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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz von zumindest einem vorgegebenen mit zumindest einem Bauteil bestückten Teilbereich einer Leiterplatte. Bevorzugt wird die Leiterplatte in einem Feldgerät der Automatisierungstechnik eingesetzt.
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Zur Erfassung von Prozessvariablen in der Automatisierungstechnik dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, Analysemessgeräte, usw. integriert sind. Die Geräte erfassen die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, Analysedaten, wie pH-Wert, Trübung oder Leitfähigkeit. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Sensoren und Aktoren werden allgemein als Feldgeräte bezeichnet. Als Feldgeräte werden in Verbindung mit der Erfindung jedoch alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten.
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Üblicherweise sind in einem Feldgerät mehrere Leiterplatten mit elektronischen und elektrischen Bauteilen vorhanden. Diese sind entweder dem Sensor bzw. dem Aktor zugeordnet, oder sie befinden sich in der Elektronikeinheit. Diese Leiterplatten werden zumindest partiell mit Schutzlacken und Beschichtungen versehen, die insbesondere dazu dienen, die empfindlichen Bauteile vor einem schädlichen Feuchteeinfluss zu schützen. Darüber hinaus haben Lacke und Vergussmassen als Beschichtungsmaterialien auch die Funktion, dass durch das quasi automatische Auffüllen der Zwischenräume zwischen den Bauteilen der Abstand zwischen den einzelnen Bauteilen auf der Leiterplatte reduziert werden kann. Trotz hoher Bauteildichte ist daher bei geeignet beschichteten Leiterplatten der Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich möglich.
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Vergussmassen sind üblicherweise Flüssigstoffe, die eine gute Durchtränkung aufweisen und nach einer bestimmten Zeit ein hochelastisches und klebriges Polymer bilden. Als Beispiele können Silikonverguss, z.B. Silgel 613, oder Polyurethanverguss genannt werden.
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Eine Vergussmasse ist zu Beginn des Vergussprozesses eine relativ niederviskose Flüssigkeit mit einer geringen Oberflächenspannung. Aufgrund der geringen Oberflächenspannung dringt die Vergussmasse auch in geringste Spalte zwischen den Bauteilen ein. Nach der vollständigen Polymerisation sind alle Spalte und Zwischenräume zwischen den Bauteilen der Leiterplatte verschlossen. Es entsteht ein effektiver Klimaschutz.
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Ganz unproblematisch ist das Aufbringen einer Beschichtung auf eine Leiterplatte nicht. Gerade im Bereich der Kanten eines Bauteils kann die Dicke der Beschichtung aufgrund des Wegfließens des Beschichtungsmaterials geringer als nötig ausfallen. Generell lässt sich sagen, dass es schwierig ist, eine einheitliche Schichtdicke über einen der gebräuchlichen Beschichtungs- oder Lackierprozesse zu erhalten.
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In Bereichen verminderter Schichtdicke können im schlimmsten Fall sogar Risse entstehen, durch die Feuchtigkeit zu dem Bauteil vordringt. Auch kann es zu einer Gasblasenbildung in der Beschichtung kommen. Hinzu kommt, dass bei einer Beschädigung und/oder bei einer nicht einheitlichen Dicke der Beschichtung die Anforderungen, die seitens eines hinreichenden Explosionsschutzes gestellt werden, u.U. nicht mehr erfüllt sind/ist.
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Aus der
DE 10 2010 038 294 A1 ist eine elektronische Baugruppe bekannt geworden, die aus mehreren elektronischen Bauteilen besteht und bevorzugt in einem Feldgerät der Automatisierungstechnik zum Einsatz kommt. Zumindest eines der Bauteile der elektronischen Baugruppe ist von einer Vergussmasse umschlossen, wobei die Vergussmasse von einem Vergussrahmen umgeben ist. Hierzu wird ein Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten angewendet: Die mit den Bauteilen bestückte Leiterplatte wird lackiert. In den Lack wird ein Vergussrahmen derart eingesetzt, dass der Vergussrahmen wenigstens eines der Bauteile, das eines besonderen Schutzes bedarf, umgibt. Der Lack wird ausgehärtet, wodurch der Vergussrahmen mit der Leiterplatte fest verbunden ist. Die Vergussmasse wird in den Vergussrahmen eingefüllt und anschließend ausgehärtet. Anschließend ist das Bauteil effektiv vor schädlichen Umwelteinflüssen, insbesondere vor dem Eindringen von Feuchte, geschützt. Weiterhin ist es – wie bereits zuvor erwähnt – bekannt geworden, Schutzlacke oder Beschichtungen auch dazu zu verwenden, um Schaltungen so zu isolieren, so dass sie problemlos in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden können.
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Bei der Herstellung von Leiterplatten tritt noch eine weitere Problematik auf. Neben elektronischen oder elektrischen Bauteilen, die vollständig vergossen werden, gibt es auch Bauteile, für die ein Vergießen sehr kritisch ist. Zu diesen kritischen Bauteilen gehören mechanische Schalter, Klammern, Mikrophone, Buchsen, usw. Falls eine Buchse mit der Vergussmasse in Berührung kommt, ist nachfolgend nicht mehr sichergestellt, dass eine sichere Kontaktierung mit einem Stecker oder mit einem elektrischen Kontakt hergestellt werden kann. Im Betriebsfall besteht daher die Gefahr, dass die Schnittstellen nicht korrekt funktionieren oder ausfallen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte anzugeben, bei dem die Beschichtung zuverlässig in den vorgesehenen Bereichen positioniert wird.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass digitale Daten vorgegeben werden, die Bestückungsinformation der Leiterplatte mit Positionen und Dimensionen der Bauteile wiedergeben, dass das zumindest eine Bauteil mit zumindest einer Schutzbeschichtung oder mit zumindest einer Schutzumrandung versehen wird, und dass die Schutzbeschichtung und/oder die Schutzumrandung über ein generatives Herstellungsverfahren auf die Leiterplatte aufgebracht wird. Der Begriff “Generative Herstellungsverfahren“ wird oftmals synonym mit dem Begriff “3D Druck“ verwendet. Bei lediglich partiellem Auftragen der Schicht lassen sich die Materialkosten für das Beschichtungsmaterial einsparen. Darüber hinaus ist über das erfindungsgemäße Verfahren sichergestellt, dass in jedem Bereich die erforderliche Schichtdicke eingehalten wird. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass das Verfahren vollständig automatisch ablaufen kann.
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Besonders kostengünstig ist die erfindungsgemäße Lösung, wenn die Schutzumrandung für Bauteile über ein generatives Verfahren aufgebracht wird. In der Beschreibungseinleitung wurde das aus dem Stand der Technik bekannte und recht aufwändige Verfahren zum Anbringen von vorgefertigten Schutzumrandungen auf einer Leiterplatte beschrieben. Über das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich die Schutzumrandung nunmehr gezielt in einem Verfahrensschritt an der korrekten Stelle über ein generatives Verfahren applizieren. Nachfolgend kann die Leiterplatte über ein herkömmliches Vergussverfahren mit einer Schutzbeschichtung versehen, wobei der durch die Schutzumrandung ausgegrenzte Bereich frei von Vergussmasse bleibt. Selbstverständlich können die digitalen Daten auch einfach die erforderliche Aussparung der Schutzbeschichtung im Bereich z.B. einer Buchse berücksichtigen.
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Wird das Beschichtungsmaterial partiell oder ganzflächig auf die Leiterplatte aufgebracht, so wird durch die Beschichtung ein entsprechend dimensionierter, hermetisch dichter Innenraum gebildet, der die Bauteile effektiv vor Umwelteinflüssen, insbesondere vor einem schädlichen Feuchteeinfluss schützt. Je nach Ausgestaltung der Beschichtung kann noch zusätzlich ein elektromagnetischer Schutz der gekapselten Bauteile vorliegen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Bereitstellung der digitalen Daten, die die Position und die Dimension des zumindest einen Bauteils auf der Leiterplatte beschreiben, die entsprechende Bestückungsinformation des Leiterplattenherstellers verwendet. Alternativ ist es natürlich auch möglich, die Position und die Dimension des zumindest einen Bauteils auf der Leiterplatte abzutasten. Die Abtastdaten bzw. die per Laserabtastung gescannten Daten werden anschließend als digitale Daten für den nachfolgenden Druckprozess zur Verfügung gestellt.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, dass die Position und die Dimension des zumindest einen Bauteils online z.B. von einem Laserscanner abgetastet werden und dass parallel die Schutzbeschichtung oder die Schutzumrandung einer definierten Schichtdicke aufgebracht wird. Die Dicke der Schutzbeschichtung kann je nach verwendetem Beschichtungsmaterial variieren. Auch ist es selbstverständlich möglich, die Schichtdicke über den Oberflächenbereich eines Bauteils oder über die Oberflächenbereiche mehrerer Bauteile zu variieren.
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Desweiteren bezieht sich die erfindungsgemäße Lösung auf eine Leiterplatte mit zumindest einem Bauteil, das in einem vorgegebenen Teilbereich der Leiterplatte angeordnet ist und das mit zumindest einer Schutzbeschichtung oder zumindest einer Schutzumrandung versehen ist, wobei die Schutzbeschichtung oder die Schutzumrandung für das zumindest eine Bauteil über das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren in der ein oder anderen Ausgestaltung aufgebracht ist.
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Bevorzugt ist die Dicke der Schutzbeschichtung in dem Oberflächenbereich des Bauteils gleichmäßig aufgetragen. Hierbei ist die Dicke der Schutzbeschichtung so bemessen, dass der durch die Schutzbeschichtung gebildete Innenraum, in dem das Bauteil angeordnet ist, hermetisch gegen Feuchte oder sonstige Umwelteinflüsse abgedichtet ist.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Schutzbeschichtung oder die Schutzumrandung aus zumindest zwei Schichtlagen gefertigt ist, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Insbesondere kann die Schutzbeschichtung oder die Schutzumrandung aus drei Schichtlagen besteht, wobei die mittlere Schichtlage aus einem leitfähigen Material gefertigt ist. Ist die leitfähige Schichtlage auf Masse gelegt, so lassen sich statische Aufladungen vermeiden. Dies spielt insbesondere eine große Rolle, wenn das Feldgerät, in dem die Leiterplatte integriert ist, im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt wird. Wichtig ist die Erdung, wenn z.B. eine Armatur in einem aggressiven Medium unter Ex-Bedingungen eingesetzt wird.
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Zur Anwendung kommen in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und seinen Varianten die bekannten generativen Herstellungsverfahen und/oder 3D Druckverfahren. Wird als Material zumindest ein Metall oder zumindest ein Kunststoff eingesetzt, dann kommt bevorzugt ein selektives Laserschmelzen bzw. ein selektives Lasersintern zum Einsatz. Wird als Material zumindest ein Kunststoff eingesetzt, so kann als 3D Druckverfahren für den zumindest einen Kunststoff das Fused Deposition Modeling oder das Multi Jet Modeling verwendet werden. Handelt es sich bei dem Beschichtungsmaterial um zumindest eine Keramik, so wird als 3D Druckverfahren bevorzugt das Color Jet Printing (CJP) verwendet. Es versteht sich von selbst, dass eine geeignete Beschichtung, die aus unterschiedlichen Materialschichten aufgebaut ist, in einem Druckprozess erstellt werden kann.
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Weiterhin wird in Verbindung mit der Erfindung vorgeschlagen, dass es sich bei der Schutzbeschichtung oder der Schutzumrandung um eine funktionale 3D Schicht handelt.
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Diese funktionale Schicht kann eingesetzt werden, um zumindest eine der folgenden Funktionen zu erfüllen:
- – Einhaltung der erforderlichen Abstände zwischen den einzelnen Bauteilen;
- – Haltefunktion;
- – Schutzfunktion;
- – Vibrationsschutz für ein Bauteil auf der Leiterplatte, beispielsweise besteht die funktionale Schicht aus einem schwingungsdämpfenden Material;
- – Ausbildung einer mechanischen und/oder thermischen Anpassschicht;
- – Ausbildung einer Anpassschicht zum Anpassen der akustischen Impedanz.
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Die Schutzumrandung ist so dimensioniert und ausgestaltet, dass sie das innerhalb der Schutzumrandung liegende Bauteil vor dem Kontakt mit der Vergussmasse effektiv schützt, wenn diese nachfolgend in einem separaten die Oberfläche der Leiterplatte versiegelnden herkömmlichen (also nicht 3D Druck) Vergussprozess mit einer Vergussmasse beschichtet wird.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1: eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Leiterplatte,
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1a: einen Querschnitt entsprechend der Kennzeichnung A-A in 1,
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2: eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Leiterplatte,
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3: einen Querschnitt durch eine dreilagige Schutzbeschichtung und
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4: ein Flussdiagramm, das eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht.
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1 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Leiterplatte 1 bzw. Elektronikplatine. Die Leiterplatte 1 weist eine Vielzahl von elektronischen und elektrischen Bauteilen 2, 3 auf. Bei dem Bauteil 2 handelt es sich beispielsweise um einen Microcontroller. Bei dem Bauteil 3 handelt es sich um eine Buchse für den Anschluss eines nicht gesondert dargestellten Steckers.
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Um das Bauteil 2 mit einer Schutzbeschichtung 5 einer in allen Oberflächenbereichen definierten Schichtdicke zu versehen, wird erfindungsgemäß ein 3D Druckverfahren bzw. ein generatives Herstellungsverfahren verwendet. Anhand der Bestückungsinformation, die entweder vom Leiterplattenhersteller oder über einen Scanprozess bereitgestellt wird, wird der 3D Drucker so angesteuert, dass alle Bereiche der Leiterplatte mit der erforderlichen Schutzbeschichtung versehen werden. Im gezeigten Fall ist lediglich das Bauteil 2 mit der Schutzbeschichtung 5 versehen. Bereits zuvor wurde beschrieben, dass die Beschichtung 5 in Abhängigkeit von der Funktion, die sie erfüllen soll, beliebig ausgestaltet sein kann.
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In 1a ist zu sehen, dass die gezeigte Schutzbeschichtung 5 aus einer Lage besteht. In 3 ist eine funktionale Beschichtung 5 mit drei Lagen a, b, c zu sehen, die zusätzlich zu der Schutzfunktion auch oder ausschließlich eine Erdungsfunktion übernimmt. Hierzu ist die mittlere Lage b aus einem leitfähigen Material gefertigt, das in einer Sandwich-Struktur in z.B. zwei nicht leitfähige Schichten, insbesondere Kunststoffschichten a, c eingebettet ist. Die Lage b ist mit Masse verbunden. Infolge der Erdung können sich im Bereich des Bauteils 2 keine statischen Aufladungen bilden. Bei dem Kunststoff kann es sich um alle gängigen und in der Automatisierungstechnik bewährten Materialien handeln. Wie bereits gesagt, kommen bevorzugt Polymere zum Einsatz. Selbstverständlich kann auch ein Thermoplast oder je nach Anwendung eine Keramik verwendet werden.
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Wie in 1a zu sehen ist, ist der Microcontroller 2 in seinen Oberflächenbereichen von einer einlagigen Schutzbeschichtung 5 umgeben. Diese bildet zusammen mit der Oberfläche der Leiterplatte 1 einen versiegelten, spaltfreien Innenraum, so dass der Microcontroller 2 effektiv vor schädlichen Umwelteinflüssen geschützt ist. Das Material und die Dicke der Schutzbeschichtung 5 sind so gewählt, dass die erforderliche Versiegelung des Bauteils 2 vollumfänglich erfüllt ist. Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, kann die Schutzbeschichtung 5 auch so ausgestaltet sein, dass sie anderweitige funktionale Aufgaben erfüllt.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Leiterplatte 1. Die Buchsen 3 sind jeweils von einer Schutzumrandung 4 umgeben, die in diesem Fall jedoch die Funktion einer Vergussbarriere ausübt. Wiederum wird die Lage der Schutzumrandung 4 anhand der Bestückungsinformation des Leiterplattenherstellers oder anhand eines Scannprozesses gewonnen. Das Material und die Dimensionen der Schutzumrandung 4 werden vorgegeben. Anschließend wird die Schutzumrandung in einem 3D Druckverfahren auf die Leiterplatte 1 in dem vordefinierten Bereich aufgebracht. Anschließend wird die Leiterplatte 1 in einem herkömmlichen Beschichtungsprozess mit einer Schutzschicht versehen, wobei die von der Schutzumrandung 4 umgegebenen Bereiche ausgespart sind. Hierzu ist der bereits zuvor genannten Deutschen Patentanmeldung weitere Information zu entnehmen. Es versteht sich von selbst, dass das Aufbringen der Schutzbeschichtung auch über ein 3D Druckverfahren erfolgen kann, wobei die Bereiche der Buchsen 3 ausgelassen werden.
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In 3 ist ein Flussdiagramm zu sehen, das eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt. Das Verfahren zum Schutz von zumindest einem vorgegebenen mit zumindest einem Bauteil 2, 3 bestückten Teilbereich einer Leiterplatte 1 startet bei Punkt 10. Anschließend werden unter Punkt 20 die digitalen Daten, die die Bestückungsinformation der Leiterplatte 1 mit Positionen und Dimensionen des Bauteils 2, 3 bzw. der Bauteile 2, 3 wiedergeben, geladen. Bevorzugt werden die Daten, insbesondere über die interessierenden Bereiche, vom Hersteller der Leiterplatte zur Verfügung gestellt. Eine alternative Lösung zur Bereitstellung der digitalen Daten ist unter Punkt 30 aufgeführt: Die Leiterplatte 1 wird zumindest partiell in dem interessierenden Bereich über ein z.B. Laserabtastverfahren gescannt. Die digitalen Daten werden also quasi vor Ort bzw. online ermittelt.
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Unter Punkt 40 wird weitere Information, die für den sich anschließenden 3D Druckprozess erforderlich ist, zur Verfügung gestellt. Bei dieser Information handelt es sich insbesondere um das Material und die Dicke der Schutzbeschichtung 5 bzw. der Schutzumrandung 4. Weiterhin kann in Verbindung mit den unterschiedlichen Ausgestaltungen der Erfindung auch Information über die innere oder äußere Struktur einer Schutzbeschichtung 5 oder Schutzumrandung 4 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die Oberfläche der Schutzbeschichtung 5 eine Mikrostruktur aufweisen, oder das Material der Schutzbeschichtung 5 hat zumindest in einem definierten inneren Bereich eine vorgegebene Porosität.
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Unter Punkt 50 wird die Schutzbeschichtung 5 und/oder die Schutzumrandung 4 an den dafür vorgesehen Positionen über ein 3D Druckverfahren aufgedruckt. Bei Punkt 60 ist das Verfahren beendet; die Leiterplatte liegt 1 in der gewünschten Form vor.
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Es wurde bereits zuvor erwähnt, dass Scan- und Druckprozess auch parallel durchgeführt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010038294 A1 [0008]
