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Die Erfindung betrifft eine Elektronikbaugruppe und ein Feldgerät der Prozessautomatisierungstechnik umfassend eine solche.
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Eine Elektronikbaugruppe umfasst ein oder mehrere Leiterplatten mit elektronischen Bauteilen. Die Elektronikbauteile müssen für eine korrekte und störungsfreie Funktionsweise vor Umwelteinflüssen durch elektromagnetische Felder geschützt werden.
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Im Stand der Technik werden die Elektronikbauteile 2 auf verschiedene Weise geschützt. Unter anderem werden dünne metallische Folien oder metallische Rohre und Umhausungen U eingesetzt, siehe 1a. Auch eine Beschichtung mit leitfähigen Lacken L kann diese EMV-Probleme vermindern, siehe 1b. „EMV“ steht für „Elektromagnetische Verträglichkeit“ und bezeichnet die Fähigkeit eines technischen Geräts, andere Geräte nicht durch ungewollte elektrische oder elektromagnetische Effekte zu stören oder durch andere Geräte gestört zu werden.
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Werden diese EMV geschützten elektronischen Bauteile noch mit einem Verguss ausgefüllt (zum Beispiel für Ex-Ausführungen unbedingt erforderlich), so können durch beispielsweise Temperaturbelastungen und den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten (Verguss/Elektronik/EMV-Schutzteil) mechanische Spannungen auftreten bzw. erzeugt werden.
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Aufgrund von geringen Haftungseigenschaften des Vergusses 7 auf den Bauteilen und Schirmteilen kommt es zu unterschiedlich laminaren Ausdehnungen, welche Bauteilabrisse R an den Elektronikbauteilen induzieren oder zu Defekten D in den Bauteilen 2 führen können, siehe 1c.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mechanisch stabiles EMV-Schirmteil bereitzustellen welches in Verbindung mit einem Verguss zu keinem Bauteilabriss führt.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Schirmung als leitfähige Maschenware, Webware, Geflecht oder poröse Struktur ausgestaltet ist, wobei die Maschenware, Webware, Geflecht oder poröse Struktur gegenüber der Vergussmasse durchlässig ist. Die beanspruchte Elektronikbaugruppe, umfasst: zumindest eine Leiterplatte umfassend zumindest ein elektronisches Bauteil; Vergussmasse, insbesondere Gießharz, welche das Bauteil zumindest abschnittsweise umgibt; und eine Schirmung zur Abschirmung gegenüber elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldern, welche das Bauteil zumindest abschnittsweise umgibt. Wie erwähnt ist die Schirmung dadurch gekennzeichnet, dass sie als leitfähige Maschenware, Webware, Geflecht oder poröse Struktur ausgestaltet ist, wobei die Maschenware, Webware, Geflecht oder poröse Struktur gegenüber der Vergussmasse durchlässig ist.
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Ein Bauteilabriss wird durch die Verwendung eines leitfähigen, etwa metallisierten bzw. metallischen, Struktur, also etwa einer Maschenware, Webware, Geflecht oder porösen Struktur, verhindert. Diese ist mechanisch stabil und der Verguss kann diese komplett durchdringen. Dadurch treten keine zusätzlichen mechanischen Belastungen auf und die Ausdehnungsbewegungen des Vergusses werden durch das Schirmteil mitgemacht. Es bilden sich keine voneinander getrennten Vergussvolumina aus, und an den entstehenden Grenzflächen werden mechanische Spannungsspitzen verhindert. Durch die Durchdringung des Vergusses durch das abschirmende leitfähige Gewebe bildet sich eine Art homogener Verbundwerkstoff aus, welcher beide Eigenschaften (Verguss und Schirmung) miteinander kombiniert. Durch die Leitfähigkeit der Struktur ist dieser elektrisch kontaktierbar, und eine Schirmwirkung möglich.
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In einer Ausgestaltung ist die Maschenware, Webware, Geflecht oder poröse Struktur das elektronische Bauteil umschließt, und röhrenförmig ausgestaltet ist. Dies kann somit über die Leiterplatte gestülpt werden.
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In einer Ausgestaltung ist die Maschenware, Webware, Geflecht oder poröse Struktur in sich flexibel, jedoch mechanisch stabil ausgestaltet. Dadurch kann diese sich bewegen und Temperaturänderungen und -schwankungen werden durch die die Möglichkeit der Ausdehnung mitgemacht (Ausdehnung des Vergusses).
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In einer Ausgestaltung ist die Maschenware als Gewirke ausgestaltet ist.
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In einer Ausgestaltung ist die Maschenware, Webware, Geflecht oder poröse Struktur mit einer Massefläche der Leiterplatte verbunden, etwa durch Löten, Stecken, Schweißen, im Allgemeinen sicher elektrisch kontaktieren.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Maschenware, Webware, Geflecht oder poröse Struktur eine Formgedächtnislegierung.
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In einer Ausgestaltung ist die Maschenware, Webware, Geflecht oder poröse Struktur aus einem Metall, leitfähigen Keramiken oder leitfähigem Kunststoff gefertigt ist. Die Maschenware, Webware, Geflecht oder poröse Struktur kann in einer Ausgestaltung ebenso lochblechartig oder als Lochblech ausgestaltet sein.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Feldgerät umfassend eine wie oben beschriebene Elektronikbaugruppe.
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In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Feldgerät um einen pH-Sensor, Leitfähigkeitssensor, Transmitter, Sensor zur Bestimmung des gelösten Sauerstoffs oder Trübungssensor.
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Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
- 2 ein beanspruchtes Feldgerät,
- 3 eine beanspruchte Elektronikbaugruppe mit Schirmung, und
- 4 eine Schirmung als leitfähiges Geflecht.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die beanspruchte Elektronikbaugruppe in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 11 und ist in 2 als Teil des erfindungsgemäßen Feldgeräts 20 dargestellt.
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Zunächst soll auf ein beanspruchtes Feldgerät 20 eingegangen werden bei dem die beanspruchte Elektronikbaugruppe 11 eingesetzt wird. Das Feldgerät 20 kann etwa als Transmitter 26 oder Sensor 21 ausgestaltet sein. Das Feldgerät 20 wird überwiegend in der Prozessautomatisierung angewendet. Anwendungen in einer Laborumgebung sind ebenfalls möglich. 2 zeigt somit zwei Feldgeräte 20. Sensor 21 und Transmitter 26 bilden eine Messstelle 30.
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Ist das Feldgerät 20 als Sensor 21 ausgestaltet, handelt es sich dabei etwa um einen pH-, Redoxpotential-, auch ISFET-, Temperatur-, Leitfähigkeit-, Druck-, Sauerstoff-, insbesondere gelöster Sauerstoff-, oder Kohlenstoffdioxidsensor; um einen ionenselektiven Sensor; um einen optischen Sensor, insbesondere einen Trübungssensor, einen Sensor zur optischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, oder einen Sensor zur Bestimmung der Anzahl von Zellen und Zellstrukturen; um einen Sensor zur Überwachung bestimmter organischer oder metallischer Verbindungen; um einen Sensor zur Bestimmung einer Konzentration einer chemischen Substanz, beispielsweise eines bestimmten Elements oder einer bestimmten Verbindung; oder um einen Biosensor, z.B. einen Glukosesensor. Ebenso ist ein Einsatz in Druck-, Füllstands-, Durchfluss- oder Temperaturmessstellen denkbar. Das Feldgerät 20 kann wie erwähnt auch als Transmitter 26 ausgestaltet sein.
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Über eine erste Schnittstelle 23 kommuniziert der Sensor 21, im Allgemeinen ein Verbraucher, mit einem Transmitter 26 (auch Messumformer genannt), im Allgemeinen mit einer Datenverarbeitungseinheit. Am Transmitter 26 ist ein Kabel 24 vorgesehen, an dessen anderem Ende eine zur ersten Schnittstelle 23 komplementäre zweite Schnittstelle 22 vorgesehen ist. Die Schnittstellen 22, 23 sind als galvanisch getrennte, insbesondere als induktive Schnittstellen ausgestaltet, die mittels einer mechanischen Steckverbindung miteinander koppelbar sind. Über die Schnittstellen 22, 23 werden Daten (bidirektional) und Energie (unidirektional, d.h. von Transmitter 26 zum Sensor 21) gesendet. Die Übertragung der Daten erfolgt in digitaler Form.
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Der Transmitter 26 ist als Zwei- oder Vierleitergerät ausgestaltet. Die Anmelderin vertreibt solche Produkte beispielsweise unter dem Namen „Endress+Hauser Liquiline M CM42“ und „Endress+Hauser Liquiline M CM448“.
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3 zeigt eine beanspruchte Elektronikbaugruppe 11 im Querschnitt. Diese umfasst zumindest eine Leiterplatte 1. Die Leiterplatte 1 besteht aus elektrisch isolierendem Basismaterial 6, etwa FR4. Auf der Leiterplatte 1 befinden sich Leiterbahnen 3. Die Leiterbahnen 3 werden meist aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt. Zu sehen ist ein elektronische Bauteil 2, etwa ein aktives Bauteil wie ein Operationsverstärker, Prozessor, Mikrocontroller, FPGA, etc. Auch kann das elektronische Bauteil ein passives Bauteil wie ein Widerstand, Spule oder Kondensator sein. Das elektronische Bauteil 2 wird über einen Kontakt 4 mit der Leiterbahn 3 verbunden, etwa durch Löten.
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Um das Bauteil 2 herum befindet sich ein Verguss 7 als Maßnahme z.B. als Ex-Schutz. Der Verguss 7 dient auch als mechanischer Schutz der Bauteile 2.
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Um die Bauteile 2 herum befindet sich ebenfalls eine Schirmung 5. Die Schirmung 5 ist röhrenförmig um die Leiterplatte 1 herum angebracht, die Schirmung 5 bildet also eine mechanische Hülle um die Leiterplatte 1. Die Schirmung 5 ist als leitfähige Maschenware, Webware, Geflecht oder poröse Struktur ausgestaltet ist, wobei die Maschenware, Webware, Geflecht oder poröse Struktur gegenüber der Vergussmasse durchlässig ist. Sie befindet sich somit zumindest abschnittsweise im Verguss 7.
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Die Schirmung 5 ist in 4 abgebildet. Der Übersichtlichkeitshalber ist dabei nur ein Ausschnitt 5' der Schirmung 5 nach der beschriebenen Ausführungsform gezeichnet.
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Es kommen verschieden Fertigungstechniken für die Schirmung 5 in Betracht, etwa flechten (regelmäßiges Ineinanderschlingen mehrerer Stränge; Fäden sind nicht rechtwinklig geführt), weben (zwei Fadensysteme, die rechtwinklig verkreuzt werden), stricken, häkeln (bei den letzten beiden wird eine Masche neben der anderen hergestellt; Faden verläuft horizontal, entlang einer Maschenreihe) oder als Wirkware (der Faden bildet übereinander stehende Maschen, verläuft senkrecht und bildet mit dem benachbarten Faden ein Maschenstäbchen; Wirkwaren sind nur maschinell herstellbar). Ebenso kann es sich um ein Lochblech handeln, das entsprechend gefertigt ist (nicht gezeigt).
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Die Schirmung 5 ist mit einer Massefläche, etwa durch eine Leiterbahn 3, verbunden durch Löten oder stecken. Das Geflecht ist dehnbar, sodass es etwaige Temperaturänderungen und die damit verbunden Längenänderung des Vergusses 7 mitmachen kann. Das Geflecht ist flexibel, jedoch mechanisch stabil.
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Als Material der Schirmung 5 kommt ein Metall, eine leitfähige Keramik oder ein leitfähiger Kunststoff in Betracht. Ebenso ist eine Formgedächtnislegierung möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- Elektrisches Bauteil
- 3
- Leiterbahn
- 4
- Kontakt
- 5
- Schirmung
- 5'
- Ausschnitt aus 5
- 6
- Basismaterial
- 7
- Verguss
- 11
- Elektronikbaugruppe
- 20
- Feldgerät
- 21
- Sensor
- 22
- Schnittstelle
- 23
- Schnittstelle
- 24
- Kabel
- 26
- Transmitter
- 30
- Messstelle
- D
- Defekt
- L
- Lack
- R
- Riss
- U
- Umhausung
