DE102014212003A1

DE102014212003A1 - Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baueinheit und elektronische Baueinheit

Info

Publication number: DE102014212003A1
Application number: DE102014212003.9A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wieczorek; Andreas Reif; Andreas Vögerl; Gerhard Bauer; Jürgen Henniger
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2014-06-23
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2015-12-24

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baueinheit weist die Schritte des Bereitstellen eines auf einem Träger angeordneten elektronischen Bauteils (10) und eines das elektronische Bauteil umschließenden Deckels (2), des Aufstülpens des Deckels auf den Träger derart, dass sich eine Innenfläche (6) eines Endabschnitts (4) des Deckels dem elektronischen Bauteil annähert, des Initiierens eines Verschmelzens des Deckels mit dem Träger und Aufbringen einer zu dem Träger gerichteten Druckkraft auf den Deckel, des Messens eines Einsinkwegs des Deckels in den Träger an einer Außenfläche (8) des Endabschnitts des Deckels, und des Beendens des Verschmelzens, wenn die Außenfläche des Endabschnitts nicht mehr einsinkt, auf. Das elektronische Bauteil kann dabei durch den Deckel fixiert werden, wobei eine übermäßige Druckkraft auf das elektronische Bauteil vermeidbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baueinheit sowie eine elektronische Baueinheit.
In Antriebssträngen von Fahrzeugen, die beispielsweise Getriebe und andere Einrichtungen umfassen, sind neben mechanischen Elementen üblicherweise auch elektronische Bauteile, beispielsweise Sensoren zur Erfassung von Bewegungen innerhalb von mechanischen Elementen, enthalten. Sensoren sind oftmals sehr empfindliche elektronische Bauteile, die vor äußeren Einwirkungen zu schützen sind und demnach für einen derartigen Einsatz üblicherweise gekapselt sind.
Es werden häufig vollgekapselte Sensoren eingesetzt, die berührungslos die Rotation von Wellen oder anderen rotierenden Maschinenelementen erfassen. Die Kapselung erfolgt dabei durch vollständiges, dichtes Umschließen des elektronischen Bauteils mit einem Gehäuse, das aus einem geeigneten Material zum Schützen des Sensors besteht.
Ein Sensor zum drahtlosen Erfassen von Drehzahlen und anderen Parametern erfordert einen möglichst geringen Abstand einer aktiven Sensorfläche zu dem betreffenden Maschinenelement, wobei der Abstand einen vorbestimmten Wert möglichst nicht überschreiten sollte. Bei der Kapselung des Sensors kann dieser durch das ihn umgebende Gehäuse selbst fixiert werden, was einerseits eine möglichst dichte Anordnung des Sensors an einer Außenfläche des Gehäuses angeordnet erlaubt, andererseits auch die Notwendigkeit einer separaten Halterung bzw. Fixiervorrichtung. Durch dichtes Anordnen der Außenfläche des Gehäuses an dem betreffenden Maschinenelement kann das Erfordernis des geringen Abstands erfüllt werden.
Es ist jedoch zu beachten, dass bei der Kapselung des elektronischen Bauteils die Abdeckung keine zu starke Kraft auf das elektronische Bauteil ausüben darf, jedoch gleichzeitig dessen ausreichende Fixierung erlauben muss. Bei bisher bekannten Verfahren zum Verschweißen einer Abdeckung mit einem Träger eines elektronischen Bauteils kann durch toleranztechnische Abweichungen der Deckel eine zu hohe Kraft auf das elektronische Bauteil ausüben, so dass dessen einwandfreie Funktion gefährdet ist, was sich nicht unbedingt auf ein weitergegebenes Signal beschränken muss.
Es kann folglich als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baueinheit vorzuschlagen, bei dem ein elektronisches Bauteil durch eine Abdeckung zu fixieren ist, wobei gleichzeitig sichergestellt werden muss, zuverlässig eine zu hohe, auf das elektronische Bauteil einwirkende Kraft zu vermeiden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baueinheit vorgeschlagen, das die Schritte des Bereitstellens eines auf einem Träger angeordneten elektronischen Bauteils und eines das Bauteil einschließenden Deckels, des Aufstülpens des Deckels auf den Träger derart, dass sich eine Innenfläche eines geschlossenen Endabschnitts des Deckels dem elektronischen Bauteil annähert, des Verschmelzens des Deckels mit dem Träger und des gleichzeitigen Aufbringens einer zu dem Träger gerichteten Kraft auf den Deckel, des mehrfachen Messens des Einsinkwegs des Deckels in den Träger an zumindest einer Stelle einer Außenfläche des Endabschnitts und des Beendens des Verschmelzens, wenn der Einsinkweg konstant bleibt.
Dieses Verfahren ist dazu geeignet, eine elektronische Baueinheit herzustellen, welche ein elektronisches Bauteil aufweist, das auf einem Träger angeordnet ist und durch einen Deckel gekapselt und gleichzeitig fixiert wird. Durch das mehrfache Messen des Einsinkwegs kann dieser zuverlässig beobachtet werden, um festzustellen, wann ein Endabschnitt des Deckels auf das elektronische Bauteil stößt und dieses fixiert.
Der Träger ist als eine Art Grundkörper zu verstehen, der in der Nähe des zu überwachenden Maschinenelements positionierbar ist und vielfältige Formen aufweisen kann, die dessen einfache Befestigung erlauben. Die Art des Grundkörpers soll den Gegenstand der Erfindung jedoch nicht beschränken. Es könnte von Vorteil sein, wenn der Grundkörper und der Deckel aus dem gleichen Material oder aus ähnlichen Materialien bestehen, die das Verschmelzen der beiden Komponenten erlauben und ein ähnliches Wärmedehnverhalten zeigen.
Zum Verschmelzen des Deckels, welcher je nach Art des Trägers haubenförmig oder annähernd flach bzw. scheibenförmig ausgeführt sein kann, mit dem Grundkörper wird der Deckel auf das elektronische Bauteil gestülpt und liegt auf den Grundkörper auf, wobei in einer Ausgangsposition die Innenfläche des Deckels das elektronische Bauteil noch nicht berührt. Mit Hilfe einer Maske kann der Deckel in einem Befestigungsbereich, beispielsweise an einem umlaufenden Kragen, auf den Träger gedrückt werden. Gleichzeitig kann durch Einwirkung eines dafür geeigneten Laserstrahls oder durch Einwirkung von Schwingungen im Ultraschallbereich eine Verschmelzung der beiden Körper durchgeführt werden, bei dem Material des Deckels unter Einwirkung einer ausreichenden Flächenpressung in einer Fügezone auf den Deckel gerichteten Kraft bereichsweise mit dem Material des Grundkörpers in der Fügezone verschmilzt und in diesen einsinkt. Damit entsteht eine bevorzugt umlaufende Abdichtung zwischen dem Träger und dem Deckel, so dass das elektronische Bauteil vollständig gekapselt ist.
Der Träger oder der Deckel könnten einen umlaufenden Vorsprung, der auf dem jeweils anderen Bauteil zum Aufliegen kommt und bei der Verschmelzung in das jeweils andere Bauteil eindringt. Unabhängig von der Gestaltung der betreffenden Flächen sinkt der Deckel während des Verschmelzungsvorgangs kontinuierlich in Richtung des Trägers ab. Dabei wird der sogenannte Einsinkweg zurückgelegt. Ab einem bestimmten Einsinkweg liegt schließlich die Innenfläche des Endabschnitts auf dem elektronischen Bauteil auf.
Der Deckel ist weiterhin nicht vollständig starr, sondern der Endabschnitt kann eine gewisse Elastizität aufweisen, die diesem zu einer effektiven Federsteifigkeit verhilft. Dies kann durch eine Einwölbung des Endabschnitts unterstützt werden, die eine vorbestimmte Federsteifigkeit besitzt und bei dem Verschmelzungsvorgang zuerst mit dem Bauteil in Berührung gerät. Durch Einwirkung einer der Einsinkbewegung entgegengesetzten Kraft des üblicherweise starren elektronischen Bauteils auf die Innenfläche des Endabschnitts kann eine elastische Verformung des Endabschnitts eintreten, die zu einer sichtbaren Ausbeulung der Außenfläche führt. Trotz des fortschreitenden Einsinkvorgangs bleibt demnach eine Stelle der Außenfläche auf einer konstanten Höhe relativ zu dem Träger stehen, d.h. der Einsinkweg bleibt konstant, sobald das elektronische Bauteil durch Berührung der Innenfläche des Endabschnitts fixiert wird. Um eine übermäßige Krafteinwirkung auf das elektronische Bauteil auszuüben, wird der Verschmelzungsprozess bei Erreichen dieses Punktes beendet. Die auf das Bauteil einwirkende Kraft wird ausschließlich durch die Federgeometrie des Deckels bestimmt.
Ein Kern liegt somit in der mehrfachen Messung eines Abstands zwischen der mindestens einen Stelle der Außenfläche und einer Referenzfläche des Trägers, um den Einsinkweg zu beobachten und die Beendigung des Verschmelzens zu initiieren. Diese mindestens eine Stelle kann insbesondere einen zu erwartenden Scheitelpunkt einer Ausbeulung der Außenfläche beinhalten, der in der Einsinkrichtung direkt oberhalb des elektronischen Bauteils liegt.
Mit diesem Verfahren können mehrere Vorteile in Kombination erreicht werden. Zum einen wird sichergestellt, dass das elektronische Bauteil tatsächlich durch den Deckel fixiert wird und somit seine vorgegebene Position beibehält. Zum anderen kann durch den neuartigen Steuerungsvorgang sichergestellt werden, dass die Krafteinwirkung auf das elektronische Bauteil zum Schutz desselben vor einer mechanischen Überbeanspruchung begrenzt ist. Eine Verschmelzung zwischen dem Deckel und dem Träger kann weiterhin durch den Steuerungsprozess verbessert werden, denn es müssen keine Vorsichtsmaßnahmen oder Sicherheitsfaktoren bei der Beurteilung des noch durchzuführenden Einsinkwegs berücksichtigt werden, die zum einen dazu führen könnten, dass das elektronische Bauteil nicht richtig fixiert ist, zum anderen auch, dass der Verschmelzungsvorgang auf einer umlaufenden Bahn noch nicht vollständig ist. Der Abstand zwischen einer Außenfläche des Endabschnitts Deckels und dem elektronischen Bauteil ist dabei minimal, da kein Sicherheitsabstand benötigt wird. Die Baueinheit kann somit kleiner ausgeführt werden, da Toleranzen ohne Einwirkung einer auf das Bauteil gerichteten Kraft überbrückt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Messen des Einsinkwegs des Deckels durch eine optische Abstandsmessung von einem trägerfesten Fixpunkt aus. Eine optische Abstandsmessung kann durch vielfältige unterschiedliche Einrichtungen vollzogen werden. Diese basieren üblicherweise auf der Erfassung zumindest einer physikalischen Größe eines reflektierten Lichtstrahls und insbesondere eines Laserstrahls, der kontinuierlich oder gepulst auf die Außenfläche des Deckels abgestrahlt wird. Die zu erfassenden physikalischen Größen können unterschiedlich sein. Zum einen kann eine Laufzeitmessung zwischen der Aussendung eines Lichtstrahls und des Empfangs eines reflektierten Lichtstrahls durchgeführt werden. Durch Vergleich mehrerer aufeinanderfolgender Laufzeitmessungen kann folglich festgestellt werden, wie sich die Laufzeit und damit der Abstand zwischen der Lichtquelle und der Außenfläche ändert. Ein Anfangspunkt mit einer Anfangslaufzeit kann als Nullpunkt für eine Berechnung des Einsinkwegs aus der Laufzeit betrachtet werden. Ändert sich die gemessene Laufzeit, führt dies zur Änderung des berechneten Einsinkwegs. Zur Erreichung einer höheren Messgenauigkeit kann auch die Phasenlage des reflektierten Lichtstrahls untersucht werden, beispielsweise über ein Laserinterferometrieverfahren. Hierbei werden zwei oder mehr Lichtbündel auf getrennte optische Bahnen geführt und anschließend durch Reflexion wieder zusammengeführt, was schließlich zu einem Interferenzmuster führt, das von der Wegdifferenz der Lichtbündel abhängig ist. Dieses Interferenzmuster kann zur Bestimmung des Abstandes zwischen einem trägerfesten Fixpunkt und der mindestens einen Stelle auf der Außenfläche untersucht werden. Die Abstandsmessung kann weiterhin durch ein kamerabasiertes Verfahren erreicht werden.
Das Verschmelzen kann ferner durch ein Laserschweißverfahren durchgeführt werden. Beim Laserschweißen kann eines von Träger und Deckel lasertransparent ausgeführt sein, so dass eine Bestrahlung eines Verbindungsbereichs durch das lasertransparente Bauteil hindurch an einer Grenzfläche zu dem nicht lasertransparenten Bauteil ein Wärmeeintrag entsteht, der zu einer Verschmelzung führt.
Weiterhin kann die Verschmelzung auch durch ein Ultraschallschweißverfahren erfolgen. Hierzu ist nicht erforderlich, dass eines der beiden Bauteile lasertransparent ist. In einem Verbindungsbereich werden hochfrequente mechanische Schwingungen erregt, die zu einer Molekular- und Grenzflächenreibung in dem Verbindungsbereich führt, welche die für das Schweißen notwendige Wärme erzeugt. Das Verfahren eignet sich insbesondere für thermoplastische Kunststoffe.
Beide Verfahren zum Verschmelzen des Deckels und des Trägers zeichnen sich dadurch aus, dass viele unterschiedliche thermoplastische Materialien schnell, sicher, mit reproduzierbarer Qualität und sortenrein miteinander verschmelzbar sind und ferner eine absolute Fluiddichtheit erreicht wird.
Die Verbindung des optischen Messens des Einsinkwegs mit einem Laserschweißverfahren ist besonders günstig, denn eine Laserschweißeinrichtung kann mit einer zusätzlichen Einrichtung zur optischen Entfernungsmessung ausgestattet werden, wobei der schweißende Laser nicht behindert wird. Eine mechanische Wegoder Kraftmessung würde in einer Vorrichtung mit einem Laserstrahl oder einer Schweißmaske kollidieren.
Die Erfindung betrifft ferner eine elektronische Baueinheit, aufweisend einen Träger mit einem darauf angeordneten elektronischen Bauteil und einem das elektronische Bauteil umschließenden Deckel, wobei der Deckel einen elastischen, geschlossenen Endabschnitt mit einer Innenfläche und einer Außenfläche aufweist, wobei die Innenfläche auf das elektronische Bauteil bringbar ist, so dass beim Aufdrücken des Deckels auf den Träger die Innenfläche des Deckels mit dem elektronischen Bauteil in Berührung gerät und an der Außenfläche elastisch verformt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eines des Trägers und des Deckels lasertransparent. Damit wird ein Laserschweißverfahren insbesondere für thermoplastische Kunststoffe ermöglicht.
In einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform sind der Deckel und der Träger dazu eingerichtet, mittels eines Ultraschallschweißverfahrens miteinander verschweißt zu werden. Der Träger und der Deckel sind dabei insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. In den Figuren stehen dabei gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
1 zeigt einen Endabschnitt eines Deckels in einer Bewegung auf ein elektronisches Bauteil in einer Schnittdarstellung.
2 zeigt die Innenfläche des Endabschnitts auf dem elektronischen Bauteil.
3 zeigt einen Verlauf eines Einsinkwegs während eines Verschmelzungsvorgangs in einem Diagramm.
In 1 wird ein Deckel 2 zum Abdecken eines elektronischen Bauteils 10 gezeigt, der einen geschlossenen Endabschnitt 4 besitzt, welcher nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf dem Bauteil 10 aufliegen soll. Das Material des Deckels 2 ist elastisch und der Endabschnitt 4 ist derart gestaltet, dass eine vorbestimmte Federgeometrie in einer Einsinkrichtung x entsteht.
In 1 ist der Endabschnitt 4 noch völlig unbelastet. Eine Innenfläche 6 des Deckels 2 ist aufgrund der gewählten Federgeometrie als Ausbeulung zu dem elektronischen Bauteil 10 gerichtet, welches mit dem Deckel 2 gekapselt werden soll. Dieser Zustand könnte etwa beim Beginn eines Verschmelzungsprozesses vorliegen, bei dem der Deckel 2 auf einem hier nicht dargestellten Träger aufliegt und das elektronische Bauteil 10 noch nicht berührt wird.
Beim Verschmelzen des Deckels 2 und des Trägers, wobei Material des Deckels 2 mit dem Material des Trägers verschmilzt, wird das elektronische Bauteil 10 ab einem bestimmten Einsinkweg des Deckels 2 in den Träger berührt.
In 2 wird dargestellt, dass bei der Berührung des Bauteils 10 dieses eine Gegenkraft auf die Innenfläche 6 ausübt, so dass sich der Endabschnitt 4 nach außen wölbt. Dadurch wird eine Außenfläche 8 des Deckels 2 verformt.
Durch Beobachtung einer Stelle 12 des Deckels 2, die etwa ein Scheitelpunkt der Außenfläche 8 sein kann, mithilfe einer optischen Einrichtung zum Erfassen eines Abstands d zu einem trägerfixen Punkt 14 kann erfasst werden, wann die Stelle 12 der Einsinkbewegung des Deckels 2 in den Träger nicht mehr folgt, sondern aufgrund des starren Bauteils 10 auf einer Endposition, d.h. einem konstanten Einsinkweg, verbleibt.
Durch Wahl der Federgeometrie kann die auf das Bauteil 10 ausgeübte Kraft, die ausschließlich aus dem Federweg und der Federkonstante resultiert, sehr genau eingestellt werden.
3 zeigt in einem Diagramm einen Verlauf eines von einer Einrichtung zum optischen Messen des Einsinkweges der Stelle 12 erfassten Einsinkweges. Über einen freien Einsinkabschnitt 16 sinkt der Deckel 2 in Richtung des Trägers, ohne dass das elektronische Bauteil 10 berührt wird. Ab der Berührung des elektronischen Bauteils 10 bewegt sich die Außenfläche 8 nicht mehr, da die Innenfläche 6 auf dem elektronischen Bauteil 10 aufliegt. Hier sinkt der Deckel 2 nicht mehr in den Träger ein, sondern das Bauteil 10 drückt gegen die Innenfläche 6. Folglich wird in einem Fixierabschnitt 18 von der Außenfläche 8 keine Strecke mehr zurückgelegt und es kann somit festgestellt werden, dass das elektronische Bauteil 10 von der Innenfläche 6 gehalten wird und ein Schweißvorgang abgebrochen werden kann. Nach Abbruch des Verschmelzungsvorgangs wird noch maximal ein Nachdrückweg über die Federgeometrie verformt, so dass die einwirkende Kraft auf das Bauteil 10 dem der Federkraft entspricht.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Baueinheit, aufweisend die Schritte – Bereitstellen eines auf einem Träger angeordneten elektronischen Bauteils (10) und eines das elektronische Bauteil (10) umschließenden Deckels (2), – Aufstülpen des Deckels (2) auf den Träger derart, dass sich eine Innenfläche (6) eines Endabschnitts (4) des Deckels (2) dem elektronischen Bauteil (10) annähert, – Initiieren eines Verschmelzens des Deckels (2) mit dem Träger und Aufbringen einer zu dem Träger gerichteten Druckkraft auf den Deckel (2), – Messen eines Einsinkwegs des Deckels (2) in den Träger an einer Außenfläche (8) des Endabschnitts (8) des Deckels, (2) und – Beenden des Verschmelzens, wenn die Außenfläche (8) des Endabschnitts (4) nicht mehr einsinkt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Messen des Einsinkwegs des Deckels (2) durch eine optische Abstandsmessung von einem trägerfesten Fixpunkt (14) aus erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die optische Abstandsmessung auf einer Laufzeitmessung eines Lichtstrahls oder auf einer Interferometrie basiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verschmelzen durch ein Laserschweißverfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verschmelzen durch ein Ultra-schallschweißverfahren erfolgt.
Elektronische Baueinheit, aufweisend einen Träger mit einem darauf angeordneten elektronischen Bauteil (10) und einem das elektronische Bauteil (10) umschließenden Deckel (2), wobei der Deckel (2) einen elastischen, geschlossenen Endabschnitt (4) mit einer Innenfläche (6) und einer Außenfläche (8) aufweist, wobei die Innenfläche (6) auf das elektronische Bauteil (10) auflegbar ist, so dass beim Aufdrücken des Deckels (2) auf den Träger die Innenfläche (6) des Deckels (2) mit dem elektronischen Bauteil (10) in Berührung gerät und an der Außenfläche (8) elastisch verformt wird.
Elektronische Baueinheit nach Anspruch 6, wobei eines des Trägers und des Deckels (2) lasertransparent.
Elektronische Baueinheit nach Anspruch 6, wobei der Deckel (2) und der Träger dazu eingerichtet sind, mittels eines Ultraschallschweißverfahrens miteinander verschmolzen zu werden.
Elektronische Baueinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Deckel (2) in dem Endabschnitt (4) eine Einwölbung aufweist.