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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektronische Komponente, hergestellt nach einem solchen Verfahren.
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Elektronische Komponenten in Form integrierter Schaltungen umfassen üblicherweise elektronische Baugruppen, die auf einer Leiterplatte zu einer elektrischen Schaltungsanordnung zusammengeführt sind. Derartige elektronische Komponenten werden beispielsweise in Steuergeräten für Kraftfahrzeuge, z. B. in Getriebesteuergeräten, eingesetzt.
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Zur Herstellung einer solchen elektronischen Komponente wird die Leiterplatte beispielsweise auf einen metallischen Träger, z. B. ein Aluminium-Träger, laminiert. Beim Laminieren werden dabei adhäsive Verbindungen durch Druck und/oder Temperatur hergestellt.
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Die Baugruppen auf der Leiterplatte können in Form sogenannter „Bare Dies“ oder als gelötete elektronische Bauteile mit einer Kunststoffabdeckung auf der Flachseite der Leiterplatte angeordnet sein. Als „Bare Dies“ werden integrierte elektronische Baugruppen bezeichnet, die ohne Abdeckung weiterverarbeitet werden. Diese elektronischen Baugruppen werden direkt auf der Leiterplatte aufgebracht und mittels elektrischer Verbindungselemente, wie z. B. Bonddrähten, Stanzgitter, flexibler Folien etc., mit weiteren auf der Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauteilen oder Baugruppen verbunden.
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Zum Schutz vor äußeren Einflüssen wird die elektronische Komponente mittels eines oder mehrerer Gehäuse vor äußeren Einflüssen, z. B. Getriebeöl, geschützt. Das Gehäuse umgibt dabei zumindest einen Teilbereich der bestückten Flachseite der Leiterplatte.
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Das Gehäuse ist zweckmäßigerweise aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet und wird mit der Leiterplatte beispielsweise mittels Kraft- und Formschluss verbunden, z. B. wird das Gehäuse an die Leiterplatte genietet oder geschraubt.
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Ist eine stoffschlüssige Anbindung des Gehäuses an die Leiterplatte erforderlich, ist neben der Sicherstellung einer Dichtheit auch ein Temperatur- und Druckeintrag auf die elektronischen Bauteile auf der Leiterplatte zu berücksichtigen. Wird das Gehäuse beispielsweise auf die Leiterplatte laminiert, so können beim Laminierprozess Temperaturen bis 200°C auftreten und gegebenenfalls Nachhärtungsschritte erforderlich sein, die weitere Temperatureinwirkungen bedingen, beispielsweise Nachhärtungen in einem Zeitraum von drei Stunden bei einer Temperatur von 150°C in einem Umluftofen.
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Wird als Klebemittel für die stoffschlüssige Verbindung des Gehäuses eine Vergussmasse, z. B. Silikonkautschuk, verwendet, ist zusätzlich ein thixotropes Klebemittel erforderlich, da aus dem Silikonkautschuk niedermolekulare Siloxane austreten können, woraus Undichtigkeiten und/oder ein Ablösen des Gehäuses von der Leiterplatte resultieren können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente sowie eine verbesserte elektronische Komponente anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich der elektronischen Komponente wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente, wird
- – eine Leiterplatte mit einem Trägerkörper verbunden,
- – die Leiterplatte mit einer Anzahl elektronischer Bauteile bestückt und
- – die Leiterplatte mit wenigstens einem Abdeckelement versehen, welches die Anzahl elektronischer Bauteile auf der Leiterplatte zumindest teilweise abdeckt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Abdeckelement über ein thermoplastisches Zwischenelement mit der Leiterplatte verbunden wird.
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Mittels des Verfahrens ist es möglich, elektronische Bauteile mediendicht zu verdecken und somit vor äußeren Einflüssen zu schützen. Das thermoplastische Zwischenelement schützt dabei das zu verdeckende elektronische Bauteil vor einer Temperatur, die während der Montage des Abdeckelements auf die Umgebung einwirkt.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das thermoplastische Zwischenelement auf eine bestückte Flachseite der Leiterplatte laminiert wird.
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Der Laminatverbund zwischen der Leiterplatte und dem thermoplastischen Zwischenelement ermöglicht eine mediendichte und mechanisch stabile Verbindung zwischen diesen beiden Komponenten.
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Weiterhin wird die Leiterplatte mit einer unbestückten Flachseite, d. h. mit einer dem thermoplastischen Zwischenelement abgewandten Flachseite, auf den Trägerkörper laminiert.
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Dies ermöglicht es, dass die Verbindung des thermoplastischen Zwischenelements mit der Leiterplatte gleichzeitig mit der Verbindung der Leiterplatte mit dem Trägerkörper herstellbar ist. Somit können Kosten und Aufwand zur Herstellung der elektronischen Komponente optimiert werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das wenigstens eine Abdeckelement mit dem thermoplastischen Zwischenelement verschweißt wird.
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Vorzugsweise wird als Schweißverfahren Ultraschallschweißen oder Laserschweißen durchgeführt. Das thermoplastische Zwischenelement ist dazu beispielsweise aus Polyamid 6.6, welches ein niedertemperaturstabiles Thermoplast darstellt, das bei Einwirkung hoher Temperaturen zumindest bereichsweise aufschmilzt und sich dadurch stoffschlüssig mit der Leiterplatte verbindet. Ist der Bereich auf der Leiterplatte, welcher mit einem Abdeckelement verdeckt werden soll, sehr groß – beispielsweise ein Bereich mit einer Mehrzahl elektronischer Bauteile, die zu einer integrierten Schaltungsanordnung zusammengeführt sind – kann alternativ auch ein hochtemperaturstabiler Thermoplast, wie z. B. Polyphthalamid, Polyphenylensulfid oder Polyethersulfon, als Material für das thermoplastische Zwischenelement verwendet werden. Damit können Auswirkungen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem thermoplastischen Zwischenelement und der Leiterplatte verringert werden.
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Ferner sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass zumindest ein abzudeckendes elektronisches Bauteil mit einer elektrisch isolierenden Vergussmasse versehen wird.
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Die Vergussmasse besteht beispielsweise aus Silikonkautschuk und bildet nach Aushärtung einen form- und stoffschlüssigen Verbund mit dem elektronischen Bauteil, so dass dieses zusätzlich vor äußeren Einflüssen geschützt ist.
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Die Erfindung sieht weiterhin eine elektronische Komponente vor, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Die elektronische Komponente umfasst eine Leiterplatte mit einer Anzahl elektronischer Bauteile, einen Trägerkörper, welcher mit der Leiterplatte verbunden ist, und wenigstens ein Abdeckelement, welches die Anzahl elektronischer Bauteile auf der Leiterplatte zumindest teilweise verdeckt. Das Abdeckelement ist dabei über ein Zwischenelement mit der Leiterplatte verbunden.
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Die elektronische Komponente ist zur Anordnung in einem Steuergerät für ein Kraftfahrzeug, beispielsweise in einem Getriebesteuergerät, vorgesehen. Das Abdeckelement schützt die Anzahl elektronischer Bauteile vor äußeren Einflüssen, wie z. B. Späne, Getriebeöl. Mittels des thermoplastischen Zwischenelements ist dabei auch eine mediendichte, stoffschlüssige Anbindung des Abdeckelements an der Leiterplatte möglich, bei deren Herstellung hohe Temperaturen auf die Umgebung einwirken, wie z. B. Schweißen.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das thermoplastische Zwischenelement einen abzudeckenden Bereich der Leiterplatte zumindest teilweise umschließt.
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Beispielsweise ist das thermoplastische Zwischenelement ringförmig ausgebildet und umschließt ein elektronisches Bauteil auf der Leiterplatte. Das Abdeckelement ist dabei auf dem offenen Ende des thermoplastischen Zwischenelements angeordnet und mit diesem verbunden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das wenigstens eine Abdeckelement mindestens eine Nut zur Aufnahme eines Klebemittels aufweist.
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Die Nut dient der Aufnahme eines Klebemittels im Falle, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Abdeckelement und dem thermoplastischen Zwischenelement beschädigt ist. Mittels des Klebemittels ist eine Reparatur der stoffschlüssigen Verbindung möglich, so dass weiterhin ein mediendichter Verbund zwischen dem Abdeckelement und dem thermoplastischen Zwischenelement sichergestellt ist.
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Zusätzlich dazu kann die Leiterplatte eine Nut zur Aufnahme eines Klebemittels aufweisen, so dass der Laminatverbund zwischen dem thermoplastischen Zwischenelement und der Leiterplatte gegebenenfalls repariert werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Leiterplatte mechanisch flexibel ausgebildet.
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Die Leiterplatte umfasst dabei wenigstens einen mechanisch flexiblen Abschnitt, welcher z. B. aus Polyamid gefertigt ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 schematisch eine Schnittdarstellung einer elektronischen Komponente mit einer bestückten Leiterplatte und einem Trägerkörper gemäß dem Stand der Technik, und
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2 schematisch eine Schnittdarstellung für ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer elektronischen Komponente.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine elektronische Komponente E gemäß dem Stand der Technik in perspektivischer Darstellung.
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Die elektronische Komponente E umfasst eine Leiterplatte 1, die im gezeigten Ausführungsbeispiel auf einer Flachseite eine Mehrzahl elektronischer Bauteile 2 aufweist, sowie einen Trägerkörper 3.
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Die Leiterplatte 1 ist beispielsweise eine HDI-Leiterplatte (HDI = High Density Interconnect) mit einer sogenannten Bare-Dies-Montage (Bare Dies = ungehäuste Halbleiterkomponenten) für den Einsatz als Getriebesteuerung in einem Kraftfahrzeug. Die elektronische Komponente E ist somit als Steuergerät, z. B. als Getriebesteuergerät, einsetzbar.
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Die Leiterplatte 1 umfasst als Substrat beispielsweise in Epoxidharz getränkte Glasfasern und ist somit starr ausgebildet. Alternativ kann die Leiterplatte 1 auch mechanisch flexibel ausgebildet sein und umfasst wenigstens einen mechanisch flexiblen Abschnitt, welcher z. B. aus Polyamid gefertigt ist, auf dem ein- oder beidseitig Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung der elektronischen Bauteile 2 aufgebracht sind.
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Die Leiterplatte 1 ist weiterhin mit einer weiteren Flachseite, hierbei einer den elektronischen Bauteilen 2 abgewandten Flachseite, stoffschlüssig mit dem Trägerkörper 3 verbunden, z. B. mittels eines Laminatverbunds V. Der Laminatverbund V ist hierbei eine adhäsive Verbindung zwischen der Leiterplatte 1 und dem Trägerkörper 3, die mittels Druck und gegebenenfalls mittels Temperatureinwirkung hergestellt wird.
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Der Trägerkörper 3, auch als Leadframe oder (Kupfer-)Stanzgitter/Trägerkörper bezeichnet, weist eine elektrisch leitfähige Trägerstruktur auf. Beispielsweise ist der Trägerkörper 3 aus Aluminium gebildet und wird als Stanzgitter gefertigt, wobei der Trägerkörper 3 Kontaktstifte (nicht dargestellt) zur elektrischen Kontaktierung der elektronischen Bauteile 2 aufweist.
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Als elektronische Bauteile 2 sind beispielsweise Drehzahlsensoren und/oder Hallsensoren auf der Leiterplatte 1 angeordnet, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer auflaminierten Kunststoffabdeckung versehen sind. Weiterhin ist auf der Leiterplatte 1 ein Abdeckelement 5 angeordnet, welches mittels Nieten kraftschlüssig an der Leiterplatte 1 befestigt ist. Zusätzlich kann das Abdeckelement 5 stoffschlüssig mit der Leiterplatte 1 verbunden sein, z. B. mittels einer Feststoffdichtung 4.
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Das Abdeckelement 5 dient insbesondere der Abdeckung einer Anzahl nicht näher gezeigter sogenannter Bare Dies, die auf die Flachseite der Leiterplatte 1 geklebt oder gelötet werden. Eine elektrische Kontaktierung zwischen den Bare Dies und der Leiterplatte 1 erfolgt beispielsweise mittels Bonddrahtverbindungen.
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Das Abdeckelement 5 ist zum Schutz der elektronischen Bauteile 2 vor äußeren Einflüssen, wie z. B. Getriebeöl, Späne usw., aus einem mechanisch und chemisch beständigen sowie elektrisch isolierenden Material gebildet. Beispielsweise ist das Abdeckelement 5 aus einem Duroplast geformt.
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Im Stand der Technik wird das Abdeckelement 5 üblicherweise auf die Leiterplatte 1 laminiert.
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Insbesondere wird die Leiterplatte 1 auf den Trägerkörper 3 laminiert. Der Laminatverbund V wird mittels eines Klebemittels, z. B. Acrylkleber, hergestellt, welches unter Einwirkung von Druck und Temperatur einen stoffschlüssigen Verbund zwischen der Leiterplatte 1 und dem Trägerkörper 3 herstellt. Die Leiterplatte 1 ist hierbei in einem ersten Schritt noch unbestückt und somit nicht mit elektronischen Bauteilen 2 versehen.
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Anschließend wird die Leiterplatte 1 mit einer Anzahl oder Mehrzahl elektronischer Bauteile 2 bestückt. Beispielsweise werden Sensoren und/oder Bare Dies auf die Leiterplatte 1 geklebt oder gelötet und elektrisch leitend mit der Leiterplatte 1 verbunden, z. B. mittels Bonddrahtverbindungen und/oder mittels Lötstellen.
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Zum Schutz ungehäuster elektronischer Bauteile 2, z. B. Sensoren, wird das Abdeckelement 5 auf die Leiterplatte 1 aufgebracht, wobei alternativ auch mehrere Abdeckelemente 5 denkbar sind.
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Dazu zeigt 1 die elektronische Komponente E nach einem zweiten Herstellungsschritt, bei welchem das Abdeckelement 5 auf die Leiterplatte 1 laminiert ist. Der Laminatverbund V zwischen Abdeckelement 5 und Leiterplatte 1 wird hierbei ähnlich wie im ersten Herstellungsschritt mittels eines Klebemittels, z. B. Acrylkleber, hergestellt, welches unter Einwirkung von Druck und Temperatur einen stoffschlüssigen Verbund zwischen der Leiterplatte 1 und dem Abdeckelement 5 herstellt.
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Während des Laminierens können Temperaturen bis 200°C erreicht werden. Zusätzlich können Nachhärtungsschritte zum vollständigen Aushärten des Klebemittels erforderlich sein. Beispielsweise ist ein Zeitraum zum Nachhärten von bis zu drei Stunden bei einer Temperatureinwirkung von 150°C, z. B. in einem Umluftofen, möglich. Weiterhin ist auf der Leiterplatte 1 üblicherweise keine Geometrie zur Begrenzung des Klebemittels vorgesehen.
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Ist zudem vorgesehen, den mit dem Abdeckelement 5 zu verdeckenden Bereich, z. B. eine integrierte Schaltung und/oder deren periphere Kontaktierungen wie Bonddrähte, zusätzlich mit einer Vergussmasse zu versehen, ist eine kostenintensive Vergussmasse mit thixotropen Eigenschaften erforderlich. Dies ist dadurch begründet, dass beispielsweise bei der Verwendung von Silikonkautschuk als Vergussmasse niedermolekulare Siloxane beim Laminieren austreten können. Dies führt zu Undichtigkeiten und gegebenenfalls zum Ablösen des Abdeckelements 5 von der Leiterplatte 1. Eine Vergussmasse ist allerdings sinnvoll, da dieser Bereich der Leiterplatte 1 vor Restschmutz und somit vor Kurzschlüssen geschützt wird.
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Für eine kosten- und aufwandsoptimierte Herstellung der elektronischen Komponente E, deren elektronische Bauteile 2 zuverlässig vor äußeren Einflüssen geschützt sind, schlägt die Erfindung ein thermoplastisches Zwischenelement 6 vor, wie es in der nachfolgenden 2 beschrieben ist.
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2 zeigt dazu eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer elektronischen Komponente E mit einem thermoplastischen Zwischenelement 6.
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Das thermoplastische Zwischenelement 6 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ringförmig ausgebildet und umschließt das abzudeckende elektronische Bauteil 2. Alternativ sind auch andere Ausformungen des thermoplastischen Zwischenelements 6 möglich, wobei für einen mediendichten Verschluss des abzudeckenden elektronischen Bauteils 2 oder des Bereichs ein geschlossener Umfangsverlauf vorteilhaft ist. Eine Höhe des thermoplastischen Zwischenelements 6 ist zweckmäßigerweise größer als eine Höhe des abzudeckenden elektronischen Bauteils 2 oder Bereichs.
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Das thermoplastische Zwischenelement 6 ist aus einem niedertemperaturstabilen Thermoplast, wie z. B. Polyamid 6.6, geformt, welches bei Einwirkung hoher Temperaturen zumindest bereichsweise aufschmilzt und sich dadurch stoffschlüssig mit der Leiterplatte 1 verbindet. Das thermoplastische Zwischenelement 6 wird somit auf die Leiterplatte 1 laminiert.
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Ist der abzudeckende Bereich auf der Leiterplatte 1 sehr groß – beispielsweise ein Bereich mit einer integrierten Schaltung – kann das thermoplastische Zwischenelement 6 alternativ auch aus einem hochtemperaturstabilen Thermoplast, wie z. B. Polyphthalamid, Polyphenylensulfid oder Polyethersulfon, gebildet sein. Damit können Auswirkungen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem thermoplastischen Zwischenelement 6 und der Leiterplatte 1 verringert werden.
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Sind mehrere Abdeckelemente 5 vorgesehen, so ist auch eine Anzahl thermoplastischer Zwischenelemente 6 denkbar, die mit einer Anzahl von Abdeckelementen 5 korrespondiert.
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Das Laminieren des thermoplastischen Zwischenelements 6 ist vorzugsweise während des ersten Herstellungsschritts durchführbar, bei welchem die Leiterplatte 1 auf den Trägerkörper 3 laminiert wird. Somit kann die Herstellung der elektronischen Komponente E zeit- und kostenoptimiert erfolgen. Darüber hinaus kann die im Stand der Technik erforderliche Feststoffdichtung 4 entfallen.
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2 zeigt die elektronische Komponente E in Explosionsdarstellung mit noch nicht befestigten Abdeckelement 5 zur besseren Darstellung der Form und Ausgestaltung des thermoplastischen Zwischenelements 6 vor Befestigung des Abdeckelements 5 an der Leiterplatte 1, aber nach Befestigung an der Leiterplatte 1. Zur Befestigung und Abdichtung der Verbindung zwischen Abdeckung 5 und Leiterplatte 1 wird das Abdeckelement 5 mit dem thermoplastischen Zwischenelement 6 verschweißt.
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Zum Verschweißen des Abdeckelements 5 mit dem thermoplastischen Zwischenelement 6 eignet sich beispielsweise Ultraschallschweißen oder Laserschweißen.
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Mittels des thermoplastischen Zwischenelements 6 ist somit ein mediendichter Verschluss eines Bereichs auf der Leiterplatte 1 möglich, welcher langfristig mechanisch zuverlässig und stabil ist. Zudem ist mittels des thermoplastischen Zwischenelements 6 die Verwendung einer kostengünstigen Verguss- oder Dichtungsmasse, wie z. B. Silikonkautschuk, für einen zusätzlichen Schutz gegen Restschmutz vor der Befestigung des Abdeckelements 5 möglich. Der Silikonkautschuk oder das Silgel ist im unausgehärteten Zustand sehr flüssig. Das Zwischenelement 6, insbesondere dessen U-förmiger Querschnitt, wirkt dabei wie ein Rahmen, so dass der Silikonkautschuk oder das Silgel nicht auslaufen kann und auf seiner vorgesehenen Position gehalten wird.
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In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung weist das das Zwischenelement 6 und/oder das Abdeckelement 5 zusätzlich mindestens eine Nut zur Aufnahme eines Klebemittels auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Zwischenelement 6 eine solche Aufnahmenut N auf.
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Die Nut dient der Aufnahme des Klebemittels im Falle, dass die Schweißverbindung zwischen dem Abdeckelement 5 und dem thermoplastischen Zwischenelement 6 beschädigt ist. Mittels des Klebemittels ist eine Reparatur möglich, so dass das elektronische Bauteil 2 oder der Bereich der Leiterplatte 1 weiterhin mediendicht verschlossen ist.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Leiterplatte 1 eine Nut zur Aufnahme eines Klebemittels aufweisen, so dass der Laminatverbund V zwischen dem thermoplastischen Zwischenelement 6 und der Leiterplatte 1 ebenfalls repariert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- elektronisches Bauteil
- 3
- Trägerkörper
- 4
- Feststoffdichtung
- 5
- Abdeckelement
- 6
- thermoplastisches Zwischenelement
- E
- elektronische Komponente
- N
- Aufnahmenut
- V
- Laminatverbund
