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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abdecken eines Elektronikmoduls, wobei ein über einen Grundkörper ragendes Elektronikmodul und ein Abdeckgehäuse bereitgestellt werden, das Elektronikmodul durch eine Öffnung eines proximalen Teils des Abdeckgehäuses in das Abdeckgehäuse eingeführt wird, ein Rand der Öffnung an einen das Elektronikmodul umgebenden Schmelzbereich des Grundkörpers angelegt wird, und ein Verschmelzen des Schmelzbereichs mit dem Rand ausgelöst. Die Erfindung betrifft außerdem eine entsprechende Anordnung von einem Grundkörper, einem Elektronikmodul und einem Abdeckgehäuse.
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Die
DE 20 2013 102 104 U1 offenbart ein elektronisches Bauteil mit einem Gehäuse, aufweisend eine Gehäusekappe, einen Träger als Basisplatte des Gehäuses und einen Innenraum, der von der Gehäusekappe und dem Träger umschlossen ist, sowie mit mindestens einem in dem Innenraum angeordneten optoelektronischen oder elektrooptischen Wandlerelement, wobei die Gehäusekappe durch den Träger durch eine stoffschlüssiqe Verbindung aus erschmolzenem Metall hermetisch gasdicht verschlossen ist.
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Die
DE 10 2014 220 911 B3 offenbart ein Steuerqerät mit einem Gehäuse und mit wenigstens einer im Gehäuse untergebrachten elektrischen und/oder elektronischen Schaltung, wobei das Gehäuse ein Grundteil und ein Deckelteil aufweist, und das Grundteil oder Deckelteil ein Kunststoff-Bauteil und das andere der beiden Teile ein Metall-Bauteil ist. Dabei weist das Metall-Bauteil einen Fügeabschnitt auf, der eine strukturierte Oberfläche auf weist, wobei das Kunststoff-Bauteil einen Gegenabschnitt aufweist, wobei der Gegenabschnitt mit der strukturierten Oberfläche unlösbar verzahnt ist, und wobei die Verzahnung zwischen dem Fügeabschnitt und dem Gegenabschnitt Hinterschneidungen aufweist und mittels thermischem Aufschmelzen des Gegenabschnitts hergestellt ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf elektronische Bauteile, beispielsweise elektronische Vorort-Steuergeräte und Sensorcluster. In diesen Vorrichtungen wird häufig sensible Elektronik verbaut, welche über deren Lebensdauer gegen Umwelteinflüsse (beispielsweise elektrostatische Entladung, aggressive Medien oder Vibration) entsprechend geschützt werden muss. Meist wird dazu eine gedichtete Abdeckung verwendet, die die Elektronik (beispielsweise Sensoren) fixiert und schützt.
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Um sensible Elektronik und Sensoren innerhalb der Abdeckung platzsparend und ausreichend fixiert verbauen zu können, werden kleine Toleranzen benötigt. Um die zugehörigen Abdeckungen dicht verschweißen zu können, werden allerdings relativ große Einsinkwege benötigt. Über die Lebensdauer können dadurch entweder Probleme bei der Dichtheit oder bei der Fixierung der elektronischen Bauteile auftreten.
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Fehler beim Einbau sind dabei schwer zu erkennen. Ein Totalausfall findet möglicherweise erst beim Endkunden beispielsweise in einem Fahrzeug statt, weil die Bauteile nicht mehr für eine Dauerbelastung geeignet sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem sensible Elektronik sowohl platzsparend integriert als auch ausreichend fixiert und gedichtet wird. Für einen Schweißprozess soll dabei ausreichend Einsinkweg vorliegen, ohne die Elektronik bei der Fixierung zu belasten.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst. Die jeweils nachfolgenden rückbezogenen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, ein Verfahren zum Abdecken eines Elektronikmoduls vorzusehen, welches Schritte umfasst, bei welchen ein über einen Grundkörper ragendes Elektronikmodul und ein Abdeckgehäuse bereitgestellt werden; das Elektronikmodul durch eine Öffnung eines proximalen Teils des Abdeckgehäuses in das Abdeckgehäuse eingeführt wird; ein Rand der Öffnung an einen das Elektronikmodul umgebenden Schmelzbereich des Grundkörpers angelegt wird; ein Verschmelzen des Schmelzbereichs mit dem Rand ausgelöst wird; ein der Öffnung gegenüberliegender distaler Teil des Abdeckgehäuses erwärmt wird; das Abdeckgehäuse in Richtung des Grundkörpers bewegt wird; und der distale Teil durch Kraftbeaufschlagung durch das Elektronikmodul zumindest teilweise verformt wird.
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Das Bewegen des Abdeckgehäuses bedeutet, dass der zwischen proximalem und distalem Bereich angeordnete mittlere Bereich bewegt wird, während der Rand mit dem Grundkörper verschmelzt oder verschweißt und der distale Teil verformt wird.
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Erfindungsgemäß weist das Abdeckgehäuse also einen Schweißbereich und einen zusätzlichen Bereich zum Kraftausgleich für die Elektronik auf. Beim Fügen mit dem Elektronikmodul wird die Abdeckung im Schweißbereich stoffschlüssig und mit ausreichend großem Einsinkweg verbunden, beispielsweise mittels Laserschweißen oder Infrarotschweißen.
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Eine Elektronik, beispielsweise ein Sensor, oder ein die Elektronik überragender Teil des Elektronikmoduls kommt dabei gezielt zur Anlage mit der Abdeckung. Um dennoch ein weiteres Einsinken beim Schweißvorgang zu ermöglichen, wodurch eine verbesserte Dichtwirkung und erhöhte mechanische Stabilität erzielt wird, wird ein distaler Teil des Abdeckgehäuses lokal erwärmt oder erhitzt. Durch die Erwärmung ist es möglich die Abdeckung bei geringem Kraftaufwand plastisch in diesem Bereich zur verformen. Dadurch wird die Krafteinwirkung auf die Elektronik oder das Elektronikmodul unabhängig vom Einsinkweg der Schweißung.
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Die Abdeckkappe ist vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff wie Plastik oder Polyamid gefertigt. Die Kappe kann außerdem aus Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polylactat, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyethylenterephthalat, Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyetheretherketon oder Polyvinylchlorid oder aus Zelluloid oder aus Polyolefinen wie Polyethylen oder Polypropylen bestehen. Die Temperatur, auf die der distale Teil der Abdeckung erwärmt wird, wird dabei in Abhängigkeit vom Material der Abdeckung gewählt und kann beispielsweise ungefähr 50°C, 100°C, 150°C, 200°C oder 250°C betragen.
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Die Vorteile schließen ein, dass trotz großem Einsinkweg bei dem Schweißprozess lediglich eine begrenzte Maximalkraft auf die Elektronik oder das Elektronikmodul entsteht. Diese Maximalkraft ist idealerweise unabhängig von der Länge des Einsinkwegs. Ebenfalls vorteilhaft ist, dass der Platzbedarf geringer ist als bei einem Kraftausgleich mittels einer mechanischen Feder. Ebenfalls vorteilhaft ist, dass ein bereits vorhandener Prozess (beispielsweise Infrarot- oder Heizelementschweißen) für die Erwärmung des distalen Teils des Abdeckgehäuses und somit zur Erzeugung von dessen Plastizität oder Elastizität genutzt werden kann. Durch den erfindungsgemäß ermöglichten erhöhten Einsinkweg sinkt ferner das Risiko von Ausfällen der Elektronik durch undichte Abdeckung oder beschädigte Elektronik.
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Bevorzugterweise wird dabei das Verschmelzen mittels Erwärmung ausgelöst. Beispielsweise kann mittels eines Infrarotschweißgeräts oder eines Laserschweißgeräts oder eines Heizschweißgeräts der Grundkörper und / oder der Rand vorzugsweise über die jeweilige Schmelztemperatur hinaus erwärmt werden um einen Schweißprozess einzuleiten, durch den das Verschmelzen ausgelöst wird.
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Alternativ kann beispielsweise auch mittels eines chemischen Lösemittels Material aus dem Grundkörper und / oder dem Abdeckgehäuse geschmolzen und somit das Verschmelzen ausgelöst werden.
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Dies schließt den Vorteil mit ein, dass die gleiche Vorrichtung zur Erwärmung des Schmelzbereichs und / oder des Rands verwendet werden kann wie für die Erwärmung des distalen Teils des Abdeckgehäuses.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass eine distale Stirnfläche des Elektronikmoduls mit dem distalen Teil des Abdeckgehäuses an einer Kontaktfläche in Kontakt gebracht wird und ein die Kontaktfläche umlaufender Verformungsbereich des distalen Teils erwärmt wird.
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Der Vorteil ist dabei, dass die räumliche Kraftverteilung auf das Elektronikmodul über die Verteilung der Wärme entlang des umlaufenden Verformungsbereichs gut definiert werden kann, beispielsweise um Druckspitzen zu vermeiden und graduelle Druckverläufe zu erwirken. Ebenfalls denkbar und von dieser Ausbildungsform mit erfasst ist, dass der erwärmte Verformungsbereich einen die Kontaktfläche umgebenden Ring oder eine die Kontaktfläche überlappende geschlossene Fläche bildet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der distale Teil des Abdeckgehäuses während des Auslösens des Verschmelzens erwärmt wird.
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Es werden somit das Erwärmen des distalen Teils und das Schmelzen des proximalen Teils oder des Grundkörpers gleichzeitig durchgeführt. Somit kann beispielsweise das Maß der Erwärmung und damit der Elastizität des distalen Teils an die Geschwindigkeit des Einsinkens in den Schmelzbereich angepasst werden.
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Ebenfalls bevorzugt kann stattdessen oder zusätzlich dazu der distale Teil des Abdeckgehäuses vor dem Auslösen des Verschmelzens erwärmt werden.
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Somit ist es möglich, dass der distale Teil bereits verformt wird, bevor das Verschmelzen am proximalen Teil anfängt. Damit lassen sich beispielsweise Fertigungstoleranzen bezüglich der Höhe des Abdeckgehäuses ausgleichen oder eine Lücke zwischen dem Rand der Öffnung und dem Schmelzbereich auf dem Grundkörper überbrücken.
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Ebenfalls bevorzugt kann stattdessen oder zusätzlich dazu der distale Teil des Abdeckgehäuses nach dem Auslösen des Verschmelzens erwärmt werden.
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Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, das Abdeckgehäuse zunächst einsinken zu lassen, ohne eine Verformung des distalen Teils zu erwirken, und diese nur dann und nur in einem minimalen Maß zu erwirken, wenn ein minimal gewünschter Einsinkweg nicht erreicht worden ist.
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Bevorzugterweise wird das Auslösen des Verschmelzens und das Erwärmen des distalen Teils durch ein gemeinsames Heizelement bewirkt.
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Dies kann beispielsweise ein Heizelement zum Schweißen mittels Infrarot- oder Laser- oder Heizelementschweißen sein. Dadurch lässt sich das Verfahren besonders effektiv durchführen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Abdeckgehäuse auf Raumtemperatur gekühlt wird und danach formschlüssig an dem Elektronikmodul anliegt.
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Nach dem Erkalten des Kunststoffes liegt dann die Abdeckung weiterhin direkt an der zu schützenden Elektronik an. Dadurch ist ein besonders hoher Schutz gegen mechanische Einwirkungen und gegen Eindringen von Material in den Bereich des Elektronikmoduls gewährleistet.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst mittels einer Abdeckungsvorrichtung zum Abdecken eines Elektronikmoduls, umfassend einen Grundkörper zur Halterung eines Elektronikmoduls; ein auf dem Grundkörper angeordnetes und darüber hinausragendes Elektronikmodul; ein Abdeckgehäuse mit einem proximalen Teil, welcher eine Öffnung zum Einführen des Elektronikmoduls aufweist; wobei die Öffnung einen Rand aufweist, zur Anlage mit einem das Elektronikmodul umgebenden Schmelzbereich des Grundkörpers; wobei das Abdeckgehäuse einen der Öffnung gegenüberliegenden distalen Teil aufweist; die dadurch gekennzeichnet ist, dass der distale Teil zumindest teilweise aus einem Material besteht, welches bei Raumtemperatur im Wesentlichen starr und bei Erwärmung im Wesentlichen verformbar ist, und dass der Abstand vom Rand der Öffnung zum gegenüberliegenden distalen Teil des Abdeckgehäuses nicht größer ist als die Höhe des Elektronikmoduls über dem Schmelzbereich des Grundkörpers.
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Der distale Teil des Abdeckgehäuses kann dazu zumindest teilweise beispielsweise aus einem Kunststoff oder Plastik oder einem Polymer ausgebildet sein, oder aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer oder aus einer anderen Legierung. Der distale Teil oder das gesamte Abdeckgehäuse kann auch aus einem anderen Material ausgebildet sein, welches bei Raumtemperatur, also bei etwa 21° Celsius und bei etwa 1 bar Luftdruck im Wesentlichen starr ist, also bei Ausübung von Kräften, die bei der Anwendung des Elektronikmoduls zu erwarten sind, unverformt bleibt, und bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise bei 60°C oder 120°C oder 300°C, mit vergleichsweise geringem oder ohne Widerstand verformt werden kann ohne dabei zu brechen.
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Dadurch, dass der distale Teil durch Erwärmung verformbar ist, kann die Lücke, die sich zwischen dem Rand der Öffnung und dem Grundkörper aufgrund der geringen Höhe des Abdeckgehäuses ergeben wird, durch Bewegung des Abdeckgehäuses in Richtung des Grundkörpers unter Verformung des distalen Teils geschlossen werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst, dass der distale Teil des Abdeckgehäuses im Wesentlichen flächig ausgebildet ist und das Elektronikmodul einen distalen Teil aufweist, welcher sich in distale Richtung verjüngt.
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Die Verjüngung in distaler Richtung kann dabei stufenweise oder graduell ausgebildet sein. Der Vorteil kann darin gesehen werden, dass somit aufgrund der Verformung des distalen Teils des Abdeckgehäuses ein möglichst enger Formschluss zwischen dem Elektronikmodul und dem Abdeckgehäuse ermöglicht wird. Die vor Verformung ausgebildete und durch die Verjüngung geschaffene Lücke zwischen Abdeckgehäuse und Elektronikmodul dient außerdem als Freiraum für den sich verformenden distalen Teil des Abdeckgehäuses.
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Figurenliste
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Weitere die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand von vier Figuren näher dargestellt. Es zeigen
- 1 einen ersten Zustand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
- 2 einen zweiten Zustand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
- 3 einen dritten Zustand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
- 4 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Gemäß 1 ist ein Elektronikmodul 1 auf einem Grundkörper 2 angeordnet. Das Elektronikmodul 1 umfasst eine Elektronikaufnahme 3 und einen Sensor 4. Das Elektronikmodul 1 steht von dem Grundkörper 2 ab und ragt darüber hinaus.
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Das Elektronikmodul 1 wurde durch eine Öffnung eines proximalen Teils 5 eines Abdeckgehäuses 6 in das Abdeckgehäuse 6 eingeführt, und zwar so, dass ein Rand 7 der Öffnung an einen das Elektronikmodul 1 umgebenden Schmelzbereich 8 des Grundkörpers angelegt wird. Da der Abstand vom Rand 7 der Öffnung zum gegenüberliegenden distalen Teil 9 des Abdeckgehäuses 6 größer ist als die Höhe des Elektronikmoduls 1 über dem Grundkörper 2, genauer gesagt über dem Schmelzbereich 8 des Grundkörpers, bildet sich ein Spalt 10 zwischen dem distalen Teil 9 des Abdeckgehäuses 6 und dem Sensor 4.
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Der distale Teil 9 des Abdeckgehäuses 6 ist im Wesentlichen flächig ausgebildet, während das Elektronikmodul 1 einen distalen Teil aufweist, welcher sich in distaler Richtung verjüngt.
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Gemäß 2 wird ein Verschmelzen des Schmelzbereichs 8 mit dem Rand 7 ausgelöst. Dies geschieht über Erwärmung des Randes 6 mittels eines Heizelements 11a, so dass dieser an den Schmelzbereich 8 des Grundkörpers geschweißt wird. Dadurch, dass Material im Bereich des Randes 7 schmilzt und daher seitlich abströmt, kann das Abdeckgehäuse 6 oberhalb des Randes nach unten bewegt werden und somit einen Einsinkweg zurücklegen. Allerdings wird dieser Einsinkweg dadurch begrenzt, dass der distale Teil 9 des Abdeckgehäuses 6 zur Anlage an das Elektronikmodul 1, genauer gesagt an den darin angeordneten Sensor 4 kommt. Da das Abdeckgehäuse 6 im Wesentlichen starr ist, würde in diesem Zustand ein weiterer Einsinkweg und damit eine bessere Schweißverbindung nur auf Kosten einer Druckbelastung und damit Beschädigung des Sensors 4 zu realisieren sein.
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Durch die Verjüngung in distaler Richtung des Elektronikmoduls 1 wird eine Lücke 13 zwischen Abdeckgehäuse 6 und Elektronikmodul 1 geschaffen, die als Freiraum für den nächsten Verfahrensschritt dient. Ebenso kann die Lücke 13 zwischen Abdeckgehäuse 6 und Elektronikmodul 1 auch durch eine symmetrische oder asymmetrische Ausnehmung oder durch einen Höhenunterschied zwischen dem Abdeckgehäuse 6 und dem Elektronikmodul 1 generiert werden.
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Gemäß 3 wird ein der Öffnung gegenüberliegender distaler Teil 9 des Abdeckgehäuses 6 mittels eines Heizelements 11b erwärmt. Genauer gesagt wird ein Verformungsbereich 12 in Form eines Rings, der um eine Kontaktfläche 14 von dem Sensor 4 und dem distalen Teil 9 herum angeordnet ist, erwärmt.
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Gleichzeitig wird das Abdeckgehäuse 6 in Richtung des Grundkörpers 2 bewegt. Dadurch wird der distale Teil 9 durch Kraftbeaufschlagung durch das Elektronikmodul 1 zumindest teilweise verformt, so dass ein zusätzlicher Einsinkweg zurückgelegt wird . Die Erwärmung des Verformungsbereichs 12 ermöglicht dabei eine thermoplastische Verformung des distalen Teils 9.
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Anschließend kühlt das Abdeckgehäuse 6 auf Raumtemperatur ab, wodurch es erstarrt. In diesem Zustand liegt das Abdeckgehäuse 6 dann formschlüssig an dem Elektronikmodul 1 an, da die durch die Verjüngung in distale Richtung des Elektronikmoduls 1 ursprünglich geschaffene Lücke 13 - hier nicht mehr oder nur verringert vorhanden - zwischen Abdeckgehäuse 6 und Elektronikmodul 1 als Freiraum diente, in den der sich verformende distale Teil 9 des Abdeckgehäuses 6 aufgenommen wurde. Dadurch wurde ein größerer Einsinkweg zurückgelegt und die Verbindung von Abdeckgehäuse 6 und Grundkörper 2 verbessert.
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Gemäß 4 weist der distale Teil 9 des Abdeckgehäuses 6 einen ringförmigen Verformungsbereich 12 auf. Dieser Verformungsbereich 12 umgibt eine Kontaktfläche 14, die definiert ist durch die Berührung von einem - hier nicht weiter dargestellten - Sensor 4 des Elektronikmoduls 1, der eine distale Stirnfläche des Elektronikmoduls 1 bereitstellt, und des distalen Teils 9 des Abdeckgehäuses. Durch Erwärmung des distalen Teils 9 oder des Verformungsbereichs 12 kann der distale Teil 9 thermoplastisch verformt werden um den in 3 dargestellten Zustand zu erreichen.
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Gemäß 5 umfasst eine Abdeckungsvorrichtung 15 einen Grundkörper 2, ein auf dem Grundkörper 2 angeordnetes und darüber hinausragendes Elektronikmodul 1 und ein Abdeckgehäuse 6 mit einem proximalen Teil 5, welcher eine Öffnung zum Einführen des Elektronikmoduls 1 aufweist. Die Öffnung weist einen Rand 7 auf, zur Anlage mit einem das Elektronikmodul 1 umgebenden Schmelzbereich 8 des Grundkörpers 2.
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Im dargestellten Zustand kommt es noch nicht zu dieser Anlage, da das Abdeckgehäuse 6 einen der Öffnung gegenüberliegenden distalen Teil 9 aufweist, wobei der distale Teil 9 zumindest teilweise aus einem Material besteht, welches bei Raumtemperatur im Wesentlichen starr und bei Erwärmung im Wesentlichen verformbar ist. Dabei ist der Abstand vom Rand 7 der Öffnung zum gegenüberliegenden distalen Teil 9 des Abdeckgehäuses nicht größer als die Höhe des Elektronikmoduls 1 über dem Schmelzbereich 8 des Grundkörpers 2.
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Dadurch entsteht ein Spalt 16 zwischen dem Rand 7 des Abdeckgehäuses 6 und dem Schmelzbereich 8 des Grundkörpers 2, der eine Anlage dieser beiden Teile zunächst verhindert. Durch Erwärmung des distalen Teils 9 und durch dessen thermoplastische Verformung kann jedoch der in 3 dargestellte Zustand herbeigeführt werden, so dass es zur Anlage und anschließend zum gewünschten Verschmelzen von Abdeckgehäuse 6 und Grundkörper 2 kommt.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, dass Elektronikmodul und Abdeckgehäuse im Querschnitt anders als kreisförmig ausgebildet sind. Es ist auch zusätzlich möglich aus dem Stand der Technik bekannte Konstruktionselemente zum Verbau von sensibler Elektronik zu integrieren, wie beispielsweise eine mechanische Feder zwischen dem distalen Teil und dem Elektronikmodul.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektronikmodul
- 2
- Grundkörper
- 3
- Elektronikaufnahme
- 4
- Sensor
- 5
- proximaler Teil des Abdeckgehäuses
- 6
- Abdeckgehäuse
- 7
- Rand
- 8
- Schmelzbereich
- 9
- distaler Teil des Abdeckgehäuses
- 10
- Spalt
- 11a, 11b
- Heizelement
- 12
- Verformungsbereich
- 13
- Lücke
- 14
- Kontaktfläche
- 15
- Abdeckungsvorrichtung
- 16
- Spalt
