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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrokomponententrägers und eine Vorrichtung mit einem Werkzeug zum Herstellen eines Elektrokomponententrägers.
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Bei Elektrokomponententrägern (EKT's) werden funktionsbedingt verschiedene elektronische Bauteile bestückt. Ein EKT besteht aus stromführenden Leiterbahnen, die als Stanzteil hergestellt sein können, und einem Kunststoffteil. Die Leiterbahnen sind zum Schutz gegenüber äußeren Einflüssen im Allgemeinen im Kunststoffteil eingespritzt. Zur Erfassung von Positionen oder Bewegungen können z.B. Schnappschalter oder Hallsensoren auf dem EKT bestückt sein. Im Kontaktierungsbereich der Sensoren liegen die Anschlüsse und die Leiterbahnen offen. Die Abdichtung dieses Bereiches erfolgt bisher über einen nachträglichen Verguss. Dabei kann die Vergussmasse z.B. nach Kriterien der Zykluszeit, des zeitlichen Rhythmus‘, der Frage, welche speziellen Anforderungen erfüllt werden müssen oder welche maximale Temperatur entstehen darf, ausgewählt werden. In diesem Zusammenhang ist bekannt, dass Sensorelemente unter anderem mit Kunststoffmaterialien oder Epoxidharzen vergossen werden können. Diese schützen das Sensorelement vor mechanischen Beschädigungen sowie vor Schmutz und aggressiven Umwelteinflüssen wie Spritzwasser, Öl, etc. Gerade bei Anwendungen im Automobilbereich werden sehr hohe Anforderungen an die Robustheit und Langlebigkeit von Sensoren gestellt.
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In der
DE 10 2004 056 449 A1 wird ein solches Verfahren zur Umspritzung eines temperaturanfälligen Sensors beschrieben. Im Rahmen des Verfahrens wird der Sensor mit thermoplastischem Kunststoff umspritzt. Dies geschieht in einer Spritzform bei vergleichsweise hohen Temperaturen von 300 Grad Celsius und mehr. Die Problematik der auf den Sensor wirkenden thermischen Belastung wird hier durch eine geometrische runde oder kugelförmige Formgebung gelöst.
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Weiterhin ist aus dem Stand der Technik die Verringerung von Fließgeschwindigkeit, Temperatur und Druck der Spritzgussmasse bekannt. Die
DE 10 2006 021 018 A1 beschreibt das Umspritzen eines Sensors und dessen offener Drahtverbindungen mit einem Thermoplast, insbesondere einem Polyamid-Material. Dabei werden die für den Sensor belastenden Größen, die Temperatur, die Geschwindigkeit und der Druck, durch befestigte Barrieren verringert.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Elektrokomponententrägers und eine verbesserte Vorrichtung mit einem Werkzeug zum Herstellen eines Elektrokomponententrägers gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Mit dem hier vorgestellten Ansatz kann unter Verwendung eines besonders geformten Werkzeugs ein Umspritzvorgang eines EKT's mit einem Elektronikbauteil, z.B. einem Sensor, so gestaltet werden, dass während des Spritzvorgangs ein Einwirken üblicher hoher Drücke und Temperaturen auf das Elektronikbauteil verringert werden kann. Zudem kann auf einen Fertigungsschritt verzichtet werden.
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Gemäß dem hier vorgestellten Konzept wird lediglich ein einziger Umspritzvorgang benötigt. Damit kann ein Entstehen von Nahtstellen zwischen einer ersten und einer zweiten Umspritzung, die potenzielle Schwachstellen (kapillare Wirkung) für Wasser, Säure, Öl oder andere aggressive Stoffe darstellen und die Langlebigkeit des Sensors stark gefährden können, vermieden werden. Ein direkter Kontakt der heißen Spritzmasse mit dem Sensor, der zur Schädigung desselben führen kann, wird aufgrund der erzwungenen Verlangsamung des Fließprozesses nach dem Passieren eines engen Kanals und der Abkühlung der Spritzmasse bei einem anschließenden Kontakt mit dem Sensor oder der Elektronikkomponente hinausgezögert oder ganz vermieden. Damit kann verhindert werden, dass der Sensor bzw. Chip durch Temperaturschwankungen im Abkühlungs- und Erstarrungsprozess der Spritzmasse beschädigt wird und die Zuverlässigkeit herabgesetzt wird. Dies ist insbesondere von Bedeutung, da bekannt ist, dass die thermischen Belastungen bei herkömmlichen Verfahren so hoch sein können, dass sie den Sensor zerstören, indem sich z.B. Kontakte im Inneren des Bauelements lösen. Gemäß dem hier vorgestellten Ansatz erübrigt sich auch eine im Stand der Technik u.U. für den Umspritzvorgang erforderliche Anordnung des Sensors in einem speziellen topfartigen Gehäuse bzw. eine Ausstattung des Sensors mit fest eingebauten Barrieren.
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Durch die Erfindung kann auf den nachträglichen Verguss und damit auf einen zusätzlichen Fertigungsschritt verzichtet werden. Weiterhin wird ein homogenerer Schutz des oder der Sensoren durch das direkte Umspritzen realisiert, da es zwischen Verguss und Kunststoff immer zu Haftungsproblemen und damit zu undichten Stellen kommen kann. Durch das erfindungsgemäße Umspritzen des Sensors oder der Sensoren kann auf eine zusätzliche Verguss- und Härtestrecke verzichtet werden. Ferner kann durch die Verwendung von Thermoplasten und den Verzicht auf Vergussmittel ein höherer Schutz des Sensors gegenüber einer Vielzahl von Chemikalien erreicht werden. Nicht zuletzt kann durch die feste Einbindung der Barrieren bzw. Konturen zur Minimierung von Druck und Temperatur der Kunststoffschmelze in die Spritzform auf den zeitraubenden Arbeitsschritt des neuen Anbringens der Barrieren bzw. Konturen für jeden Sensor bzw. Umspritzvorgang verzichtet werden.
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Mit dem hier vorgestellten Konzept wird die Möglichkeit geschaffen, die in dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden und somit die Kosten im Herstellungsprozess zu verringern.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrokomponententrägers, mit einem Schritt des Bereitstellens eines Halbzeugs, das einen Vorspritzling mit einer auf einer Hauptseite des Vorspritzlings angeordneten Elektronikkomponente umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner einen Schritt des Positionierens und einen Schritt des Umspritzens aufweist, wobei in dem Schritt des Positionierens das Halbzeug in einer Kavität eines Werkzeugs so positioniert wird, dass ein die Elektronikkomponente umgebender Randbereich der Hauptseite einer sich von einer Innenwand des Werkzeuges in die Kavität erstreckenden ringförmigen Erhebung gegenüberliegt und die Elektronikkomponente innerhalb eines durch die ringförmige Erhebung umschlossenen Bereichs angeordnet wird, und wobei in dem Schritt des Umspritzens eine Formmasse so durch eine Öffnung des Werkzeugs in die Kavität gespritzt wird, dass sie zumindest die Elektronikkomponente fluiddicht umschließt.
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Das Verfahren kann in einer Spritzgießmaschine durchgeführt werden, in der das Werkzeug relativ zu dem Halbzeug bewegt und geöffnet bzw. um das Halbzeug herum geschlossen werden kann. Bei dem Elektrokomponententräger kann es sich um ein robustes Gebilde mit einer integrierten Elektronikkomponente, z. B. einem Sensor, handeln. Der Elektrokomponententräger kann ausgebildet sein, um so an einem Gerät, z. B. einem Fahrzeug, befestigt zu werden, dass eine Funktionsweise der Elektronikkomponente optimal gewährleistet werden kann. Der Elektrokomponententräger kann so ausgeführt sein, dass die Elektronikkomponente vollständig oder fast vollständig von dem Trägermaterial fluiddicht umschlossen und damit vor Beschädigung und Korrosion geschützt ist. Mithilfe des Elektrokomponententrägers ist es beispielsweise möglich, eine als ein Hallsensor ausgeführte Elektronikkomponente an exponierter Stelle am Fahrzeug bereitzustellen, ohne dass eine Funktion des Sensors durch mechanische Beschädigung oder z.B. Spritzwasser beeinträchtigt werden kann. Ferner kann die Elektronikkomponente so in den Elektrokomponententräger integriert sein, dass eine Spannungsversorgung der Elektronikkomponente sicher gegeben ist. Die Elektronikkomponente kann beispielsweise eine integrierte Schaltung, also eine auf einem Chip untergebrachte elektronische Schaltung, aufweisen und beispielsweise auch als ein Schalter oder Sensor ausgeführt sein. Die Elektronikkomponente kann Kontakte zur Oberflächenmontage und elektrischen Kontaktierung innerhalb des Elektrokomponententrägers aufweisen. Unter dem Vorspritzling kann das eigentliche Trägerelement zum Fixieren der Elektronikkomponente verstanden werden. Der Vorspritzling kann in einem Prozessschritt des hier beschriebenen Verfahrens gefertigt werden und sich aus einem leitfähigen Metallelement und einer das Metallelement zumindest teilweise umgebenden Kunststoffschicht zusammensetzen. Die Elektronikkomponente kann so auf der Hauptseite des Vorspritzlings angeordnet sein, dass sie stoffschlüssig mit diesem verbunden ist. Bei der Hauptseite des Vorspritzlings kann es sich um die größte im Wesentlichen ebene Fläche des Vorspritzlings handeln, die zugleich ein nach Abringung des fertigen Elektrokomponententrägers an ein Gerät vom Gerät am weitesten entferntes Element des Elektrokomponententrägers bilden kann. Das Werkzeug kann zur mehrmaligen Verwendung ausgebildet sein und sich z.B. aus zwei oder mehr Einzelteilen zusammensetzen, die in der Spritzgießmaschine so um das Halbzeug herum aneinandergefügt werden können, dass die Kavität als ein das Halbzeug umgebender Hohlraum ausgebildet ist. Der Randbereich der Hauptseite kann die auf der Hauptseite angeordnete Elektronikkomponente vollumfänglich umgeben und sich in verschiedene Richtungen unterschiedlich weit erstrecken. Die ringförmige Erhebung kann kreisförmig oder eckig sein und so an der Innenwand des Werkzeugs ausgebildet sein, dass ihr Umfang geringer als ein Außenumfang des Randbereichs der Hauptseite des in die Kavität eingelegten Halbzeugs ist. Eine Wandstärke der ringförmigen Erhebung kann über ihre gesamte Höhenerstreckung gleich sein. Die ringförmige Erhebung kann einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die ringförmige Erhebung kann an einem der Mehrzahl von Teilen des Werkzeugs ausgeformt sein. Der durch die ringförmige Erhebung umschlossene Bereich kann größere Dimensionen als die Elektronikkomponente aufweisen, sodass bei in die Kavität eingesetztem Halbzeug ein Freiraum zwischen Außenwänden der Elektronikkomponente und der durch die ringförmige Erhebung konturierten Innenwand des Werkzeugs besteht. Bei der Formmasse kann es sich um ein Kunststoffmaterial in flüssigem Aggregatszustand, z.B. um einen Thermoplast, handeln. Das Kunststoffmaterial kann ausgebildet sein, um im ausgehärteten Zustand einen Schutz gegenüber aggressiven Chemikalien sowie gegenüber mechanischen Beschädigungen für die Elektronikkomponente darzustellen. In dem Schritt des Umspritzens kann sich die an der Innenwand des Werkzeugs ausgebildete ringförmige Erhebung so auf einen Fluss der Formmasse in der Kavität auswirken, dass ein Kontaktieren der Formmasse mit der Elektronikkomponente verzögert wird und/oder der Fluss vorteilhaft geleitet wird, mit dem Ergebnis, dass eine exzessive Erwärmung der Elektronikkomponente durch die Formmasse vermieden werden kann. Insbesondere kann die ringförmige Erhebung geeignet sein, zumindest einen Bruchteil einer mit dem Einspritzen der Formmasse einhergehenden Druckwirkung abzufangen und somit von der Elektronikkomponente fernzuhalten. Der Schritt des Umspritzens kann auch so erfolgen, dass das gesamte Halbzeug von der Formmasse fluiddicht umschlossen wird. Die Schritte des Bereitstellens, des Positionierens und des Umspritzens können in geeigneten Einrichtungen einer Vorrichtung, z.B. einer Spritzgießmaschine, durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens kann in dem Schritt des Positionierens das Halbzeug ferner so in der Kavität positioniert werden, dass ein Abstand der Hauptseite des Vorspritzlings zu der Innenwand des Werkzeuges größer ist als eine Höhe der ringförmigen Erhebung. So kann eine Kontur in Form eines Kanals in der Kavität geschaffen werden, der sich zwischen einem inneren Bereich der Kavität, der durch die Elektronikkomponente und eine Innenwand der ringförmigen Erhebung begrenzt wird, und einem äußeren Bereich der Kavität, der durch eine Außenwand der ringförmigen Erhebung und die Innenwand des Werkzeugs begrenzt wird, erstreckt. Die kanalförmige Kontur weist die vorteilhafte Eigenschaft auf, den Fluss der in die Kavität eingespritzten Formmasse so verlangsamen zu können, dass die Formmasse die Elektronikkomponente erst erreicht, wenn sie nach dem Eintritt in die Kavität soweit abgekühlt ist, dass sie eine die Elektronikkomponente nicht oder weniger beeinträchtigende Temperatur aufweist. Insbesondere ist hierbei hervorzuheben, dass bei geeigneter Anordnung der Öffnung sich die kanalbildende Kontur in einer Fließrichtung der Formmasse erstreckt, sodass diese optimal geleitet werden kann und eventuelle Verwirbelungen des Formmassenmaterials vermieden werden können. So kann auf einfache Weise verhindert werden, dass als Folge von Inhomogenitäten in der Verteilung der Formmasse mit dem Aushärten der Formmasse Kapillare gebildet werden, die die Dichtheit des Elektrokomponententrägers beeinträchtigen könnten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Schritt des Bereitstellens einen Schritt des Vorumspritzens aufweisen, in dem ein elektrisches Leiterelement in eine Spritzmasse eingebettet wird, um den Vorspritzling herzustellen. Der Schritt des Vorumspritzens kann in einer geeigneten Vorrichtung, bei der es sich um die oben erwähnte Spritzgießmaschine handeln kann, durchgeführt werden. Auch der Schritt des Vorumspritzens kann mithilfe eines geeigneten Werkzeugs durchgeführt werden, in das das elektrische Leiterelement eingelegt und mit der Spritzmasse umspritzt werden kann. Auch bei der Spritzmasse kann es sich um ein geeignetes Kunststoffmaterial handeln, das nach dem Schritt des Vorumspritzens dem Vorspritzling seine
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Form gebend aushärten kann. Das elektrische Leiterelement kann ausgebildet sein, um die Elektronikkomponente mit Spannung zu versorgen und beispielsweise in Form eines Stanzgitters ausgeführt sein. Der Schritt des Vorumspritzens kann besonders einfach und schnell erfolgen, da hier die Elektronikkomponente noch nicht mit dem elektrischen Leiterelement kontaktiert ist und dieses wesentlich höheren Drücken und Temperaturen ausgesetzt werden kann als die sensible Elektronikkomponente.
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Insbesondere kann in dem Schritt des Vorumspritzens das elektrische Leiterelement so in die Spritzmasse eingebettet werden, dass die Hauptseite des Vorspritzlings planar ausgebildet wird. Dabei kann das Vorumspritzen so erfolgen, dass ein Teil des elektrischen Leiterelements in der Hauptseite verläuft. Diese Ausführungsform kann ein späteres Befestigen der Elektronikkomponente auf der Hauptseite erleichtern, da die Elektronikkomponente auf einer planaren Oberfläche besser und widerstandsärmer anhaften kann.
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Auch kann in dem Schritt des Vorumspritzens ein in der Hauptseite liegender Teilbereich des elektrischen Leiterelements zum Anschluss der Elektronikkomponente an das elektrische Leiterelement freiliegend belassen werden. So kann auf einfache Weise gewährleistet werden, dass die Elektronikkomponente durch direktes Kontaktieren des freiliegend belassenen Teilbereichs ohne Weiteres mit Spannung versorgt werden kann, ohne dass dies zusätzliche Leitungen oder Elemente erfordern würde.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der Schritt des Bereitstellens ferner einen Schritt des Aufbringens eines Lötmaterials auf die planar ausgebildete Hauptseite des Vorspritzlings aufweisen, insbesondere wobei das Aufbringen durch ein Aufdrucken des Lötmaterials auf die planar ausgebildete Hauptseite des Vorspritzlings erfolgt. Bei dem Lötmaterial kann es sich beispielsweise um eine Lötpaste handeln. Die planare Ausbildung der Hauptseite erlaubt diese schnelle und einfache vorbereitende Prozedur zum anschließenden Kontaktieren der Elektronikkomponente.
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Entsprechend kann der Schritt des Bereitstellens ferner einen Schritt des elektrischen Kontaktierens der Elektronikkomponente mit dem elektrischen Leiterelement des Vorspritzlings aufweisen. Dies kann erfolgen, indem die Elektronikkomponente mit ihrem Kontaktbereich einfach auf den freiliegend belassenen Teilbereich des elektrischen Leiterelements aufgesetzt und – z.B. mittels des oben erwähnten Lötmaterials – mechanisch und elektrisch mit diesem verbunden wird. So kann die Elektronikkomponente mittels einer schnellen und kostengünstigen Oberflächenmontage an den Vorspritzling angebunden werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann in dem Schritt des Positionierens mindestens ein Stiftelement des Werkzeugs in zumindest eine in dem Randbereich der Hauptseite des Vorspritzlings angeordnete Ausnehmung eingreifen, um das Halbzeug gegenüber dem Werkzeug auszurichten. Das Stiftelement kann an der Innenwand des Werkzeugs benachbart zu der ringförmigen Erhebung, z.B. außerhalb der ringförmigen Erhebung, angeordnet sein. Bei der Ausnehmung kann es sich um ein Durchgangsloch oder ein Sackloch in dem Randbereich der Hauptseite handeln. Dabei kann die Ausnehmung so ausgeformt sein, dass zumindest eine Spitze des Stiftelements in diese eingreifen kann, um das Halbzeug für den nachfolgenden Spritzguss exakt in der Kavität des Werkzugs auszurichten. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Drehversatz des Halbzeugs zu dem Werkzeug in der Kavität auf einfache und kostengünstige Weise verhindert werden kann.
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Insbesondere können in dem Schritt des Positionierens drei Stiftelemente des Werkzeugs und drei in dem Randbereich der Hauptseite des Vorspritzlings angeordnete Ausnehmungen eingesetzt werden. Dabei kann je eines der drei Stiftelemente ausgebildet sein, um in je eine der drei Ausnehmungen einzugreifen, um das Halbzeug gegenüber dem Werkzeug auszurichten. Mit dieser Ausführungsform kann auch ein Kippen des Halbzeugs in Bezug auf die ringförmige Erhebung vorteilhaft ausgeschlossen werden.
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Eine Vorrichtung mit einem Werkzeug, das eine Kavität zum Aufnehmen eines Halbzeugs eines Elektrokomponententrägers aufweist, wobei eine Innenwand des Werkzeugs eine sich in die Kavität erstreckende ringförmige Erhebung aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner Einrichtungen aufweist, die ausgebildet sind, um die Schritte eines Verfahrens gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen und/oder anzusteuern. Bei der Vorrichtung kann es sich z.B. um eine Spritzgießmaschine handeln. So kann die Spritzgießmaschine eine Positioniereinrichtung zum Positionieren des Halbzeugs in der Kavität des Werkzeugs, eine Schließeinheit zum Schließen des Werkzeugs um das Halbzeug und eine Spritzeinheit zum Einspritzen der flüssigen Formmasse in die Kavität durch eine Öffnung des Werkzeugs umfassen. Zum Bereiten der flüssigen Formmasse kann die Spritzgießmaschine ferner eine Heizbaugruppe aufweisen.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung oder Ansteuerung von Schritten des Verfahrens nach einer der hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1A eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung zum Umspritzen eines Sensors, gemäß dem Stand der Technik;
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1B eine Prinzipdarstellung einer Fließrichtung des Spritzmaterials in der Vorrichtung aus 1A;
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2 eine perspektivische Darstellung eines Halbzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine perspektivische Darstellung eines fertiggestellten Elektrokomponententrägers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Prinzipdarstellung eines Werkzeugs mit eingelegtem Halbzeug, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Schnittdarstellung des Werkzeugs mit eingelegtem Halbzeug aus 4;
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6 einen Detailausschnitt aus der Darstellung in 5; und
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7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Elektrokomponententrägers, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1A zeigt in einer Schnittdarstellung eine Vorrichtung zum Umspritzen eines Sensors, gemäß dem Stand der Technik. In der Vorrichtung werden ein Sensor und dessen offene Drahtverbindungen mit einem Thermoplast-Material, insbesondere einem Polyamid-Material, umspritzt. Dabei werden die für den Sensor belastenden Größen, die Temperatur, die Geschwindigkeit und der Druck durch befestigte Barrieren 10 und 11 verringert.
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1B zeigt in einer Prinzipdarstellung unter Verwendung von Richtungspfeilen eine Fließrichtung des Spritzmaterials in der Vorrichtung aus 1A. Wie die Darstellung zeigt, trifft die Umspritzmasse nicht direkt auf das Drahtende, sondern wird durch die Barrieren zunächst umgeleitet und hat nach dem Passieren dieser Barrieren eine veränderte Fließrichtung.
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2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Halbzeugs 200 zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren. Das Halbzeug 200 setzt sich aus einem Vorspritzling 202 und einer Elektronikkomponente 204 zusammen. Der Vorspritzling 202 wiederum setzt sich aus einer formgebenden hier erstarrten Spritzmasse 206 und einem teilweise in die Spritzmasse 206 eingebetteten elektrischen Leiterelement 208 zusammen. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des Halbzeugs 200 ist das elektrische Leiterelement 208 als ein Stanzgitter ausgeführt. Bei der Spritzmasse 206 handelt es sich um ein Kunststoffmaterial, das zum einen geeignet ist, dem Vorspritzling 202 seine in 2 gezeigte zur Weiterverarbeitung geeignete Form zu geben, als auch die Bereiche des elektrischen Leiterelements 208, die nicht zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen sind, elektrisch zu isolieren. In der Darstellung in 2 ist das elektrische Leiterelement 208 zum besseren Verständnis seines Verlaufs innerhalb der Spritzmasse 206 teilweise an Stellen freiliegend gezeigt, an denen es in der Realität von der Spritzmasse 206 bedeckt ist. Der Vorspritzling 202 ist in der in 2 dargestellten Form in einem Spritzgießverfahren hergestellt worden. Er weist eine planare Hauptseite 210 auf, an der ein Teilbereich des elektrischen Leitelements 208 freiliegend belassen ist (in der Darstellung in 2 nicht sichtbar). Auf diesem Teilbereich ist die Elektronikkomponente 204 angeordnet und elektrisch und mechanisch angebunden, um den Vorspritzling 202 mit der Elektronikkomponente 204 zu bestücken, hier mittels einer in der Zeichnung nicht sichtbaren Lötpaste. Die Elektronikkomponente 204 ist hier als ein Sensor ausgeführt. Ein die Elektronikkomponente 204 umgebender Randbereich 212 der Hauptseite 210 weist drei Ausnehmungen 214 auf, von denen die in der Darstellung oben gezeigten als Sacklöcher ausgeführt sind und das in der Darstellung unten gezeigte als ein Durchgangsloch ausgeführt ist. Die Ausnehmungen 214 sind im Wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet in dem Randbereich 212 angeordnet und ausgebildet, um geeignet geformte Stiftelemente aufzunehmen, um das Halbzeug 200 für den Schritt des Umspritzens des hierin vorgestellten Verfahrens geeignet zu positionieren.
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3 zeigt in einer weiteren perspektivischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines fertig umspritzten Elektrokomponententrägers 300 mit Sensor 204. Das in 2 gezeigte Halbzeug ist hier vollständig in eine erstarrte Formmasse 302 eingebettet, die dem Elektrokomponententräger 300 eine für ein Ergebnis des hierin vorgestellten Verfahrens charakteristische Form verleiht. Eine wandförmige geschlossene Umrandung 304 ist einer erfindungsgemäßen Ausformung des verwendeten Gießwerkzeugs geschuldet, auf in den nachfolgenden Figuren noch detaillierter eingegangen wird. Die Umrandung 304 umringt die nun durch eine Schicht der Formmasse fluiddicht umschlossene Elektronikkomponente 204.
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4 zeigt zum besseren Verständnis des hierin vorgestellten Fertigungskonzepts anhand einer Prinzipdarstellung eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Werkzeugs 400 zum Herstellen des Elektrokomponententrägers 300 aus 3 mit in das Werkzeug 400 eingelegtem Halbzeug 200.
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5 zeigt eine Schnittdarstellung des Werkzeugs 400 mit eingelegtem Halbzeug 200 aus 4 einlang einer mittels Pfeilen kennzeichneten Schnittlinie in 4. Der Querschnitt in 5 zeigt einen Ausschnitt des Werkzeugs 400. Das Werkzeug kann als ein Gießwerkzeug ausgeführt sein und bildet mittels einer Innenwand 500 im hier gezeigten geschlossenen Zustand eine Kavität 502, in der das den Vorspritzling 202 und die Elektronikkomponente 204 umfassende Halbzeug 200 angeordnet ist. Eine Kontur der Kavität 502 wird insbesondere durch eine ringförmige Erhebung 504 gebildet, die an der Innenwand 500 des Werkzeugs 400 ausgeformt ist. Die ringförmige Erhebung 504 gliedert die Kavität 502 in einen inneren Bereich 506 und einen äußeren Bereich 508. In dem inneren Bereich 506 der Kavität 502 ist die Elektronikkomponente 204 mit Abstand zu der Innenwand 500 und der ringförmigen Erhebung 504 angeordnet. In der in 5 gezeigten Darstellung ist die Kavität 502 bereits mit der durch eine Öffnung in dem Werkzeug 400 eingespritzten Formmasse 302 befüllt. Wie die Darstellung zeigt, ist das Halbzeug 200 bis auf eine der Hauptseite 210 gegenüberliegende Grundseite des Vorspritzlings 202 für die Formmasse 302 zugänglich in der Kavität 502 angeordnet. Die Formmasse 302 besteht aus einem Kunststoffmaterial, das in flüssigem Aggregatszustand in die Kavität 502 eingespritzt wird, das Halbzeug 200 ausgenommen dessen Grundseite umfließt und in dem Werkzeug 400 verbleibt, bis es vollständig abgekühlt und ausgehärtet ist. Die Schnittdarstellung in 5 zeigt ferner ein Stiftelement 510, das mit der Spitze in einer der Ausnehmungen 214 in der Hauptseite 210 des Vorspritzlings 202 angeordnet ist. Das Stiftelement 510, das auch als Niederhalter bezeichnet werden kann, ist Teil des Werkzeugs 400 und ausgebildet, um das Halbzeug 200 vorbereitend für den Spritzvorgang zu positionieren und während des Spritzvorgangs niederzuhalten.
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6 zeigt einen mittels einer unterbrochenen Kreislinie in 5 gekennzeichneten Detailausschnitt der in 5 gezeigten Werkzeug-Halbzeug-Kombination. Hier ist besonders gut zu erkennen, wie die ringförmige Erhebung 504 die Kavität 502 in den inneren Bereich 506 und den äußeren Bereich 508 teilt. So wird zwischen dem inneren Bereich 506 und dem äußeren Bereich 508 eine durch die ringförmige Erhebung 504 und der ihr gegenüberliegende Randbereich 212 der Hauptseite des Vorspritzlings 202 begrenzte kanalähnliche Kontur 600 zur Minimierung von Druck und Temperatur der Formmasse bzw. Kunststoffschmelze 302 gebildet. Die kanalähnliche Kontur 600 gewährleistet, dass die Formmasse 302, wenn sie zunächst den äußeren Bereich 508 erreicht, gezwungen ist, diesen zuerst vollständig zu füllen, bevor sie durch die quasi ein Nadelöhr bildende kanalähnliche Kontur 600 in den inneren Bereich 506 vordringen kann und dann bereits abgekühlt ist und eine langsamere Fließgeschwindigkeit aufweist. Wie die Darstellung in 6 ebenfalls deutlich macht, erstreckt sich die kanalähnliche Kontur 600 in einer durch einen Pfeil in der Darstellung gekennzeichneten Fließrichtung der Formmasse 302, womit ungünstige Verwirbelungen der Formmasse 302 beim Einfließen in den inneren Bereich 506 der Kavität 502 vermieden werden können.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens 700 zum Herstellen eines Elektrokomponententrägers. In einem Schritt 701 des Vorumspritzens wird ein Vorspritzling hergestellt, indem ein elektrisches Leiterelement in geeigneter Weise mit einem Kunststoffmaterial umspritzt wird. In einem Schritt 702 wird ein Halbzeug des Elektrokomponententrägers, das den Vorspritzling mit einer auf einer Hauptseite des Vorspritzlings angeordneten Elektronikkomponente umfasst, für eine Weiterverarbeitung in einer Gießmaschine bereitgestellt. In einem Schritt 704 wird das Halbzeug in einer Kavität eines Gießwerkzeugs der Gießmaschine mithilfe eines Stiftelements so positioniert, dass ein Randbereich der Hauptseite einer an einer Innenwand des Werkzeuges ausgeformten ringförmigen Erhebung gegenüberliegt und die Elektronikkomponente innerhalb eines durch die ringförmige Erhebung umschlossenen Bereichs angeordnet wird. Es erfolgt ein Schritt 706 des Umspritzens, in dem eine Formmasse durch eine Öffnung des Werkzeugs in die Kavität gespritzt wird und die Elektronikkomponente fluiddicht umschließt.
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Im Folgenden sie die hierin vorgestellte Lösung zum Umspritzen von elektronischen Bauteilen auf EKT's nochmals erläuternd zusammengefasst.
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Ein vorstehend beschrieber Spritzvorgang 706 liefert ein speziell konturiertes EKT 300, wie es in der Abbildung in 3 gezeigt ist. Dazu wird ein geeigneter Vorspritzling 200 in einer Kavität 502 eines Gießwerkzeugs 400 nochmals umspritzt. Als Vorspritzling bzw. Vorumspritzling 200 werden Zwischenprodukte des Herstellungsprozesses bezeichnet, bei denen Bestandteile der Komponente 300, wie z.B. Trägerrahmen Steckvorrichtung, etc. mit Kunststoff umspritzt werden, sodass diese vorteilhaft gehandhabt und weiterverarbeitet werden können. Die Bereiche der Leiterbahnen 208, in denen die elektronischen Bauelemente 204, z.B. Sensoren, bestückt werden sollen, werden in dem dem Spritzvorgang 706 vorgeschalteten Spitzprozess vorumspritzt. Auf den Vorspritzling 200 werden die Sensoren 204 bestückt und mit den Leiterbahnen 208 kontaktiert. Dies kann über einen SMD-Prozess bzw. eine Oberflächenmontage erfolgen. Weiterhin befinden sich in diesem Vorspritzlingsbereich 210 Konturen 214 zum Fixieren und zum Schutz der Sensoren 204 während des zweiten Spritzvorganges 706, der auch als Fertigspritzen bezeichnet werden kann. Die Fixierkonturen 214 sind so gestaltet, dass beim Fertigspritzen 706 starre Niederhalter 510 auf den Vorspritzling 202 wirken und diesen in der Position halten. Die Fixierkonturen 214 sind ferner so ausgeformt, dass eine Abdichtung des Bereiches 210 während des Spritzvorgangs 706 erfolgt. Die Werkzeugkavität 502 ist im Bereich des Sensors 214 so gestaltet, dass im Zusammenwirken mit dem Vorspritzling 202 der Sensor 204 vor Spritzdruck und hohen Temperaturen geschützt wird. Die Kontur 600 der Kavität 502 bewirkt, dass die Formmasse 302 am Sensor 204 stehen bleibt und erkaltet. Die während des Spritzvorgangs 706 am Sensor 204 auftretenden Belastungen liegen unterhalb der zulässigen Werte, sodass keine Beschädigung des Sensors 204 auftritt.
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Die Sensoren 204 können direkt bei der EKT-Fertigung umspritzt werden oder als Anbauteil für komplexe Steuerungseinheiten verbaut werden. Über die Sensorart bzw. die zusätzliche Bestückung von Schutzbeschaltungen können weitere Kombinationen der umspritzten Sensoren 204 realisiert werden.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Barriere
- 11
- Barriere
- 200
- Halbzeug
- 202
- Vorspritzling
- 204
- Elektronikkomponente
- 206
- Spritzmasse
- 208
- elektrisches Leiterelement
- 210
- Hauptseite
- 212
- Randbereich der Hauptseite
- 214
- Ausnehmung
- 300
- Elektrokomponententräger
- 302
- Formmasse
- 304
- Umrandung
- 400
- Werkzeug
- 500
- Innenwand
- 502
- Kavität
- 504
- ringförmige Erhebung
- 506
- innerer Bereich der Kavität
- 508
- äußerer Bereich der Kavität
- 510
- Stiftelement
- 600
- kanalähnliche Kontur
- 700
- Verfahren zum Herstellen eines Elektrokomponententrägers
- 701
- Schritt des Vorumspritzens
- 702
- Schritt des Bereitstellens
- 704
- Schritt des Positionierens
- 706
- Schritt des Umspritzens
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004056449 A1 [0003]
- DE 102006021018 A1 [0004]
