DE102015223668A1

DE102015223668A1 - Verfahren zur Herstellung einer mit Kunststoff umspritzten Elektronikbaugruppe, eine derartige Elektronikbaugruppe, sowie ein kapazitiver Sensor

Info

Publication number: DE102015223668A1
Application number: DE102015223668.4A
Authority: DE
Inventors: Sabine Wohnhas; Andreas Kemmer; Rüdiger Egle
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2035-12-01
Also published as: DE102015223668B8; DE202014010573U1; DE102015223668B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mit Kunststoff umspritzen Elektronikbaugruppe mit folgenden Schritten: a) Bestückung der Leiterplatte mit Elektronikbauteilen b) Aufbringen eines Schutzlacks auf die bestückte Leiterplatte wobei in einem ersten Arbeitsschritt der Schutzlack im Randbereich der Leiterplatte mit einer Dispenserdüse strichförmig aufgebracht wird, um einen Damm zu bilden wobei in einem zweiten Arbeitsschritt der Schutzlack im Innenbereich der Leiterplatte mit einer Flachdüse flächendeckend mit einer Schichtdicke kleiner 200 µm aufgebracht wird c) Aushärten des Lacks bei einer Temperatur zwischen 70 °C und 110 °C d) Vollständiges Umspritzen der bestückten Leiterplatte in einer herkömmlichen Kunststoffspritzgussanlage bei mehr als 200 °C und einem Spritzdruck zwischen 400 Bar und 600 Bar. e) wobei der Schutzlack bei 20 °C eine Viskosität nach DIN EN ISO 3219 kleiner 1300 mPas aufweist, was einer Auslaufzeit kleiner 80 s nach DIN EN ISO 2431 entspricht, wobei eine Kapillarwirkung eintritt, f) so dass der Lack unter die Elektronikbauteile und in den Kabelmantel kriecht. g) Wobei der Schutzlack im Randbereich identisch mit dem im Innenbereich ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine nach dem erfindungsgenäßen Verfahren hergestellte Elektronikbaugruppe mit einer viskosen Lackschicht zwischen der Leiterplatte und der Kunststoffhülle, sowie einen kapazitiven Sensor mit einer solchen Elektronikbaugruppe.

Description

Verfahren zur Herstellung einer mit Kunststoff umspritzten Elektronikbaugruppe, eine derartige Elektronikbaugruppe, sowie ein kapazitiver Sensor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mit thermoplastischem Kunststoff umspritzten Elektronikbaugruppe im konventionellen Spritzgussverfahren, eine derartige Elektronikbaugruppe, sowie einen kapazitiven Sensor mit einer solchen Elektronikbaugruppe, der vorwiegend in der Automatisierungstechnik Anwendung findet.
Derartige Sensoren werden als Baureihe KQ von der Anmelderin hergestellt und auch vertrieben.
Aus der DE 20 2012 008 508 U1 ist ein kapazitiver Sensor mit einer umspritzten Leiterplatte bekannt. Die Vergussmasse umschließt die Elektronikbaugruppe nebst Anschlusskabel vollständig und bildet so auch das Gehäuse. Ein Schutzlack für empfindliche elektronische Bauteile ist nicht vorgesehen
Aus DE 10 2007 045 535 A1 ist ein Winkelsensor bekannt, der ohne umgebendes Gehäuse lediglich durch einen Vergusskörper geschützt ist. Der Vergusskörper ist vorzugsweise zweilagig mit einem weicheren Innenteil und einer äußeren harten Schicht ausgeführt.
Aus der Schrift ist weiterhin bekannt, definierte Bereiche der Oberseite der kombinierten Träger/Leiterplatte mit Lötstoppmasken-Schutzlack zu beschichten.
Um das Eindringen von Wasser zwischen Vergusskörper und Leiterplatte, insbesondere über Anschlusskabel zu verhindern, wird eine Längswassersperre vorgeschlagen, die zunächst aus einer aufgerauten, nicht metallisierten Leiterplattenoberfläche und optional aus einer in die Leiterplatte eingearbeitete Rinne besteht.
Als nachteilig werden sowohl der Bearbeitungsaufwand an der Leiterplatte als auch der Flächenbedarf der Längswassersperre empfunden. Nachteilig ist weiterhin, dass bei hohen Spritzdrücken hohl liegende elektronische Bauteile zerbrechen können.
Die US 2007 0289 129 A1 offenbart ein (Dam & Fill) Verfahren zur selektiven Verkapselung einer Leiterplatte mit elektronischen Bauteilen, wobei im ersten Schritt ein hochviskoses Harz um die Zielkomponenten herum aufgetragen, und der mit Harz umschlossene Bereich im zweiten Schritt mit niedrigviskosem Harz aufgefüllt wird. Für das Aushärten des Damms und die Füllung mit Harz wird ein Zeitraum von ca. 20 Minuten angegeben. In einer Ausführungsform werden die elektronischen Bauteile vorher mit einer Harzperle auf die Leiterplatte geklebt.
Eine Umspritzung der Anordnung findet jedoch nicht statt. Als Nachteil werden die lange Härtezeit und der zusätzliche Arbeitsgang beim Auftragen der Harzperlen angesehen.
Aus der GB 2 295 722 A ist eine integrierte Schaltung bekannt, wo in einem Anschlussrahmen (Leadframe) befindliche elektronische Bauteile mit Kunststoff gekapselt sind. Die integrierte Schaltung wird (unmittelbar) nach ihrer Verbindung mit dem Leadframe mit einem flüssigen Polymer überzogen, um die Anlagerung von Wasser und die damit verbundenen störende Effekte beim Anspritzen des Kunststoffgehäuses (Popcorn-Effekt) zu verhindern. Für die Umspritzung einer Leiterplatte ist dieses Verfahren wegen der beim Aufbringen und beim Aushärten des aufgetragenen flüssigen Polymers entstehenden Probleme weniger geeignet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und ein effizientes und auch sicheres Herstellungsverfahren für eine mit thermoplastischen Kunststoff umspritzte Elektronikleiterplatte anzugeben. Insbesondere sollen die Bearbeitungszeit weiter verkürzt, sowie die thermische und mechanische Belastung der elektronischen Bauteile während der Umspritzung verringert werden.
Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Die Unteransprüche betreffen die Ausgestaltung des Verfahrens, sowie eine erfindungsgemäß hergestellte Elektronikbaugruppe und deren Verwendung in einem kapazitiven Sensor.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist nachfolgend näher erläutert. Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, die mit Elektronikbauteilen bestückte Leiterplatte mit einem Schutzlack zu überziehen, der wegen seiner Viskosität sowohl unter die Elektronikbauteile als auch in einen vorhanden Kabelmantel oder eine Litzenisolierung kriecht.
Erfindungsgemäß sollen die elektronischen Bauteile während der anschließenden Umspritzung sowohl thermisch als auch mechanisch geschützt werden.
Zu diesem Zweck wird der Schutzlack erfindungsgemäß in einem ersten Schritt im Randbereich R der Leiterplatte mit einer Dispenserdüse strichförmig aufgebracht, so das ein Damm entsteht, und in einem zweiten Schritt mit einer Flachdüse mit einer Schichtdicke kleiner als 200 µm, vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 100 µm und 120 µm aufgebracht. Vorteilhaft beträgt die Temperatur 30 °C bis 50 °C bei einem Druck zwischen 30 Psi (~2,5 Bar) und 40 Psi (~ 3,5 Bar). Erfindungsgemäß wird für beide Arbeitsschritte derselbe Schutzlack, aber mit unterschiedlicher Viskosität verwendet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden Bauteile deren Unterseite mehr als die Schichtdicke des Schutzlacks, aber weniger als 0,5 mm von der Leiterplatte entfernt ist, mit mehr Schutzlack versorgt, indem sie mehrfach mit Lack besprüht, bzw. mit der Düse umfahren werden, damit ausreichend Material für die Unterwanderung des Bauteils zur Verfügung steht. Das gilt auch für großflächige Bauteile.
Der Schutzlack wird anschließend in einem Ofen bei Temperaturen zwischen 70 °C und 110 °C ausgehärtet und danach in einer konventionellen Spritzgussanlage einlagig oder mehrlagig umspritzt.
Der Schutzlack ist vorzugsweise ein Lack auf Acrylbasis. Er weist bei 20° C eine Viskosität nach DIN EN ISO 3219 von typischerweise kleiner 1300 mPas auf, was einer Auslaufzeit von 80 s nach DIN EN ISO 2431 entspricht.
Die gewünschte Kapillarwirkung und damit auch der erfindungsgemäße Hermetisierungseffekt, wobei der Schutzlack unter die Elektronikbauteile und/oder in den Kabelmantel kriecht, treten bis zu einer Viskosität von ca. 2000 mPas ein.
Die Erfindung ist prinzipiell für alle konventionellen Herstellungsverfahren mit relativ hohen Spritzdrücken bis zu 1200 Bar oder auch mit niedrigen Spritzdrücken und für Temperaturen bis zu 240 °C geeignet, und somit nicht auf Leiterplatten mit Kabelanschluss beschränkt, sondern für umspritzte Leiterplatten jeglicher Art anwendbar.
Vorzugsweise sollen Temperaturen von mehr als 200 °C und Spritzdrücke zwischen 400 Bar und 600 zur Anwendung kommen.
Obwohl die erfindungsgemäß aufgetragene Lackschicht vergleichsweise dünn ist, verringert sie doch in überraschender Weise die thermische Belastung beim Umspritzen der elektronischen Bauteile nachweisbar, was durch die außerordentlich kurze Belastungszeit begründet ist.
Besonders bei hohen Spritzdrücken von mehr als 250 Bar besteht sowohl eine Bruchgefahr für hohl liegende elektronische Bauteile als auch die Gefahr der Beschädigung von Lötverbindungen durch eine minimale Verschiebung der Bauteile, wobei die Beeinträchtigung der elektrischen Kontakte erst im Laufe der Zeit eintritt.
Die erfindungsgemäß aufgetragene Lackschicht, und die damit verbundenen Unterwanderung der elektronischen Bauteile dient zur Lagesicherung und somit auch zum Schutz der Lötstellen, so dass die in der US 2007 0289 129 A1 beschriebene Verklebung mit Harzperlen nicht mehr notwendig ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell für alle Sensortypen geeignet, besonders jedoch für kapazitive Sensoren, weil hier keine Sensorbauteile wie z. B. Fotodioden bei optischen Sensoren oder scharfkantige Schalenkerne bei induktiven Sensoren vorhanden sind.
Neben dem Herstellungsverfahren umfasst die Erfindung auch eine Elektronikbaugruppe mit einer erfindungsgemäß hergestellten, auf konventionelle Art vollständig umspritzten Leiterplatte, sowie auf dieser Grundlage hergestellte kapazitive Sensoren.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf:
Bestückung der Leiterplatte mit Elektronikbauteilen
Aufbringen eines Schutzlacks auf die bestückte Leiterplatte
wobei in einem ersten Arbeitsschritt im Randbereich der Leiterplatte Schutzlack von einer ersten, höheren Viskosität mit einer Dispenserdüse strichförmig aufgebracht wird, um einen Damm zu bilden.
wobei in einem zweiten Arbeitsschritt im Innenbereich der Leiterplatte Schutzlack von einer zweiten, geringeren Viskosität flächendeckend mit einer Flachdüse aufgebracht wird, wobei Bauteile deren Unterseite mehr als die Schichtdicke des Schutzlacks, aber weniger als 0,5 mm von der Leiterplatte entfernt ist, mehrfach umfahren werden.
Aushärten des Schutzlacks bei Temperaturen zwischen 70 °C und 110 °C Vollständiges Umspritzen der bestückten Leiterplatte in einer herkömmlichen Kunststoffspritzgussanlage bei mehr als 200 °C und einem Spritzdruck zwischen 400 Bar und 600 Bar.
Wobei der Schutzlack bei 20 °C eine Viskosität nach DIN EN ISO 3219 kleiner 1300 mPas aufweist, was einer Auslaufzeit von weniger als 80 s nach DIN EN ISO 2431 entspricht
So dass der Schutzlack unter die Elektronikbauteile und/oder in den Kabelmantel kriecht Wobei die chemische Zusammensetzung des Schutzlacks im Randbereich identisch mit dem im Innenbereich ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Schichtdicke des aufgetragenen Schutzlacks weniger als 200 µm.
Die 1 zeigt eine mit Elektronikbauteilen bestückte Leiterplatte vor der erfindungsgemäßen Umspritzung.
Die 2 zeigt einen erfindungsgemäß hergestellten, vollständig umspritzten kapazitiven Sensor.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 202012008508 U1 [0004]
DE 102007045535 A1 [0005]
US 20070289129 A1 [0009, 0025]
GB 2295722 A [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 3219 [0019]
DIN EN ISO 2431 [0019]
DIN EN ISO 3219 [0030]
DIN EN ISO 2431 [0030]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer mit Kunststoff umspritzten Elektronikbaugruppe mit einer Leiterplatte mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Bestückung der Leiterplatte mit Elektronikbauteilen b) Aufbringen eines Schutzlacks auf die bestückte Leiterplatte a. wobei in einem ersten Arbeitsschritt im Randbereich der Leiterplatte Schutzlack von einer ersten, höheren Viskosität mit einer Dispenserdüse strichförmig aufgebracht wird, um einen Damm zu bilden, b. wobei in einem zweiten Arbeitsschritt im Innenbereich der Leiterplatte Schutzlack von einer zweiten, geringeren Viskosität flächendeckend mit einer Flachdüse aufgebracht wird. c) Aushärten des Schutzlacks bei Temperaturen zwischen 70 °C und 110 °C d) Vollständiges Umspritzen der bestückten Leiterplatte in einer herkömmlichen Kunststoffspritzgussanlage bei mehr als 200 °C und einem Spritzdruck zwischen 400 Bar und 600 Bar. e) Wobei der Schutzlack bei 20° C eine Viskosität nach DIN EN ISO 3219 kleiner 1300 mPas aufweist, was einer Auslaufzeit kleiner 80 s nach DIN EN ISO 2431 entspricht, f) So dass der Schutzlack unter die Elektronikbauteile und/oder in den Kabelmantel kriecht, g) Wobei der Schutzlack im Randbereich identisch mit dem im Innenbereich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des Schutzlacks weniger als 200 µm beträgt, vorzugsweise zwischen 100 µm und 120 µm liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Bauteile, deren Unterseite mehr als die Schichtdicke des Schutzlacks, aber weniger als 0,5 mm von der Leiterplatte entfernt ist, im zweiten Arbeitsschritt mehrfach mit der Flachdüse umfahren werden, damit ausreichend Material für die Unterwanderung des Bauteils zur Verfügung steht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Lack auf Acrylbasis.
Elektronikbaugruppe mit einer Leiterplatte, die mit einer viskosen Lackschicht überzogen und nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Kapazitiver Näherungsschalter mit einer Elektronikbaugruppe nach Anspruch 4.