, insbesondere wenn sie nicht durch ein übliches Epoxyd-Gehäuse geschützt werden können, anfällig für Beschädigung bei mechanischer Belastung. Eine derartige mechanische Belastung besteht beispielsweise beim Einbau einer mit den Bauteilen bestückten Leiterplatte in ein Gehäuse. Übliche Abschirmungen schützen nicht hinreichend vor Verwindungen und anderen mechanischen Belastungen, da sich Metallbleche verbiegen, Lötstellen abschälen oder Klebeverbindungen lösen können, sodass Kräfte auf die Bauteile wirken. Dies kann zur Beschädigung empfindlicher Bauteile und zum Ausfall der Funktion der kompletten Elektronik führen.
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Die
DE 197 36 208 C1 offenbart eine elektromagnetische Abdichtung einer Fuge zwischen einem Schirmgehäuse und einer Leiterplatte. Dafür weist eine Massebahn der Leiterplatte Aussparungen und das Schirmgehäuse passende Noppen auf.
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Der
DE 102 24 221 A1 lassen sich ebenfalls Ausführungen zu einem Abschirmelement entnehmen, wobei eine Leitgummidichtung verwendet wird, um einzelne voneinander getrennte Kammern zu erhalten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Elektronikeinheit mit einer Abschirmung für eine Leiterplatte bereit zu stellen, welche nicht nur einen Schutz vor elektromagnetischer Strahlung darstellt, sondern darüber hinaus empfindliche Bauteile vor mechanischer Belastung schützt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Elektronikeinheit mit mindestens einer Leiterplatte, auf welcher elektrische Bauteile angeordnet sind und welche mindestens zwei Bohrungen zur Aufnahme von Bolzen aufweist, mit mindestens einer Abschirmung zum Schutz zumindest eines Teilbereichs der Leiterplatte vor elektromagnetischer Strahlung, wobei die Abschirmung aus einem zumindest abschnittsweise metallisierten Kunststoff gefertigt ist und mindestens zwei Bolzen aufweist, welche derart ausgestaltet sind, dass sie durch Einpressen in die Bohrungen in der Leiterplatte einbringbar sind, und mit einem elektrisch leitfähigen Kontaktelement, welches derart zwischen der Abschirmung und der Leiterbahn anordenbar ist, dass nach dem Einpressen der Bolzen in die Bohrungen ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen einer auf der Leiterplatte aufgebrachten Kontaktleiterbahn und der Abschirmung hergestellt ist.
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Erfindungsgemäß ist eine Abschirmung aus metallisiertem Kunststoff mittels einer Softlockverbindung auf der Leiterplatte aufgebracht. Es können auch mehrere Teilbereiche der Leiterplatte jeweils von einer Abschirmung bedeckt sein. In einer Ausgestaltung weist die Leiterplatte beidseitig Abschirmungen auf, wobei mindestens die Abschirmung, welche die Bauteile überdeckt, erfindungsgemäß mit Bolzen befestigt ist. Die auf der anderen Seite der Leiterplatte befindliche Abschirmung kann auch geklebt oder gelötet sein. Die Abschirmung ist voll oder abschnittsweise metallisiert; beispielsweise ist nur die der Leiterplatte zugewandte Innenseite der Abschirmung metallisiert. Die Bolzen können ebenfalls metallisiert sein.
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Durch die in entsprechende Bohrungen in der Leiterplatte eingepressten Bolzen ist nicht nur eine stabile Verbindung zwischen der Abschirmung und der Leiterplatte hergestellt, sondern zudem die Leiterplatte selbst stabilisiert. Die Abschirmung stellt für die Leiterplatte einen Verwindungsschutz bei mechanischer Beanspruchung dar. Die auf der Leiterplatte aufgebrachten Bauteile sind somit vor Beschädigungen durch eine Verwindung der Leiterplatte oder sonstige durch die Leiterplatte übertragene Krafteinwirkung geschützt. Insbesondere in der Radar- oder Hochfrequenztechnik häufig zum Einsatz kommende keramische Bauteile profitieren von einem derartigen Schutz.
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In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Kontaktelement derart ausgestaltet und verpresst, dass es den unter der Abschirmung befindlichen Bereich der Leiterplatte gegenüber einem außerhalb der Abschirmung liegenden Bereich der Leiterplatte flüssigkeitsdicht trennt.
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In einer hiermit verbundenen Weiterbildung besteht das Kontaktelement aus Leitgummi; insbesondere handelt es sich um einen Ring oder Ringabschnitt aus Leitgummi. Das Kontaktelement stellt zum einen die elektrische Verbindung zwischen der Abschirmung und der zur Erdung der Abschirmung auf der Leiterplatte vorgesehenen Kontaktleiterbahn und zum anderen eine vergussdichte Verbindung zwischen Abschirmung und Leiterplatte her. Zum Schutz vor Spannungsbrücken werden die elektrischen Bauteile oftmals mit einer Vergussmasse vergossen. Beispielsweise wird die bestückte Leiterplatte in ein Gehäuse eingebracht und dieses mit Vergussmasse befüllt. Insbesondere in der Hochfrequenztechnik kommen jedoch auch Bauteile zum Einsatz, welche kein Schutzgehäuse aufweisen und nicht vergossen werden dürfen, da die Vergussmasse die Funktion der Bauteile stören würde. Ein Beispiel für derartige Bauteile sind HEMTs oder bestimmte Dioden. Herkömmliche Abschirmungen sind nicht vergussdicht auf der Leiterplatte aufgebracht, sodass bei einem Verguss der außerhalb der Abschirmung angeordneten Bauteile nicht gewährleistet ist, dass die unter der Abschirmung liegenden Bauteile frei von Vergussmasse bleiben. Durch die Ausgestaltung des Kontaktelements als bevorzugt aus Leitgummi bestehende Dichtung wird ein Eindringen von Vergussmasse in den unter der Abschirmung liegenden Bereich verhindert. Durch die Verpressung mittels der Bolzen ist gewährleistet, dass das Kontaktelement jederzeit einen für die zuverlässige Abdichtung und elektrische Kontaktierung ausreichenden Anpressdruck erfährt.
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In einer Ausgestaltung weist die Abschirmung eine Nut zur Aufnahme des Kontaktelements auf.
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Gemäß einer Ausgestaltung weisen die Bolzen mindestens ein Halteelement auf. Bevorzugt weist ein Bolzen drei Halteelemente auf. Vorteilhaft sind mehrere Halteelemente derart ausgebildet, dass zwei benachbarte Halteelemente jeweils den gleichen Abstand zueinander aufweisen. Die Halteelemente dienen der verbesserten Haftung der Bolzen in der Bohrung und dem einfacheren Einbringen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Halteelement als Steg oder Rastnase ausgeführt. Unter einem Steg ist eine längliche Erhebung entlang des im Wesentlichen zylindrischen Bolzens zu verstehen, dessen Längsachse mit der Längsachse des Bolzens übereinstimmt. Bevorzugt ist die Abschirmung mit den Bolzen und Halteelementen als Spritzgussteil gefertigt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Bohrungen metallisiert. Sind die Bohrungen durchgängig ausgeführt, handelt es sich also um Durchkontaktierungen. Die Bohren können je nach Dicke der Leiterplatte auch als Sacklochbohrung ausgeführt sein. Sind die Bolzen ebenfalls metallisiert, bewirkt die Verbindung zwischen den Bolzen und den Durchkontaktierungen einen zusätzlichen elektrischen Kontakt zu dem über das Kontaktelement hergestellten Kontakt.
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In einer Ausgestaltung weist die Elektronikeinheit ein Gehäuse auf, in welches die Leiterplatte vergießbar einbringbar ist.
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In einer Ausgestaltung weist die Leiterplatte Hochfrequenzbauteile auf. Unter Hochfrequenzbauteilen sind elektrische Bauteile zu verstehen, welche hochfrequente Signale erzeugen oder verarbeiten. Zumindest ein Teil der Hochfrequenzbauteile ist von der Abschirmung bedeckt.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Radarmessgerät zur Bestimmung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter, welches eine erfindungsgemäße Elektronikeinheit aufweist. Zur Erzeugung eines Radarsignals sind einige Hochfrequenzbauteile erforderlich. Zumindest die Bauteile, welche der Signaleinkopplung an die Antenne dienen, sind von der Abschirmung bedeckt und vor Störfeldern und mechanischer Belastung geschützt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die 1 und 3b sind schematische Skizzen und nicht maßstabsgetreu dargestellt.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Leiterplatte zur Verbindung mit einer Abschirmung nach 2;
- 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Abschirmung;
- 3a zeigt einen Schnitt durch die Abschirmung in der Ebene A-A;
- 3b zeigt einen Schnitt durch einen Bolzen in der Ebene B-B.
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In 1 ist eine Leiterplatte 1 einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit schematisch dargestellt. Zur besseren Übersicht wird auf die Darstellung konkreter elektrischer Bauteile und Leiterbahnen verzichtet. Schematisch sind gegenüber elektromagnetischer Strahlung, insbesondere hochfrequenter Strahlung, empfindliche Bauteile 13 in einem ersten Bereich der Leiterplatte 1 und unempfindliche Bauteile 14 in einem zweiten Bereich der Leiterplatte 1 dargestellt. Die Elektronikeinheit kann eine oder mehrere derartige Leiterplatten 1 aufweisen, wobei bevorzugt alle elektrischen Bauteile auf einer einzigen Leiterplatte 1 angeordnet sind. Eine weitere Komponente der erfindungsgemäßen Elektronikeinheit ist z.B. ein Gehäuse, in welches die Leiterplatte 1 vorzugsweise vergießbar einbringbar ist. Auf die Leiterplatte 1 ist eine in 2 dargestellte Abschirmung 2 aufbringbar, welche insbesondere hochfrequente elektromagnetische Strahlung abschirmt. Die Abschirmung 2 bedeckt zumindest einige der empfindlichen Bauteile 13.
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Zur Befestigung der Abschirmung 2 an der Leiterplatte 1 sind Bohrungen 11 in die Leiterplatte 1 eingebracht, in welche die Bolzen 21 der Abschirmung 2 einpressbar sind. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Leiterplatte 1 vier Durchkontaktierungen auf. In einer anderen Ausgestaltung sind die Bohrungen 11 durchgängig, jedoch nicht metallisiert. In einer wieder anderen Ausgestaltung sind die Bohrungen 11 als Sacklöcher ausgeführt. Hierzu ist allerdings eine ausreichend dicke Leiterplatte 1 erforderlich. Die vier Bohrungen 11 sind um den abzuschirmenden Teilbereich der Leiterplatte 1 positioniert und entsprechend der Bolzen 21 der Abschirmung 2 dimensioniert. Der Durchmesser der Bohrungen 11 und entsprechend auch der Bolzen 21 ist derart gewählt, dass beim Einpressen der Bolzen 21 eine ausreichende Stabilität gewährleistet ist. Beispielsweise beträgt der Durchmesser 2 bis 4 Millimeter.
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Die Befestigung der Abschirmung 2 mittels vier Bolzen 21 führt zu einer gegenüber mechanischer Belastung robusten Verbindung und erhöht die Stabilität der Leiterplatte 1 im abgeschirmten Bereich. Die Abschirmung 2 stellt somit zusätzlich einen Verwindungsschutz dar. In anderen Ausgestaltungen erfolgt die Verbindung über mehr als vier oder nur zwei oder drei Verbindungsstellen. Dies hängt von der Größe und Form der Abschirmung 2 ab.
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Auf der Leiterplatte 1 ist weiterhin eine Kontaktleiterbahn 12 aufgebracht, welche die Kontaktfläche für die Abschirmung 2 bildet und dementsprechend in ihrer Form an die Abschirmung 2 angepasst ist. Die Kontaktleiterbahn 12 dient zudem der Verbindung der Abschirmung 2 mit einem Massepotential.
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Sind die Bohrungen 11 als Durchkontaktierungen ausgestaltet, stehen die Metallisierungen bevorzugt in leitendem Kontakt mit der Kontaktleiterbahn 12. Über die in die Bohrungen 11 eingebrachten Bolzen 21 ist dann ein zusätzlicher elektrischer Kontakt zwischen Abschirmung 2 und Massepotential hergestellt.
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2 zeigt eine Abschirmung 2 zum Aufbringen auf eine gemäß 1 ausgestaltete Leiterplatte 1. Die Abmessungen und Form der Abschirmung 2 sind gemäß dem abzuschirmenden Teilbereich der Leiterplatte 1 und der Höhe der abzudeckenden Bauteile gewählt. Die Größe des abzuschirmenden Bereichs ist von den jeweiligen Bauteilen abhängig, sodass die Abschirmung 2 eines Teilbereichs oder auch der gesamten Leiterplatte 1 erforderlich sein kann. In der Regel sind es Bauteile der Hochfrequenztechnik, welche abgeschirmt werden müssen. Die Abschirmung 2 ist aus einem Kunststoff gefertigt und teilweise oder voll metallisiert. Bevorzugt sind die der Leiterplatte 1 zugewandte Seitenfläche und die Bolzen 21 metallisiert.
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In die Abschirmung 2 ist eine Nut 23 zur Aufnahme eines Dichtrings eingebracht. Die Nut 23 ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Der Dichtring ist aus Leitgummi gefertigt und bildet das Kontaktelement zwischen Abschirmung 2 und Leiterplatte 1. Zum einen stellt das elektrisch leitfähige Kontaktelement den elektrischen Kontakt zwischen Abschirmung 2 und Kontaktleiterbahn 12 her, zum anderen bewirkt es einen flüssigkeitsdichten Kontakt zwischen Leiterplatte 1 und Abschirmung 2. Das Kontaktelement kann auch aus aufgespritztem Material bestehen. In dieser Ausgestaltung ist die Nut 23 nicht umlaufend, sondern nur entlang derjenigen Seiten der Abschirmung 2 ausgeführt, welche nach dem Aufsetzen eine Begrenzung auf der Leiterplatte 1 darstellen. Die vierte Seite liegt an einem Randbereich der Leiterplatte 1 an. An dieser Seite besitzt die Abschirmung 2 eine Ausnehmung 24, durch welche beispielsweise Signale aus dem Inneren der Abschirmung 2 herausführbar sind.
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Die Bolzen 21 sind derart in die Bohrungen 11 der Leiterplatte 1 einbringbar, dass jederzeit ein für die Gewährleistung des elektrischen und flüssigkeitsdichten Kontakts ausreichender Anpressdruck auf das Kontaktelement wirkt. Beim Einpressen der Bolzen 21 ist ein gleichmäßig verteilter Druck erforderlich, um keine unterschiedlichen Kräfte auf die Leiterplatte 1 auszuüben, was ein Verbiegen der Leiterplatte 1 und Beschädigungen empfindlicher Bauteile zur Folge haben könnte.
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3a zeigt eine Schnittdarstellung der Abschirmung 2 aus 2 entlang der Schnittebene A-A. Die Bolzen 21 besitzen einen zylindrischen Grundkörper und eine leicht schräg zulaufende Spitze. Diese dient der besseren Positionierung der Abschirmung 2 in der Bohrung. In einer anderen Ausgestaltung fehlt die schräg zulaufende Spitze. Zumindest in einem Abschnitt des zylindrischen Grundkörpers, welcher nach dem Einbringen in die Bohrung mit deren Randbereich in Kontakt steht, weist der Bolzen 21 mindestens ein Halteelement 22 auf. Bevorzugt sind die Bolzen 21, ebenso wie die Bohrungen 11, im Wesentlichen identisch ausgeführt, sodass das Einpressen mit einem gleichmäßigen Druck spannungsfrei erfolgen kann. Hierdurch wird Beschädigungen der Leiterplatte 1 oder elektrischer Bauteile, insbesondere keramischer Bauteile, beim Einpressen vorgebeugt.
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In der in 3b gezeigten Schnittdarstellung eines Bolzens 21 entlang der Ebene B-B sind die Halteelemente 22 erkennbar, welche ein Entspannen nach dem Einpressen verhindern. In dieser bevorzugten Ausführung weist der Bolzen 21 drei Haltelemente auf, wobei in anderen Ausgestaltungen auch eine andere Anzahl an Halteelementen 22 vorhanden sein kann. Die Halteelemente 22 sind als entlang der Längsseite des Bolzens 21 verlaufende Stege ausgeführt und weisen zueinander jeweils den gleichen Abstand auf. Mit anderen Worten sind die drei Halteelemente 22 zur optimalen Stabilität der Einpressverbindung mit den Bohrungen 11 in einem Winkel von ca. 120° zueinander angeordnet. Die Stege erstrecken sich zumindest über eine der Dicke der Leiterplatte 1 entsprechenden Länge an dem der Abschirmung 2 zugewandten Endbereich der Bolzen 21. Auch andere Ausführungsformen der Halteelemente 22 sind denkbar, beispielsweise die Ausführung als Rastnasen. Die Halteelemente 22 bewirken eine stabile, mechanischer Belastung standhaltende Verbindung der Abschirmung 2 mit der Leiterplatte 1.
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Insgesamt sind der Durchmesser der Bolzen 21, der Durchmesser der Bohrungen 11, die Anzahl der Bolzen 21 bzw. Bohrungen 11, sowie die Steglänge der Halteelemente 22 derart gewählt und aufeinander abgestimmt, dass das Einpressen der Bolzen 21 in die Bohrungen 11 keine Schädigung des Leiterplattengefüges und des Umfelds hervorruft und dass die Abschirmung 2 mit dem Kontaktelement mit einem für eine stabile und dichte Verbindung ausreichenden Anpressdruck auf der Leiterplatte 1 aufliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 11
- Bohrung
- 12
- Kontaktleiterbahn
- 13
- Empfindliche Bauteile
- 14
- Unempfindliche Bauteile
- 2
- Abschirmung
- 21
- Bolzen
- 22
- Halteelement
- 23
- Nut
- 24
- Ausnehmung
