DE102019119631A1

DE102019119631A1 - Verfahren zur Herstellung einer optischen Baugruppe und optische Baugruppe

Info

Publication number: DE102019119631A1
Application number: DE102019119631.0A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bernhard
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2021-01-21

Abstract

Die Erfindung offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Baugruppe (1) für ein Analysegerät der Prozessautomatisierungstechnik, die Baugruppe (1) zumindest umfassend ein erstes optisches Bauelement (2) und ein zweites optisches Bauelement (10), das Verfahren umfassend die Schritte: Aufbringen zumindest eines ersten optischen Bauelements (2) auf eine Leiterplatte (3); Einbringen zumindest einer Ausrichtungsstruktur (5) in die Leiterplatte (3); Aufbringen einer Halterung (7) für das zweite Bauelement (10) auf die Leiterplatte (3), wobei die Halterung (7) zumindest eine, zur Ausrichtungsstruktur (5) komplementäre, Aufnahme (8) umfasst, sodass die Ausrichtungsstruktur (5) und die Aufnahme (8) fluchten; und Einbringen des zweiten optischen Bauelements (10) in die Halterung (7), wobei die Halterung (7) eine Öffnung (9) umfasst, sodass das erste und zweite optische Bauelement (2, 10) genau übereinander angeordnet sind, wobei die Ausrichtungsstruktur (5) in die Leiterplatte (3) und/oder die Öffnung (9) in die Halterung (7) in Bezug zum ersten optischen Bauelement (2) eingebracht werden.Die Erfindung offenbart auch eine optische Baugruppe (1)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Baugruppe und optische Baugruppe.
Zur Anbindung von optischen Sensoren werden Lichtleiter verwendet. Dabei ist notwendig die Lichtleiter an optoelektronische Bauteile anzubinden. Diese optischen Bauteile sind meist auf einer Leiterkarte bestückt. Beispiele für optische Bauteile sind Lichtquellen (z.B. LEDs) oder Detektoren (Fotodioden, Detektor-Arrays u.a.). Um eine möglichst gute Kopplung zu erreichen, müssen der Lichtleiter und das optoelektronische Bauteil zueinander justiert werden. Dies ist insbesondere schwierig bei kleinen Bauteiledimensionen von wenigen hundert Mikrometern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Aufbau- und Verbindungstechnik bei optischen Bauteilen zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Baugruppe für ein Analysegerät der Prozessautomatisierungstechnik, die Baugruppe zumindest umfassend ein erstes optisches, insbesondere optoelektronisches, Bauelement und ein zweites optisches Bauelement, das Verfahren umfassend die Schritte: Aufbringen zumindest eines ersten optischen Bauelements auf eine Leiterplatte; Einbringen zumindest einer Ausrichtungsstruktur in die Leiterplatte; Aufbringen einer Halterung für das zweite Bauelement auf die Leiterplatte, wobei die Halterung zumindest eine, zur Ausrichtungsstruktur komplementäre, Aufnahme umfasst, sodass die Ausrichtungsstruktur und die Aufnahme fluchten; und Einbringen des zweiten optischen Bauelements in die Halterung, wobei die Halterung eine Öffnung umfasst, sodass das erste und zweite optische Bauelement genau zueinander, insbesondere übereinander, angeordnet sind, wobei die Ausrichtungsstruktur in die Leiterplatte und/oder die Öffnung in die Halterung in Bezug zum ersten optischen Bauelement eingebracht werden.
Somit wird eine individuelle Justage ermöglicht und so automatisiert, dass sie Teil des Herstellungsprozesses der Leiterplatte wird, und keine zusätzlichen Justagevorrichtungen und -arbeitsschritte benötigt.
Als „genau zueinander“ im Sinne dieser Anmeldung ist gemeint, dass das erste und zweite Bauteil zueinander mit einem maximalen Toleranzabstand angeordnet sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass nach dem Schritt „Aufbringen zumindest eines ersten optischen Bauelements auf eine Leiterplatte“ folgender Schritt ausgeführt wird: Bestimmen der individuellen Position eines jeden ersten optischen Bauelements, gegebenenfalls auch die Position einer aktiven Sensorfläche oder Abstrahlfläche, auf der Leiterplatte, insbesondere mittels einer Kamera und industrieller Bildverarbeitung, wobei das Einbringen zumindest einer Ausrichtungsstruktur in die Leiterplatte in Bezug zur individuellen Position des ersten optischen Bauelements durchgeführt wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass nach dem Schritt „Aufbringen zumindest eines ersten optischen Bauelements auf eine Leiterplatte“ folgender Schritt ausgeführt wird: Bestimmen der individuellen Position eines jeden ersten optischen Bauelements auf der Leiterplatte, insbesondere mittels einer Kamera und industrieller Bildverarbeitung, wobei die Öffnung in die Halterung in Bezug zur individuellen Position des ersten optischen Bauelements durchgeführt wird.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Leiterplatte mit zumindest einem ersten optischen Bauelement; zumindest einer Ausrichtungsstruktur, welche in Bezug zum ersten optischen Bauelement angeordnet ist; einer Halterung für ein zweites optisches Bauelement, wobei die Halterung zumindest eine Öffnung für das zweite optische Bauelement und eine Aufnahme für die Ausrichtungsstruktur umfasst, wobei die Aufnahme und die Ausrichtungsstruktur fluchten; und das zweite optische Bauelement, das zumindest abschnittsweise in der Öffnung angebracht ist, wobei das erste und zweite optische Bauelement genau übereinander, insbesondere übereinander, angeordnet sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Ausrichtungsstruktur als Bohrung in der Leiterplatte mit darin eingebrachtem Stift ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Aufnahme als Loch in der Halterung ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Ausrichtungsstruktur als Leiterbahnstrukturen oder gefräster Graben ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Halterung einen Stapel von Leiterplatten umfasst, wobei diese jeweils eine Aufnahme umfassen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass jede einzelne Leiterplatte des Stapels eine individuelle Kennzeichnung umfasst.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest eine Leiterplatte als Starrflex-Leiterkarte Leiterplatte ausgestaltet ist, und sich die Halterung durch Falten der flexiblen Leiterplatte ergibt. Diese besteht aus starren Leiterplattenstücken, die untereinander mit flexiblen Leiterplattenabschnitten verbunden sind. Die flexiblen Abschnitte dienen dann als „Scharnier“ zum Falten.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem ersten optischen Bauelement um eine Lichtquelle, insbesondere eine LED, oder einen Lichtempfänger, insbesondere eine Fotodiode, handelt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem zweiten optischen Bauelement um einen Lichtleiter, eine Linse, Filter oder eine Blende handelt.
Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.

1 zeigt die beanspruchte optische Baugruppe in einer schematischen Übersicht.
2 zeigt ein Leiterplattennutzen für eine optische Baugruppe.
3 zeigt die optische Baugruppe im auseinandergebauten Zustand.
4 zeigt die optische Baugruppe im zusammengebauten Zustand.
5 zeigt die optische Baugruppe im zusammengebauten Zustand mit angeschlossenem Lichtleiter.
6 zeigt die beanspruchte optische Baugruppe in einer schematischen Übersicht in einer Ausgestaltung.

In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die beanspruchte optische Baugruppe in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 oder 6 dargestellt.
Die optische Baugruppe 1, umfasst eine erste, untere Leiterplatte 3, auch Basisleiterplatte genannt. Darauf befindet sich zumindest ein erstes optisches Bauelement 2, etwa eine LED oder eine Fotodiode. Weiter umfasst diese eine Ausrichtungsstruktur 5, welche in Bezug zum optischen Bauelement 2 angeordnet ist. Dieser Bezug ist mit dem Bezugszeichen 6 gekennzeichnet. Mit „Bezug“ ist gemeint, dass die Ausrichtungsstruktur 5 relativ zum ersten optischen Bauelement 2 angeordnet ist.
Weiter umfasst die Baugruppe 1 ein zweites optisches Bauelement 10, etwa einen Lichtleiter, eine Linse, ein Filter oder eine Blende. Das zweite Bauelement 10 soll genau zum ersten Bauelement 2 angeordnet werden. Damit ist gemeint, dass das erste und zweite Bauteil zueinander mit einem maximalen Toleranzabstand angeordnet sind.
Dazu umfasst die Baugruppe eine Halterung 7 für das zweite Bauelement 10. Für diese Halterung 7 gibt es verschiedene Möglichkeiten, siehe unten. Die Halterung 7 umfasst zumindest eine Öffnung 9, in die das zweite Bauelement 10 gesteckt wird, sowie eine Aufnahme 8 für die Ausrichtungsstruktur 5 bzw. für einen Abschnitt der Ausrichtungsstruktur 5. Die Aufnahme 8 und die Ausrichtungsstruktur 5 fluchten dann zumindest abschnittsweise. Das zweite Bauelement 10 und das optische Bauelement 2 sind dadurch genau zueinander, je nach Anordnung auch übereinander, angeordnet.
Die Ausrichtungsstruktur 5 ist als eine Bohrung 12 in der Basisleiterplatte 3 ausgestaltet mit einem in die Bohrung 12 eingebrachter Stift 13. Der Stift 13 ist als zylindrischer Stift ausgestaltet. In einer Ausgestaltung sind aber auch andere, etwa eine rechteckige, Formen möglich.
Der Stift 13 ist entweder als loser Stift ausgestaltet, der in die Öffnungen 12, 8 gesteckt wird. Alternativ ist der Stift als herausstehender Teile eines Spritzgussteils ausgestaltet, etwa als Teil der Leiterplatte 3 oder eine der Leiterplatten 4.
Die Aufnahme 8 der Halterung 7 ist als Loch ausgestaltet. Somit steckt der Stift 13 als Teil der Ausrichtungsstruktur 5 sowohl in der Bohrung 12 als auch im Loch der Aufnahme 8, was eine gegenseitige Orientierung ermöglicht.
Ebenso kann die Ausrichtungsstruktur 5 als Leiterbahnstrukturen oder gefräster Graben ausgestaltet sein.
In 1 ist die Halterung 7 als ein Stapel von mehreren Leiterplatten 4 ausgestaltet, wobei diese jeweils eine Aufnahme 8, also etwa ein Loch, umfassen. Der Stift 13 wird darin eingesteckt.
Jede dieser einzelnen Leiterplatten 4 des Stapels hat eine individuelle Kennzeichnung 11. Dies zeigt 2. Darin ist ein Nutzen gezeigt, der sowohl die Basisleiterkarte 3 als auch die Leiterkarten 4 für die Halterung 7 umfasst.
Zum Herstellen der optischen Baugruppe 1 wird bei der bestückten Leiterplatte 3 (mit Bauelement 2) mittels einer Kamera und industrieller Bildbearbeitung die tatsächliche (individuelle) Position des Bauelements 2, gegebenenfalls auch die Position der aktiven Sensorfläche oder Abstrahlfläche, bestimmt. Darauf ist dann das zweite Bauelement 10 auszurichten.
Relativ (Bezugszeichen 6) zu dieser Position werden in der Umgebung des Bauteils 2 Ausrichtungsstrukturen 5 angebracht, also etwa gebohrte oder gefräste Passbohrungen 12 mit darin gestecktem Stift. Ebenso kann der Stift 13 auch später gesteckt werden, oder Teil der Halterung 7 sein.
Als Alternative oder zusätzlich dazu kann auch die Öffnung 9 der Halterung 7 in Bezug 6 zum ersten Bauteil 2 eingebracht werden, etwa durch Bohren oder Fräsen, wobei die Öffnung 9 auf die individuelle Position eines jeden Bauteils 2 eingebracht wird. Das ist zwar einerseits mehr Aufwand bei der Bearbeitung, kann führt aber zu einer Unabhängigkeit von der Qualität und Präzision des Leiterplattenherstellers.
Grundsätzlich wird also die individuelle Position des ersten optischen Bauteils 2 ermittelt und dann entweder die Ausrichtungsstruktur 5 oder die Öffnung 9 oder beide daran orientiert.
Für die Aufnahme des zweiten Bauelements 10 sind beispielsweise auf dem Nutzen (2) ein oder mehrere Teilbereiche vorhanden (Bezugszeichen 4) mit Strukturen 9 für die Aufnahme des zweiten Bauelements 10 und für die Aufnahme der Ausrichtungsstruktur 5 bzw. des Stiftes 13 der Ausrichtungsstruktur 5. Zur Montage werden diese Teilbereiche des Nutzens ausgelöst und mit der verbleibenden Leiterplatte 3 montiert, z.B. als Stapel.
Einer der Leiterplatten 3, 4 kann als flexible Leiterkarte ausgestaltet sein.
Das zweite Bauelement 10 kann dann in diese Struktur eingebaut werden, z.B. durch Einkleben.
Wie erwähnt sind außer Bohrungen 8, 12 zum Durchstecken des zweiten Bauelements 10 auch Leiterbahnstrukturen oder gefräste Gräben möglich, die das Aufbringen des zweiten Bauelements 10 parallel zur Leiterplattenoberfläche erlauben, vor allem dann, wenn das Bauelement 10 als Lichtleiter ausgestaltet ist. Die Ausrichtungsstrukturen können auch so ausgestaltet sein, dass die zueinander positionierten Leiterplattenstücke nicht parallel sind, sondern in einem Winkel zueinanderstehen.
Für den Fall, dass die Genauigkeit der Bestückung ausreicht, kann die Vermessung mit der Kamera und das anschließende Bohren/Fräsen entfallen und die Ausrichtungsstrukturen können Bestandteil der Leiterplattenfertigung sein.
Um die Reihenfolge und Orientierung der Leiterplattenstücke sicherzustellen können auf den Leiterplattenstücken entsprechende individuelle Markierungen 11 vorgesehen werden.
3 zeigt die optische Baugruppe 1 im auseinandergebauten Zustand mit der Leiterplatte 3, worauf das Bauelement 2 und die Bohrung 12 zu sehen sind. Die Aufnahme 7 besteht aus mehreren Leiterplatten 4, rechts dargestellt. Zu sehen ist die Öffnung 9 für einen Lichtleiter 10, sowie den Stift 13 als Teil der Ausrichtungsstruktur 5.
4 zeigt die optische Baugruppe 1 nun im zusammengebauten Zustand, der Lichtleiter 10 ist rechts zu sehen. Die Aufnahme 7 mit dem Stift 13 wird auf die Bohrung 12 gesteckt.
5 zeigt die optische Baugruppe 1 im zusammengebauten Zustand mit dem eingesteckten, also angeschlossenen Lichtleiter 10.
6 zeigt eine Ausgestaltung. Dabei ist das zweite optische Element 10 als Linse ausgestaltet. Ebenso ist hier die Öffnung 9 gegenüber dem ersten optischen Element 2 eingebracht, was wiederum mit dem Bezugszeichen 6 verdeutlicht ist. Die Ausrichtungsstruktur 5 muss nicht mit den Leiterplatten 3, 4 oben und unten bündig sein, sondern kann in einer Ausgestaltung auch als Stütze verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: optische Baugruppe
2: erstes optisches Bauelement, etwa eine LED
3: Leiterplatte
4: Leiterplatte
5: Ausrichtungsstruktur
6: Ausrichtung
7: Halterung
8: Aufnahme
9: Öffnung
10: zweites optisches Bauelement, etwa ein Lichtleiter
11: individuelle Kennzeichnung
12: Bohrung in 3 für 5
13: Stift

Claims

Verfahren zur Herstellung einer optischen Baugruppe (1) für ein Analysegerät der Prozessautomatisierungstechnik, die Baugruppe (1) zumindest umfassend ein erstes optisches, insbesondere optoelektronisches, Bauelement (2) und ein zweites optisches Bauelement (10), das Verfahren umfassend die Schritte: a) Aufbringen zumindest eines ersten optischen Bauelements (2) auf eine Leiterplatte (3); b) Einbringen zumindest einer Ausrichtungsstruktur (5) in die Leiterplatte (3); c) Aufbringen einer Halterung (7) für das zweite Bauelement (10) auf die Leiterplatte (3), wobei die Halterung (7) zumindest eine, zur Ausrichtungsstruktur (5) komplementäre, Aufnahme (8) umfasst, sodass die Ausrichtungsstruktur (5) und die Aufnahme (8) fluchten; und d) Einbringen des zweiten optischen Bauelements (10) in die Halterung (7), wobei die Halterung (7) eine Öffnung (9) umfasst, sodass das erste und zweite optische Bauelement (2, 10) genau zueinander, insbesondere übereinander, angeordnet sind, wobei die Ausrichtungsstruktur (5) in die Leiterplatte (3) und/oder die Öffnung (9) in die Halterung (7) in Bezug zum ersten optischen Bauelement (2) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach Schritt a) folgender Schritt ausgeführt wird: Bestimmen der individuellen Position eines jeden ersten optischen Bauelements (2), gegebenenfalls auch die Position einer aktiven Sensorfläche oder Abstrahlfläche, auf der Leiterplatte (3), insbesondere mittels einer Kamera und industrieller Bildverarbeitung, wobei das Einbringen zumindest einer Ausrichtungsstruktur (5) in die Leiterplatte (3) in Bezug zur individuellen Position des ersten optischen Bauelements (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei nach Schritt a) folgender Schritt ausgeführt wird: Bestimmen der individuellen Position eines jeden ersten optischen Bauelements (2) auf der Leiterplatte (3), insbesondere mittels einer Kamera und industrieller Bildverarbeitung, wobei das Einbringen der Öffnung (9) in die Halterung (7) in Bezug zur individuellen Position des ersten optischen Bauelements (2) durchgeführt wird.
Optische Baugruppe (1), umfassend - eine Leiterplatte (3) mit zumindest einem ersten optischen Bauelement (2); - zumindest eine Ausrichtungsstruktur (5), welche in Bezug (6) zum ersten optischen Bauelement (2) angeordnet ist; - eine Halterung (7) für ein zweites optisches Bauelement (10), wobei die Halterung (7) zumindest eine Öffnung (9) für das zweite optische Bauelement (10) und eine Aufnahme (8) für die Ausrichtungsstruktur (5) umfasst, wobei die Aufnahme (8) und die Ausrichtungsstruktur (5) fluchten; und - das zweite optische Bauelement (10), das zumindest abschnittsweise in der Öffnung (9) angebracht ist, wobei das erste und zweite optische Bauelement (2, 10) genau zueinander, insbesondere übereinander, angeordnet sind.
Optische Baugruppe (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Ausrichtungsstruktur (5) als Bohrung (12) in der Leiterplatte (3) mit darin eingebrachtem Stift (13) ausgestaltet ist.
Optische Baugruppe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Aufnahme (8) als Loch in der Halterung (7) ausgestaltet ist.
Optische Baugruppe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ausrichtungsstruktur (5) als Leiterbahnstrukturen oder gefräster Graben ausgestaltet ist.
Optische Baugruppe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Halterung (7) einen Stapel von Leiterplatten (4) umfasst, wobei diese jeweils eine Aufnahme (8) umfassen.
Optische Baugruppe (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei jede einzelne Leiterplatte (4) des Stapels eine individuelle Kennzeichnung (11) umfasst.
Optische Baugruppe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eine Leiterplatte (3, 4) als Starrflex-Leiterplatte ausgestaltet ist, und sich die Halterung (7) durch Falten der flexiblen Leiterplatte ergibt.
Optische Baugruppe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem ersten optischen Bauelement (2) um eine Lichtquelle, insbesondere eine LED, oder einen Lichtempfänger, insbesondere eine Fotodiode, handelt.
Optische Baugruppe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem zweiten optischen Bauelement (10) um einen Lichtleiter, eine Linse, ein Filter oder eine Blende handelt.