DE102017201263A1

DE102017201263A1 - Elektrisch isolierte baugruppe und verfahren zur elektrischen isolation einer baugruppe

Info

Publication number: DE102017201263A1
Application number: DE102017201263.3A
Authority: DE
Inventors: Harald Hundt
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2018-07-26
Also published as: CN108366493B; US10117337B2; CN108366493A; US20180213652A1

Abstract

Elektrische oder elektronische Baugruppe mit einem Träger und einem oder mehreren mit dem Träger mechanisch und elektrisch verbundenen elektrischen oder elektronischen Bauelementen, wobei der Träger oder mindestens eines der Bauelemente oder beides ganz oder teilweise mit Pulver beschichtet ist und das Pulver Pulverpartikel aus elektrisch isolierendem Material mit einem mittleren Partikeldurchmesser von kleiner 1000 Mikrometer aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch isolierte Baugruppe und ein Verfahren zur elektrischen Isolation einer Baugruppe.
Elektrische und elektronische Baugruppen umfassen üblicherweise elektrisch isolierende Träger wie etwa Leiterplatten und Substrate, elektrische und elektronische Bauelemente sowie die Bauelemente miteinander elektrisch verbindende Leiterstrukturen. Die Bauelemente sind mit den Leiterstrukturen elektrisch verbunden und mittels dieser oder in sonstiger Weise an den Trägern befestigt. Bei den Bauelementen dienen als elektrische Anschlüsse beispielsweise metallische Kontakte wie etwa Pins, SMD-Flächen, Lotkugeln und dergleichen, welche mittels Lot mit den Leiterstrukturen elektrisch und mechanisch verbunden sind. Übliche metallische Kontakte haben beispielsweise Zinnoberflächen oder Oberflächenbeschichtungen aus edleren Metallen wie etwa Gold, Palladium, Silber oder ähnlichem. Durch fortschreitende Miniaturisierungen der Baugruppen sind die Abstände zwischen den Kontakten stetig verringert worden, so dass Anschlüsse oft nur noch 0,125mm voneinander beabstandet sind. Da es aufgrund von metallischen Partikeln oder anderen leitfähigen Verunreinigungen zu ungewollten leitenden Verbindungen zwischen einzelnen Kontakten kommen kann, wobei die Gefahr solcher ungewollter elektrischer Verbindungen mit abnehmendem Abstand zunimmt, erhöht sich gleichermaßen das Risiko einer Störung oder sogar des Ausfalls der Baugruppen. Um ein solches Risiko zu begrenzen oder zu senken, sind bislang verschiedene Ansätze bekannt.
Ein Ansatz sieht beispielsweise das Reinigen der Baugruppe vor, um elektrisch leitende Partikel, die größer sind als der minimal vorkommende Kontaktabstand, zu entfernen. Nachteilig ist dabei allerdings, dass geeignete Reinigungsverfahren sehr aufwändig sind und auch keine Sicherheit gegen nach dem Reinigen, beispielsweise während der weiteren Nutzung auftretende neue Partikel bieten. Ein anderer Ansatz sieht das Abdecken von Teilen oder gar der kompletten Baugruppe nach deren Herstellung mittels Lackieren oder Beschichten mit elektrisch isolierenden Materialien vor. Nachteilig ist dabei jedoch, dass Lackieren und Beschichten eine sorgfältige Vorbereitung der Oberfläche der Baugruppe, insbesondere im Hinblick auf ionische Verunreinigungen, welche beispielsweise nach einem Lötprozess in der Baugruppe verblieben sind und beispielsweise in Verbindung mit auftretender Feuchtigkeit zu Korrosion, Elektromigration und ähnlichen Effekten führen können. Zum Beispiel in Kraftfahrzeugen verbaute Baugruppen wie etwa Baugruppen von Steuergeräten sind schwer kontrollierbaren klimatischen Bedingungen ausgesetzt und sind daher für feuchtigkeitsbedingte Störungen besonders anfällig. So kann die Baugruppe in einem Fahrzeug einerseits hoher Luftfeuchtigkeit und hoher Temperatur ausgesetzt sein und andererseits in verhältnismäßig kurzer Zeit einer Abkühlung ausgesetzt sein, welche eine Betauung der Baugruppe zur Folge hat. Dies hat wiederum erhebliche Auswirkungen auf die elektrische Isolation der Baugruppe aufgrund einer möglichen Wasseraufnahme der Beschichtung und dem Start eines Osmose-Prozesses hat.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Baugruppe bereit zu stellen, bei der eine verbesserte elektrische Isolation auch unter Feuchtigkeitseinwirkung gegeben ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum elektrischen Isolieren einer Baugruppe anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Baugruppe gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 12.
Die Aufgabe wird also gelöst durch eine elektronische Baugruppe mit einem Träger und einem oder mehreren mit dem Träger mechanisch und elektrisch verbundenen elektrischen oder elektronischen Bauelementen, wobei der Träger oder mindestens eines der Bauelemente oder beides ganz oder teilweise mit Pulver beschichtet ist und das Pulver Pulverpartikel aus elektrisch isolierendem Material mit einem mittleren Partikeldurchmesser von kleiner 1000 Mikrometer aufweist.
Die Aufgabe wird also ferner gelöst durch ein Verfahren zum elektrischen Isolieren einer elektronischen Baugruppe mit einem Träger und einem oder mehreren mit dem Träger mechanisch und elektrisch verbundenen elektrischen oder elektronischen Bauelementen, bei dem der Träger oder mindestens eines der Bauelemente oder beides ganz oder teilweise mit Pulver beschichtet wird, wobei das Pulver Pulverpartikel aus elektrisch isolierendem Material mit einem mittleren Partikeldurchmesser von kleiner 1000 Mikrometer aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:

1 eine Baugruppe mit verbesserter elektrischer Isolation mittels elektrisch isolierendendem Pulver;
2 eine Anordnung zum elektrischen Isolieren einer Baugruppe mittels Aufsprühen elektrisch isolierenden Pulvers;
3 eine Anordnung zum elektrischen Isolieren einer Baugruppe mittels Auftrag von elektrisch isolierendem Pulver vor dem Beschichten;
4 die Anordnung nach Figur 3 während des Beschichtens;
5 die Anordnung nach 3 nach dem Beschichten;
6 ein vereinfachtes Modell zur Darstellung der auftretenden Haftkraft zwischen einer glatten Kugel und einer senkrecht stehenden glatten Wandfläche;
7 die Abhängigkeit der Haftkraft vom Abstand der Kugel von der Wandfläche bei dem in 6 gezeigten Modell;
8 die Abhängigkeit der Haftkraft vom Durchmesser der Kugel bei dem in 6 gezeigten Modell;
9 den Zusammenhang von Haltekraft und Ablösekraft in Abhängigkeit vom Durchmesser der Kugel bei dem in 6 gezeigten Modell; und
10 eine mikroskopische Aufnahme eines mit Pulverpartikeln bedeckten elektrischen Anschlusses eines Bauelements.

Bei einer atmosphärischen Belastung von Baugruppen unter üblichen Klimaten liegt immer auch eine Feuchtebelastung vor, wobei die Beschichtung der Baugruppe mit dem Wasserdampf der Atmosphäre im Gleichgewicht steht. Da beispielsweise kein Polymer wasserdampfundurchlässig ist, ist somit ein gegebener Anteil an Wasser im Polymer gelöst. Mit zunehmender Temperatur und zunehmender Luftfeuchte kann sich mehr Wasser in das Polymer einlagern. In diesen Fällen ist das Gleichgewicht zwischen im Polymer gelöstem Wasser und dem Dampfdruck des Wassers in der Luft der physikalisch maßgebliche Prozess. Gleichzeitig bilden sich bei ungefähr 40% relativer Feuchte dünnste Wasserfilme in molekularem Maßstab. Bei ungefähr 60% relativer Feuchte hat sich ein bis zu vier Moleküllagen dicker Film auf der Oberfläche gebildet. Ein Film dieser Dicke kann bereits mit hygroskopischen, das heißt wasseranziehenden Verunreinigungen auf der Filmoberfläche in Wechsel treten. Bei einer relativen Feuchte von etwa 80% haben sich ungefähr zehn Moleküllagen gebildet. Diese verhalten sich bereits ähnlich wie normales Wasser, das heißt, es können Lösungsvorgänge von Salzen auf der Oberfläche beginnen und ionische Prozesse ablaufen.
Anders liegen die Bedingungen bei einer Betauung. Eine Betauung tritt dann auf, wenn der Sättigungsdampfdruck bei einer gegebenen Temperatur überschritten wird. Wird ein kaltes Bauteil in eine warme Atmosphäre gebracht, so kühlt sich die unmittelbar an die Baugruppe grenzende Luft ab. Da kalte Luft weniger Wasser aufnehmen kann als warme Luft, kondensiert das Wasser aus und kann sich sichtbar in Form von Tropfen auf der Baugruppe niederschlagen. Es handelt sich physikalisch um einen vergleichbaren Vorgang wie bei der meteorologischen Nebelbildung. Die Gefahr dieser Taupunktunterschreitung ist bei niedrigen Temperaturen zwischen 0°C und 10°C besonders groß.
Im Falle der Betauung verändern sich einige Gesetzmäßigkeiten gegenüber hoher Luftfeuchte. Das im Polymer gelöste Wasser steht nun nicht mehr im Gleichgewicht zum Wasserdampf in der Luft, sondern im Gleichgewicht zu auf der Bauelement- oder Lackoberfläche kondensiertem Wasser. Die nun zum Tragen kommenden Gesetzmäßigkeiten lassen sich unter dem Begriff der Osmose zusammenfassen. Osmose bedeutet, dass sich jeder in Wasser gelöste Stoff verdünnt, bis der osmotische Druck dieser sich bildender Lösung gleich dem des Wassers oder des Wassertropfens auf dem Lackfilm ist. Betroffen sind hiervon beispielsweise Salze, wie etwa Spuren von Handschweiß auf einer Leiterplatte, aber auch wasserlösliche Komponenten aus dem Flussmittel. Diese osmotischen Effekte senken die elektrischen Widerstandswerte drastisch und können bis hin zur Blasenbildung führen.
Die unter dem Begriff Osmose zusammenzufassenden Prozesse können sich daher sowohl bei der Leiterplattenvorbehandlung vor der Schutzlackierung als auch auf den Beschichtungsstoff selbst auswirken. Die Temperatur-Feuchte-Belastung bei hoher Luftfeuchte von über 90% relativer Feuchte und konstanter Temperatur führt nicht zur Betauung. An Baugruppen übliche Untersuchungen mit sogenannten „Schwitzwassergeräten“ nach IEC60 068-2-3 (entsprechend DIN 50 017) bewirken eine konstante Betauung und starten bereits die oben beschriebenen osmotischen Vorgänge. Erschwerend hinzukommen kann eine Belastung über aus der Umgebungsluft abgeschiedene Schmutzpartikel oder Schadstoffe und auch über Kontaminationen durch in der Umgebung der Baugruppe vorhandene Betriebsstoffe wie etwa im Motorraum vorkommende Kraftstoffe, Öle, Weichmacher und dergleichen.
In 1 ist eine Baugruppe 100 gezeigt, welche einen plattenförmigen Träger 101 mit zwei großflächig ausgebildeten, parallel zueinander verlaufenden Seitenflächen, die zur Unterscheidung im Folgenden Oberseite und Unterseite genannt werden, umfasst. An der Oberseite ist eine strukturierte Metallisierung mit Leiterbahnen 102 und an der Unterseite ist eine strukturierte Metallisierung mit Leiterbahnen 103 auf dem Träger 101 aufgebracht. Der Träger 101 ist aus elektrisch isolierendem Material wie beispielsweise Hartpapieren, Epoxidharzen oder Keramiken hergestellt. Die Leiterbahnen 102 und 103 weisen beispielsweise Kupfer oder Aluminium in weitgehend unbehandelter Form oder aber mit einer speziellen Oberflächenbeschichtung wie etwa mit Zinn, Palladium, Gold oder Silber auf. Ein solches Gebilde mit einem elektrisch isolierenden Träger und mit zumindest an einer seiner Oberflächen befindlichen und daran befestigten, elektrisch leitenden Strukturen (Leiterbahnen) ist auch unter dem Namen „Leiterplatte“ oder „Substrat“ bekannt.
Mit dem Träger 101 mechanisch und mit den Leiterbahnen 102 bzw. 103 elektrisch verbunden sind elektrische oder elektronische Bauelemente 104 und 105. Das Bauelement 104 hat dabei ein sogenanntes SMD-Gehäuse von quaderförmiger Ausprägung mit zwei elektrischen Kontakten 106 an einander gegenüberliegenden Stirnseiten. Das Bauelement 104 ist flächig an der Oberseite des Trägers 101 angesetzt, so dass die die Kontakte 106 tragenden Stirnflächen senkrecht zur Oberseite des Trägers 101 von diesem weg ragen. Die Lage der Kontaktflächen 106 korrespondiert im Bereich des Bauelementes 104 mit der Lage der Leiterbahnen 102, mit denen sie einen rechten Winkel bildend mittels Lot verlötet sind. Das Bauelement 105 umfasst beispielsweise einen röhrenförmigen Hauptkörper, von dessen Stirnseiten sich Anschlussdrähte 108 zunächst wegerstrecken und dann um 90° gebogen in Richtung des Trägers 101 verlaufen. Die auf den Träger 101 zulaufenden Enden der Anschlussdrähte 108 sind durch Bohrungen 109 im Träger 101 zu dessen Unterseite geführt, wo sie mit den Leiterbahnen 103 Lötstellen 110 bildend verlötet sind (oder in sonstiger Weise elektrisch und mechanisch verbunden) sind.
Zur Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen innerhalb der Baugruppe 100 durch freie metallische Partikel ist der Träger 101 samt Leiterbahnen 102, Bauelementen 104 und 105, den Kontakten 106, den Anschlussdrähten 108 sowie den Lötstellen 107 oberseitig mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 111 versehen. Obwohl beim Ausführungsbeispiel nur die Oberseite (vollständig) beschichtet ist, kann alternativ oder zusätzlich auch die Unterseite ganz oder teilweise beschichtet sein. Wie bereits angedeutet kann sowohl die Beschichtung an der Oberseite als auch an der Unterseite nicht nur vollständig, sondern auch nur in einzelnen Bereichen ausgeführt sein. Die Beschichtung 111 umfasst Pulver mit Pulverpartikeln aus elektrisch isolierendem Material mit einem mittleren Partikeldurchmesser von kleiner 1000µm aufweist. Der mittlere Partikeldurchmesser kann dabei auch kleiner 600µm, kleiner 500µm oder sogar kleiner 100µm sein.
Die Beschichtung 111 bedeckt im vorliegenden Fall die Oberseite der Baugruppe 100 ganz, wobei die Beschichtung 111 als letzter Schritt nach Endmontage der Baugruppe 100 sowie einer optionalen abschließenden Reinigung erfolgt ist. Die Beschichtung 111 bewirkt nun, dass bei einem Ereignis, das den Ortswechsel eines ungewollten metallischen Partikels auf der Baugruppe 100 auslöst und bei dem der metallische Partikel zufällig auf zwei elektrischen Kontaktstellen zum Liegen kommt, dieser aufgrund der elektrisch isolierenden Pulverpartikel keinen elektrischen Kontakt herstellen kann zwischen den beiden Kontaktstellen und somit einen Kurzschluss zwischen diesen beiden Kontaktstellen verhindert. Damit die nichtleitenden Pulverpartikel ihre Position nicht verändern und als punktuelle Bedeckung der offenen Metallflächen wirksam bleiben, werden die Pulverpartikel sehr klein gehalten, wodurch die natürlichen Haftkräfte an der Oberfläche der Baugruppe wirken.
Die Beschichtung der Baugruppe oder eines Teils davon kann mittels verschiedener Verfahren erfolgen. Eine Möglichkeit besteht darin, Pulver mittels einer Düse auf die Baugruppe zu strahlen bzw. mittels einer Düse in die Umgebung der Baugruppe einzublasen. Auf diese Weise ist eine Beschichtung ohne großen Aufwand, also einfach und preiswert durchzuführen. Ein anderes Verfahren sieht vor, Pulver in die Umgebung der Baugruppe einzubringen, wobei die Pulverpartikel elektrisch mit einer Polarität geladen werden und die zu beschichtenden Bereiche der Baugruppe mit der entgegengesetzten Polarität geladen werden, so dass diese aufgrund elektrostatischer Anziehung die Pulverpartikel an sich ziehen. Auf diese Weise lässt sich eine gezielte Bedeckung einzelner Bereiche sowie ein geringerer Pulververlust realisieren. Eine dritte beispielhafte Möglichkeit, die Baugruppe zu beschichten, sieht beispielsweise das Bedecken der Baugruppe oder einzelner Stellen der Baugruppe mit Pulver (Pulvertransfer) und anschließendes Abschütteln oder Abblasen des überschüssigen Pulvers vor. Auf diese Weise wird die Behandlung bestimmter Bereiche ohne größeren Aufwand ermöglicht.
Der Pulvertransfer kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Baugruppe auf ein rohrförmiges Gefäß mit Boden und gefüllt mit Pulver an dem dem Boden gegenüberliegenden Ende aufgesetzt wird, wobei das dem Boden gegenüberliegende Ende beispielsweise mit einer Dichtlippe aus Gummi versehen sein kann. Nach dem Aufsetzen der Baugruppe auf das rohrförmige Gefäß wird die Anordnung aus Baugruppe und rohrförmigem Gefäß ohne Änderung der Position relativ zueinander um beispielsweise 180° gedreht. Dabei fällt Pulver zumindest auf Bereiche der Baugruppe und bedeckt diese. Danach wird die Anordnung aus Baugruppe und rohrförmigem Gefäß wieder in die ursprüngliche Position gebracht, das heißt entweder um 180° zurück gedreht oder um 180° weiter gedreht. Dabei fällt überschüssiges Pulver wieder zurück in das rohrförmige Gefäß und zumindest bestimmte Bereiche der Baugruppe bleiben mit Pulverpartikeln bedeckt. Diese Vorgehensweise kann sowohl an nur einer Seite der Baugruppe (Oberseite oder Unterseite) oder an beiden Seiten (Oberseite und Unterseite) angewandt werden. Wenn die Baugruppe in ein Gehäuse eingebaut ist und keine Bereiche besitzt, für die isolierendes Pulver kritisch ist, kann das Gehäuse mit einer definierten Menge an Pulver gefüllt werden und gegebenenfalls durch Schütteln gleichmäßig verteilt werden. Soll dann überschüssiges Pulver aus dem Gehäuse beispielsweise nachträglich entfernt werden, kann dies beispielsweise mittels Auskippen erfolgen.
Eine beispielhafte Anordnung zum Beschichten von Baugruppen ist in 2 dargestellt. Bei dem gezeigten Beispiel soll ein Abschnitt der in 1 gezeigten Baugruppe 100, nämlich der Abschnitt mit und um das SMD-Bauteil 106 herum beschichtet werden. Eine Anordnung 200 zum Beschichten der Baugruppe 100 umfasst eine Düse 201, die Pulver 202 zu einem auf die Baugruppe 100 gerichteten Strahl 203 bündelt. Hierzu wird das Pulver 202 unter Druck zum Beispiel mit einem Gasstrom durch eine Verengung 204 der Düse 201 gepresst. Wie gezeigt kann die Düse 201 parallel zur Baugruppe 100 beziehungsweise parallel zum Träger 101 eindimensional (zum Beispiel entlang einer Richtung 205) oder zweidimensional (zum Beispiel entlang der Richtung 205 und einer senkrechtdazu liegenden Richtung 206) verfahren werden. Somit kann das Pulver 202 an jeder beliebigen Stelle der Baugruppe 100 aufgebracht werden.
Die Genauigkeit, mit der ein beliebiges Muster auf die Baugruppe 100 aufgebracht werden kann, hängt dabei unter anderem von der Dicke beziehungsweise Auffächerung des Strahls 203 sowie der Entfernung zwischen Baugruppe 100 und Düse 201 ab. Je nach dem wie weit die Düse 201 von der Baugruppe 100 entfernt ist und wie weit sich der Strahl 203 zur Baugruppe hin auffächert, kann auf ein Verfahren der Düse 201 parallel zur Baugruppe 100 verzichtet werden. Auf ein Verfahren der Düse 201 kann beispielsweise dann verzichtet werden, wenn die Pulverpartikel elektrisch vorgeladen werden und auf eine mit in entgegengesetzter Polarität geladene Fläche der Baugruppe 100 treffen. So kann beispielsweise die Düse 201 aus leitendem Material wie etwa Metall ausgeführt werden und an einen mit einer ersten Polarität geladenen Pol 207 einer Spannungsquelle 208 angeschlossen sein. Ein mit einer zur ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität geladener Pol 209 der Spannungsquelle 208 ist beispielsweise mit elektrisch aufladbaren oder leitenden Flächen der Baugruppe 100 verbunden.
Mit der in 2 gezeigten Anordnung lassen sich verschiedene Beschichtungsverfahren durchführen. Mit der Düse 201 kann an gewünschten Stellen Pulver 202 aufgebracht werden, wobei überschüssiges Pulver dann entweder abgekippt wird wie beispielsweise durch Drehen oder Verkippen der Baugruppe 100 oder aber durch Verblasen überschüssigen Pulvers durch mindestens eine weitere Düse oder durch die Düse 201, in dem nach dem Pulver 202 Luft durch die Düse 201 gedrückt wird. Alternativ können auch mehrere Düsen 201 zum Beschichten (und Abblasen) vorgesehen werden, wobei diese Düsen je nach Anwendungsfall auch matrixförmig angeordnet sein und bei Bedarf einzeln angesteuert werden können.
Eine andere Möglichkeit, die Anordnung 200 zu betreiben, sieht den Einsatz elektrostatischer Kräfte vor, um die Menge an überschüssigem Pulver gering zu halten. Hierzu wird wie oben bereits beschrieben die Spannungsquelle 208 in der gezeigten Weise in Kombination mit einer oder mehreren, statischen oder beweglichen Düsen 201 eingesetzt. Die überwiegende Mehrheit der mit der ersten Polarität geladenen Pulverpartikel wird hierbei von den entgegengesetzt geladenen Flächen der Baugruppe 101 elektrostatisch angezogen, so dass die Anzahl frei beweglicher, also überschüssiger Pulverpartikel gering gehalten werden kann.
Darüber hinaus können auch Anordnungen bei der Beschichtung von Baugruppen mit Pulver zum Einsatz kommen, die keine Düse oder Düsen aufweisen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in 3 gezeigt. Bei der in 3 gezeigten Anordnung ist die Baugruppe 100 in eine Halbschale 401 eingebaut, die beispielsweise Bestandteil eines nicht näher gezeigten Gehäuses ist. Die Halbschale 401 weist dabei eine Öffnung auf sowie einen der Öffnung gegenüber liegenden Boden, in dessen Nähe sich die Baugruppe 100 befindet. Die Halbschale 401 wird mit der Öffnung nach unten auf ein rohrförmiges Gefäß mit Boden und dem Boden gegenüberliegender Öffnung wie beispielsweise einem Becher 402 aufgesetzt (nicht gezeigt) oder in die Öffnung des Bechers 402 ein Stück eingeschoben, so dass beide Öffnungen aneinander zu Liegen kommen. An dem Übergang von Halbschale 401 und Becher 402 kann eine elastische Dichtlippe (nicht gezeigt) vorgesehen werden oder aber der Becher 402 ist aus elastischem Material wie beispielsweise Gummi hergestellt, wodurch ein abgedichteter Übergang zwischen Halbschale 401 und Becher 402 gewährleistet wird. Der zunächst unter der Halbschale 401 befindliche Becher 402 ist dabei mit Pulver 403 gefüllt.
In einem nächsten Schritt wird dann die gesamte Anordnung mit Becher 402 und Halbschale 401 samt Baugruppe 100 um 180° gedreht. Das Pulver 403 bewegt sich dann nach unten, das heißt es fällt aus dem Becher 402 heraus in die Halbschale 401. Dabei schließt das Pulver 403 die Baugruppe 100 vollständig (oder teilweise) ein. Das Ergebnis dieses Schrittes ist in 4 dargestellt.
Danach wird die gesamte Anordnung aus Becher 402 und Halbschale 401 samt Baugruppe 100 um 180° weitergedreht oder um 180° zurückgedreht, so dass jedenfalls die ursprüngliche Position (siehe 3) wieder erreicht wird. Überschüssiges Pulver 403 fällt dabei wieder in den Becher 402 zurück, während ein anderer Teil des Pulvers 403 an der Baugruppe 100 haften bleibt. Das Ergebnis dieses Schrittes ist in 5 gezeigt.
Wenn die elektronische Baugruppe 100 bereits in ein ganz oder zumindest weitgehend geschlossenes Gehäuse eingebaut ist und eine derartige Anordnung keine Bereiche besitzt, für die isolierendes Pulver kritisch ist, kann alternativ das weitgehend geschlossene Gehäuse mit einer ausreichenden Menge an Pulver gefüllt werden, gegebenenfalls durch Schütteln gleichmäßig verteilt und, falls notwendig oder gewünscht, dann wieder entleert werden. Daneben ergeben sich durch Kombination verschiedener, oben im Zusammenhang mit anderen Beschichtungsverfahren beschriebener Maßnahmen weitere Möglichkeiten, Baugruppen mit isolierendem Pulver ganz oder teilweise zu bedecken.
Je nach gewähltem Beschichtungsverfahren kann die Bedeckung der elektrischen Baugruppe mit elektrisch isolierendem Pulver eine doppelte elektrisch isolierende Wirkung entfalten. Neben der Beschichtung von beispielsweise leitenden Bereichen der Baugruppe können aber auch unerwünschte metallische Partikel, die sich bereits vor dem Beschichten in der Baugruppe befinden, von dem Pulver bedeckt werden und so ebenfalls einen Überzug aus elektrisch isolierendem Pulver erhalten, wodurch die metallischen Partikel bei einem Ortswechsel innerhalb der Baugruppe und einem dabei möglichen Aufliegen auf elektrisch leitenden Oberflächen der Baugruppe durch an ihnen anhaftenden Pulverpartikeln keinen elektrischen Kurzschluss erzeugen können.
Alle eingangs genannten, bei bekannten abdeckenden Beschichtungen und Lackierungen auftretenden Einschränkungen sind durch die Beschichtung beziehungsweise Bedeckung mit elektrisch isolierenden Partikeln geringer Größe weitgehend ausgeschlossen. Die elektrisch isolierenden Partikel liegen locker auf der Oberfläche der Baugruppe auf und bilden keine geschlossene Schicht, so dass die Leiterplattenoberfläche keinen speziellen, beispielsweise temperatur- oder feuchtebedingten Belastungen ausgesetzt ist. Bei entsprechender Auswahl des Materials für die elektrisch isolierenden Partikel ist der elektrisch isolierende Zustand auch langzeitstabil. Geeignete Pulvermaterialien zeichnen sich zumindest durch eine der folgenden Eigenschaften aus: keine oder geringe Wasseraufnahme, gute elektrische Isolationseigenschaften, keine chemische Aktivität, keine Abgabe von Ionen oder Bildung von ionischen Verunreinigungen, keine chemische Reaktion mit Flussmittelrückständen, keine chemische Reaktion mit Metallen und Kunststoffen sowie ausreichende Temperaturbeständigkeit. Materialien, die dieses Anforderungsprofil zumindest in erheblichem Umfang erfüllen, sind beispielsweise anorganische Substanzen, die eine geringe Löslichkeit in Flüssigkeiten aufweisen, aber auch organische Substanzen wie beispielsweise Kunststoffe, hierbei etwa Thermoplaste und Duroplaste. Die geringe Löslichkeit in Flüssigkeiten wie etwa Wasser ist insofern von Bedeutung, da deshalb die Abgabe von Ionen eingeschränkt ist. Geeignet sind beispielsweise Pulver aus keramischen Partikeln wie etwa solche aus Kalziumkarbonat (CaCO₃), Siliziumdioxid (SiO₂), Magnesiumoxid (MgO), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Mischungen daraus wie sie beispielsweise in Kreide zu finden sind. Das elektrisch isolierende Material kann eine Löslichkeit in Wasser von unter 0,1 Gramm pro Liter aufweisen und/oder Temperaturen von zumindest 200 Grad Celsius standhalten.
Geeignete Kunststoffmaterialien für das Pulver finden sich zum Beispiel bei zumindest einem der folgenden technischen Kunststoffe: Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Polyvynilchlorid (PVC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Polybutylenterephthalat (PBTP), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN), Polyethylenterephthalat (PETP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyoxymethylen (POM), Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Perfluoralkoxy-Polymere (PFA), Fluorethylenpropylen (FEP), Tetrafluorethylen-Perfluor-Methylvinylether (MFA), Ethylenchlortrifluorethylen (ECTFE), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polysulfon (PSU)und Polyphenylensulfid (PPS).
Die Beschichtung mit elektrisch isolierendem Pulver umfasst sowohl das Aufbringen des Pulvers als auch das Anhaften der Pulverpartikel an geeigneten Oberflächen. Dabei können mögliche zur Anwendung kommende Haftkräfte (auch Adhäsionskräfte genannt) in drei Gruppen eingeteilt werden, von denen eine erste Gruppe die Oberflächen- und Feldkräfte mit direktem Partikelkontakt betrifft, eine zweite Gruppe sich auf Materialbrücken zwischen den Kontaktflächen bezieht und eine dritte Gruppe formschlüssige Verbindungen beinhaltet. Die Oberflächen- und Feldkräfte mit direktem Partikelkontakt können ihrerseits unterteilt werden in Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische Kräfte und magnetische Kräfte. Die Gruppe der Materialbrücken zwischen den Kontaktflächen können organische Makromoleküle, Flüssigkeitsbrücken und Festkörperbindungen wie beispielsweise aufgrund von Rekristallisation, Sintern oder chemischen Feststoff-zu-Feststoffreaktionen beinhalten. Haftkräfte nehmen mit wachsender Partikelgröße zu und mit wachsendem Abstand zwischen Partikel und Oberfläche ab. Die 6 bis 8 zeigen die grundlegenden Zusammenhänge bei Haftkräften an einem vereinfachten Modell mit einer glatten Kugel 601 und einer senkrecht stehenden, glatten Platte 602 (siehe 6). Zudem kann optional eine Materialbrücke 603 zwischen der Kugel 601 und der Platte 602 bestehen. Die Kugel 601 ist dabei in einem Abstand a₀ von der Platte 602 beabstandet. Die Kugel 601 hat einen Durchmesser d und der Verjüngungswinkel der Materialbrücke 603 ist mit α bezeichnet.
7 zeigt den Zusammenhang zwischen einer Haftkraft F_H in nN (Nano-Newton) zu Partikelabstand a in nm (Nanometer) ist für verschiedene Arten von Haftkräften in 7 dargestellt. Die Abhängigkeit der Haftkraft F_H zur Partikelgröße für die verschiedenen Arten von Haftkräften ist in 8 dargestellt.
Die Haftkraft F_H, die auf ein Pulverpartikel wirkt, kann unter zu Hilfenahme des sogenannten JKR-Modells (JKR = Johnson, Kendall, Roberts) wie folgt berechnet werden: $F_{H} = - 3 π \cdot γ_{s} \cdot r,$
wobei γs die Oberflächenenergie und r den Radius, also den halben Durchmesser d des Partikels, angibt. Als Haftkraft F_H ist die maximale Kraft zu verstehen, bei der eine Trennung beziehungsweise eine Ablösung des Partikels von der Oberfläche beginnt, das heißt die Haftkraft H_F gleich der Ablösekraft F_A ist: $F_{H} = F_{A} = (4 / 3) \cdot π \cdot r^{3} \cdot a \cdot ρ,$
wobei p die Dichte des Partikelmaterials und a wiederum den Abstand des Partikels von der Oberfläche angibt.
Bei Oberflächen, die nicht horizontal verlaufen, wirkt zusätzlich zu etwaigen Stößen auch die Gravitationskraft. Für den Extremfall einer senkrecht stehenden Oberfläche (wie in 6 gezeigt) haften die Pulverpartikel an der Oberfläche durch die Oberflächenkräfte, sind jedoch der Gewichtskraft ausgesetzt. Dieses Gleichgewicht ist abhängig von dem Material, das heißt von dessen Dichte. Berechnungen der Kraftverhältnisse mit dem vereinfachten Kugel-Platte-Modell zeigen, dass die Gewichtskraft erst oberhalb von einigen 100µm Oberhand gewinnt und dem entsprechend ein Abfallen der Kugel von der Wand auslöst. Das bedeutet, dass Pulverpartikel unterhalb einer bestimmten Größe, die keinen starken Stößen ausgesetzt sind, sich nicht mehr von einer senkrecht stehenden Oberfläche wie etwa einer Wand ablösen.
Zur Veranschaulichung der dabei auftretenden Haftkräfte bei kleinen Pulverpartikeln kann folgende Beispielrechnung durchgeführt werden: Wenn für verschieden große Pulverpartikel die Haftkräfte und die Ablösekräfte bei Auftreten eines Stoßes ermittelt werden, kann der Schnittpunkt, das heißt die theoretische Kräftefreiheit bzw. die Kraft, bei der sich das Pulverpartikel eigenständig ablöst, berechnet werden. In 9 ist dieser Zusammenhang grafisch für ein Partikel aus Kunststoff dargestellt. Nach dieser auf den obigen Gleichungen beruhenden, vereinfachten Rechnung sollten Pulverpartikel aus Kunststoff mit einem Durchmesser von kleiner 133µm bei einem Stoß von etwa dem 1500fachen der Erdbeschleunigung von einer Oberfläche abfallen, während Partikel, die kleiner sind, haften bleiben.
Bei dem in 9 dargestellten Beispiel zu Haftkräften an einem kugelförmigen Kunststoffpartikel auf einer glatten Oberfläche im Vergleich zur Ablösekraft bei Stößen mit einer Beschleunigung von etwa 1500g (g = Erdbeschleunigung). Bei dem gezeigten Beispiel ist der Schnittpunkt beider Kurven in etwa bei einem Partikeldurchmesser von 133µm. Das bedeutet, dass Partikel (Teilchen) mit einem Partikeldurchmesser von weniger als 133µm Stößen von bis zu 1500N ohne Positionsveränderung standhalten. Mit einer Beschleunigung von 1500g ergibt sich für Kunststoff (angenommen sei hierfür Polystyrol mit einer Dichte von 1052kg/m³) eine Partikelgröße von 133µm und weniger, für Kupfer 356µm und weniger, für Zinn 245µm und weniger sowie etwa 1000 µm für poröses Siliziumdioxid (mit einer Dichte von 0,738 kg/m³). Dies heißt vereinfacht, dass Partikel unterhalb der jeweiligen Grenzgröße auch bei extremen Stößen ihren Aufenthaltsort auf der Oberfläche eines Bauteils oder einer Baugruppe nicht mehr verlassen. In Anbetracht, dass die Beschleunigung bei Stößen im „alltäglichen“ Bereich bei weniger als 100g liegen, dann wird beispielsweise ein Zinnpartikel mit einem Durchmesser von unter 905µm seinen Aufenthaltsort nicht mehr verlassen.
Die oben zugrunde gelegte vereinfachte Abschätzung berücksichtigt weder die Oberflächenrauhigkeit von Partikeln oder des Untergrundes, vereinfacht die Pulverpartikel geometrisch auf eine Kugelform, berücksichtigt keine Doppelberührungen des Partikels mit Strukturen wie etwa Ecken, vernachlässigt Kapillarkräfte im Falle von Feuchtigkeit und vernachlässigt Agglomerate, das heißt Partikelanhäufungen. Die Abschätzung zeigt aber, dass bei Erschütterung und Stößen kleinere Partikel haften bleiben, während größere Partikel ihren Aufenthaltsort verändern können, das heißt mobil sind. Darüber hinaus zeigt die Abschätzung, dass die Ablösung von Partikeln durch Stöße auch vom Partikelmaterial selbst abhängig ist.
In Anbetracht, dass die Stoßbelastung von 1500g bereits eine sehr große Beschleunigung darstellt, so ist zu erwarten, dass Partikel unter 1000µm beispielsweise unter 600µm (500µm) sich eher sehr selten von Baugruppen abschütteln lassen. Die Wahrscheinlichkeit für Partikel, ihren Aufenthaltsort aufgrund von Stößen zu verlassen, steigt exponentiell mit der Größe des Partikels. Sehr kleine Partikel, wie zum Beispiel Partikel mit einem Durchmesser von unter 50µm, werden die Baugruppe ohne unerhebliche zusätzliche Belastungen wie etwa Stöße von anderen Partikeln, Wischen, Abblasen, Pinseln usw. mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht mehr verlassen. Diese Erkenntnis ermöglicht nun die dauerhafte elektrische Isolation einer Oberfläche mit isolierenden Partikeln, wenn diese Partikel eine ausreichende Anzahl haben und eine bestimmte Größe nicht überschreiten. 10 ist eine mikroskopische Aufnahme eines mit Pulverpartikeln 1002 bedeckten elektrischen Anschlusses 1001 eines nicht näher gezeigten Bauelementes.
Neben den in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen bestimmter Merkmale beziehungsweise Maßnahmen sind auch beliebige andere Kombinationen dieser und anderer Merkmale beziehungsweise Maßnahmen möglich.

Claims

Elektrische oder elektronische Baugruppe mit einem Träger und einem oder mehreren mit dem Träger mechanisch und elektrisch verbundenen elektrischen oder elektronischen Bauelementen, wobei der Träger oder mindestens eines der Bauelemente oder beides ganz oder teilweise mit Pulver beschichtet ist und das Pulver Pulverpartikel aus elektrisch isolierendem Material mit einem mittleren Partikeldurchmesser von kleiner 1000 Mikrometer aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 1, bei der das elektrisch isolierende Material eine Löslichkeit in Wasser von unter 0,1 Gramm pro Liter aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, bei der das elektrisch isolierende Material Temperaturen von zumindest 200 Grad Celsius standhält.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das elektrisch isolierende Material anorganisches Material aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 4, bei der das anorganische Material keramisches Material aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 5, bei der das keramische Material zumindest eine der folgenden Verbindungen aufweist: Kalziumkarbonat, Siliziumdioxid, Magnesiumoxid und Aluminiumoxid.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das elektrisch isolierende Material organisches Material aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 7, bei der das organische Material Kunststoff zumindest aus einer der folgenden Familien aufweist: Thermoplaste und Duroplaste.
Baugruppe nach Anspruch 8, bei der der Kunststoff zumindest einen der folgenden technischen Kunststoffe aufweist: Polyamid, Polycarbonat, Polyvynilchlorid, Polymethylmethacrylat, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer, Polybutylenterephthalat, Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Styrol-Acrylnitril-Copolymer, Polyethylenterephthalat, Polytetrafluorethylen, Polyoxymethylen, Polyethylenterephthalat, Polyvinylidenfluorid, Perfluoralkoxy-Polymere, Fluorethylenpropylen, Tetrafluorethylen-Perfluor-Methylvinylether, Ethylenchlortrifluorethylen, Polyetheretherketon, Polyetherimid, Polyethersulfon, Polysulfon und Polyphenylensulfid.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der mittlere Partikeldurchmesser kleiner 600 Mikrometer ist.
Baugruppe nach Anspruch 10, bei der der mittlere Partikeldurchmesser kleiner 100 Mikrometer ist.
Verfahren zum elektrischen Isolieren einer elektrischen oder elektronischen Baugruppe mit einem Träger und einem oder mehreren mit dem Träger mechanisch und elektrisch verbundenen elektrischen oder elektronischen Bauelementen, bei dem der Träger oder mindestens eines der Bauelemente oder beides ganz oder teilweise mit Pulver beschichtet wird, wobei das Pulver Pulverpartikel aus elektrisch isolierendem Material mit einem mittleren Partikeldurchmesser von kleiner 1000 Mikrometer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Beschichten durch Aufsprühen des Pulvers aus einer Düse auf den Träger oder mindestens eines der Bauelemente oder beidem erfolgt derart, dass sich darauf zumindest ein Teil des Pulvers absetzt und den Träger oder mindestens eines der Bauelemente oder beides ganz oder teilweise mit Pulver bedeckt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Beschichten durch räumlich begrenztes oder komplettes, elektrostatisches Aufladen der Träger oder mindestens eines der Bauelemente oder von beidem und durch anschließendes Freisetzen des Pulvers im Umfeld der Baugruppe erfolgt derart, dass es zu einer Anziehung der Pulverpartikel kommt und der Träger oder mindestens eines der Bauelemente oder beides ganz oder teilweise mit Pulver bedeckt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Beschichten durch vollständiges Bedecken des Trägers oder mindestens eines der Bauelemente oder von beidem mit dem Pulver und durch anschließendes Abschütten oder Verblasen des Pulvers erfolgt derart, dass ein Teil des Pulvers wieder entfernt wird und der andere Teil aufgrund von Oberflächenkräften den Träger oder mindestens eines der Bauelemente oder beides ganz oder teilweise mit Pulver bedeckt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei zum Beschichten ein Behälter mit dem Pulver auf die Baugruppe in einer Ursprungsposition angesetzt wird derart, dass zunächst kein Pulver auf den Träger und die Bauelemente gelangt, der Behälter ausgehend von der Ursprungsposition gedreht wird derart, dass zumindest ein Teil des Pulvers mit dem Träger oder mindestens einem der Bauelemente oder beidem in Berührung kommt und dann wieder in die Ursprungsposition gebracht wird derart, wobei ein Teil des Pulvers von dem Träger oder mindestens einem der Bauelemente oder beidem entfernt wird und ein anderer Teil des Pulvers aufgrund von Oberflächenkräften den Träger oder mindestens eines der Bauelemente oder beides ganz oder teilweise bedeckt.