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Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät für einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, mit einer Elektronikeinheit umfassend eine Leiterplatte mit einem ersten Teilbereich, in dem zumindest ein Bauelement angeordnet ist, wobei ein den ersten Teilbereich abdeckendes erstes Abdeckelement auf der Oberfläche der Leiterplatte befestigt ist.
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Bei dem elektronischen Gerät handelt es sich zum Beispiel um ein Feldgerät der Automatisierungstechnik. Als Feldgerät werden im Rahmen dieser Anmeldung im Prinzip alle Messgeräte zur Bestimmung und/oder Überwachung von Prozessgrößen bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Dabei handelt es sich beispielsweise um Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit erfassen.
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Feldgeräte weisen oftmals eine, insbesondere zumindest zeitweise und/oder zumindest abschnittsweise mit einem Prozessmedium in Kontakt stehende Sensoreinheit auf, welche der Erzeugung eines von der Prozessgröße abhängigen Signals dient. Ferner weisen diese oftmals eine in einem Transmittergehäuse angeordnete Elektronikeinheit auf, wobei die Elektronikeinheit der Verarbeitung und/oder Weiterleitung von von der Sensoreinheit erzeugten Signalen, insbesondere elektrischen und/oder elektronischen Signalen, dient. Typischerweise umfasst die Elektronikeinheit zumindest eine Leiterplatte mit darauf angeordneten Bauelementen.
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Derartige Feldgeräte, die auch in explosionsgefährdeten Bereichen betrieben werden sollen (bzw. deren Elektronikeinheit) müssen sehr hohen Sicherheitsanforderungen hinsichtlich des Explosionsschutzes genügen.
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Dabei geht es im Besonderen darum, die Bildung von Funken sicher zu vermeiden oder zumindest sicherzustellen, dass ein im Fehlerfall entstandener Funke keine Auswirkungen auf die Umgebung hat. Hierfür sind entsprechende Normen definiert, insbesondere in der europäischen Norm IEC 600079-11 und/oder EN60079-11 mit einer Reihe von dazugehörigen Schutzklassen.
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In der Schutzklasse mit dem Namen „Eigensicherheit“ (Ex-i) wird der Explosionsschutz dadurch erzielt, dass die Werte für eine elektrische Größe (Strom, Spannung, Leistung) zu jeder Zeit jeweils unterhalb eines jeweils vorgegebenen Grenzwertes liegen, damit auch im Fehlerfall kein Zündfunken erzeugt wird. In der weiteren Schutzklasse mit dem Namen „Erhöhte Sicherheit“ (Ex-e) wird der Explosionsschutz dadurch erzielt, dass die räumlichen Abstände zwischen zwei verschiedenen elektrischen Potentialen so groß sind, dass eine Funkenbildung auch im Fehlerfall aufgrund der Distanz nicht auftreten kann. In der weiteren Schutzklasse mit dem Namen „Druckfeste Kapselung“ (Ex-d) müssen Feldgeräte, die gemäß dieser Schutzklasse ausgebildet sind, ein druckfestes Transmittergehäuse mit einer ausreichenden mechanischen Festigkeit bzw. Stabilität aufweisen. In der Schutzklasse „Ex-t“ wird der Explosionsschutz dadurch erzielt, dass mittels eines Gehäuses explosionsfördernde Stäube eine potentielle Zündquelle nicht erreichen. Bei der Verwendung einer Verguss-Kapselung elektronischer Bauelemente wird im Rahmen der o.g. Norm von der Schutzklasse „Exm“ gesprochen.
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Vergleichbare Schutzklassen sind in der amerikanischen Norm FM3610 und/oder der ANSI/UL60079-11 und/oder der kanadischen Norm CAN/CAS C22.2 No. 60079-11 definiert.
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Ein Beispiel aus dem Stand der Technik für die vorstehend erwähnte Vergusskapselung ist in der 10 2016 110 052 A1 offenbart. Die 10 2016 110 052 A1 offenbart ferner einen auf einer Leiterplatte mit einer Heißnietverbindung befestigten Deckel, in welchen eine dem Explosionsschutz dienende Vergussmasse einfüllbar ist.
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Oftmals werden auch Mischlösungen zum Explosionsschutz vorgenommen. Beispielsweise tritt häufig der Fall auf, dass ein Großteil der Bauelemente der Elektronikeinheit des Feldgeräts in ihren elektrischen Größen beschränkbar ist und daher gemäß den Anforderungen der Ex-i Schutzklasse ausgestaltet ist. Nur aufgrund des Vorhandenseins einiger weniger, in einem oder mehreren Teilbereich/en angeordneter Bauelemente ist das Feldgerät nicht gemäß der Ex-i Schutzklasse ausgelegt. In diesem Fall ist die Vergusskapselung nur diesen/m Teilbereich/en eingefüllt. Durch die Vergusskapselung in dem/den Teilbereichen ist das gesamte Feldgerät mit der in dem Teilbereich eingefüllten Vergussmasse eingerichtet für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen. Das Einfüllen der Vergussmasse der aus dem Stand der Technik bekannten Vergusskapselung ist mit einem hohen fertigungstechnischen Aufwand verbunden, insbesondere im Falle einer bereichsweisen Vergusskapselung.
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Ferner ist aus dem Stand der Technik ein auf einer Oberfläche der Leiterplatte befestigtes und ein Bauelement abdeckendes Abdeckelement bekannt, bspw. aus der
DE 10 2010 061 714 A1 oder der Patentschrift
EP 1 624 740 B1 . Die in diesen Schriften offenbarten Abdeckelemente dienen allerdings nicht dem Explosionsschutz, sondern einem völlig anderen Zweck, nämlich dem der elektromagnetischen Abschirmung zur Erfüllung einer vorgegebenen, zu erreichenden elektronischen Störfestigkeit.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach herzustellendes elektronisches Geräts für einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen anzugeben, für den Fall, dass nicht alle der in dem Feldgerät eingesetzten Bauelemente gemäß der Ex-i Schutzklasse ausbildbar sind.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein elektronisches Gerät für einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen und ein Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Geräts für einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen
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Bezüglich des elektronischen Geräts wird die Aufgabe gelöst durch ein elektronisches Gerät, mit einer Elektronikeinheit umfassend eine Leiterplatte mit einem ersten Teilbereich, in dem zumindest ein Bauelement angeordnet ist, wobei ein den ersten Teilbereich abdeckendes erstes Abdeckelement auf der Oberfläche der Leiterplatte befestigt ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels des auf der Oberfläche der Leiterplatte befestigten ersten Abdeckelements ein druckfester erster Schutzraum gebildet ist, und dass das/die in dem ersten Teilbereich angeordnete/n Bauelement/e vollständig im Inneren des ersten Schutzraums angeordnet ist/sind.
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Mittels des druckfesten ersten Schutzraums kann ein im Inneren des ersten Schutzraums gebildeter Funken bei einer Explosion in dem Schutzraum nicht aus dem ersten Schutzraum austreten. Der druckfeste erste Schutzraum erfüllt insb. die in der Ex-d Schutzklasse der vorstehend genannten Normen geforderten Anforderungen.
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Bevorzugt hält zudem ferner der erste Schutzraum zumindest Überdrücken von zumindest 1 bar, bevorzugt Überdrücken von zumindest 5 bar, besonders bevorzugt zumindest 8 bar, stand.
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Vorteilhaft wird im Rahmen der Erfindung der Explosionsschutz durch den ersten druckfesten Schutzraum erreicht, nämlich mittels der Befestigung des ersten Abdeckelements. Der Verfahrensschritt des zusätzlichen Einfüllen von Vergussmasse bei der Verguss-Kapselung zum Zwecke des Explosionsschutzes wie etwa in der oben genannten 10 2016 110 052 A1 entfällt, wobei der darin offenbarte und auf der Leiterplatte befestigte Deckel ohne eingefüllte Vergussmasse noch keinen druckfesten Schutzraum bildet. Insbesondere ist im Rahmen der Erfindung der erste Schutzraum frei von Vergussmasse. Der Explosionsschutz im Rahmen der Erfindung mit fertigungstechnisch sehr einfachen Maßnahmen erreicht, nämlich nur mittels der Befestigung des Abdeckelements.
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Ein auf einen ersten Teilbereich einer Leiterplatte eines Feldgeräts befestigtes Abdeckelement gemäß dem Oberbegriff der Erfindung ist auch zwar in dem oben genannten Stand der Technik offenbart (vgl.
DE 10 2010 061 714 A1 oder
EP 1 624 740 B1 ). Im Gegensatz zum Stand der Technik ist laut der Erfindung nun aber das elektronische Gerät auch für einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen geeignet. Vorteilhaft ist in der Erfindung mittels des Abdeckelements ein druckfester erster Schutzraum gebildet, wobei die in dem ersten Teilbereich angeordnetes Bauelemente vollständig im Inneren des ersten Schutzraums angeordnet sind. Dies ist bei den oben genannten, der elektromagnetischen Störfestigkeit dienenden Abdeckelementen nicht der Fall; beispielsweise ist das Bauelement in der
EP 1 624 740 B1 nicht vollständig durch das Abdeckelement abgedeckt bzw. damit außerhalb des Schutzraumes angeordnet.
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Ferner wird vorteilhaft mittels des ersten Schutzraumes eine Eindringen eines den ersten Schutzraum umgebenden, entzündlichen Staubs verhindert bzw. eine Diffusion eines den ersten Schutzraum umgebenden, entzündlichen Gases in den ersten Schutzraum zumindest reduziert. Dadurch sind die im ersten Schutzraum angeordneten Bauelemente vor einem unkontrollierten Eindringen des entzündlichen Staubs bzw. Gases geschützt.
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In einer Ausgestaltung des elektronischen Geräts ist daher der erste Schutzraum als staubdicht, insb. gemäß den Anforderungen der Ex-t Schutzklasse, ausgebildet.
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In einer Ausgestaltung des elektronischen Geräts handelt es sich bei dem elektronischen Gerät um ein Feldgerät der Automatisierungstechnik mit einer Sensoreinheit und einem die Elektronikeinheit umfassenden Transmittergehäuse, wobei die Elektronikeinheit der Verarbeitung und/oder Weiterleitung von von der Sensoreinheit erzeugten Signalen, insbesondere elektrischen und/oder elektronischen Signalen, dient.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des elektronischen Geräts ist das erste Abdeckelement lötbar und das erste Abdeckelement auf die Oberfläche der Leiterplatte gelötet.
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In einer weiteren Ausgestaltung des elektronischen Geräts weist das erste Abdeckelement zumindest eine Deckfläche auf, die die Deckfläche des ersten Schutzraumes bildet, und wobei die Bodenfläche des ersten Schutzraumes durch die Oberfläche der Leiterplatte in dem ersten Teilbereich gebildet ist.
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Bei einem z.B. halbkugelschalenförmigen ersten Abdeckelement weist dieses nur eine einzige Deckfläche auf. Ggf. weist das erste Abdeckelement zusätzlich zumindest eine Seitenfläche auf, die die Seitenflächen des ersten Schutzraumes bilden.
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Das erste Abdeckelement ist bevorzugt einstückig.
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In einer Weiterbildung des elektronischen Geräts weist die Oberfläche der Leiterplatte einen den ersten Teilbereich begrenzenden ersten Kontaktrahmen auf, wobei die Seitenfläche/n des ersten Abdeckelements auf den ersten Kontaktrahmen aufgelötet ist/sind.
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Der erste Kontaktrahmen ist bspw. Teil des Layouts der Leiterplatte und wird somit im Rahmen der Herstellung der Leiterplatte aufgebracht.
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In einer Ausgestaltung des elektronischen Geräts weist das erste Abdeckelement ein Metall auf.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des elektronischen Geräts sind der erste Kontaktrahmen und das erste Abdeckelement elektrisch leitend, wobei insbesondere der erste Kontaktrahmen und das auf dem ersten Kontaktrahmen gelötete erste Abdeckelement auf einem Bezugspotential der Leiterplatte liegt. Bei dem Bezugspotential handelt es sich beispielsweise um Massepotential.
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Die Kontaktierung der im ersten Schutzraum angeordneten Bauelemente erfolgt für den Fall eines elektrisch leitenden ersten Abdeckelements bspw. mittels im Inneren der Leiterplatte verlaufender Leiterbahnen und/oder mittels Durchkontaktierungen.
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Für den Fall eines elektrisch leitenden ersten Schutzraums ist dieser zusätzlich elektrisch abschirmend. Dies ist ein weiterer Vorteil, z.B. falls es sich bei dem/den im ersten Schutzraum angeordneten Bauelement/en um ein elektrisch abzuschirmende/s Bauelement/e handelt, bspw. für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Somit kann das elektronische Gerät einfacher eine bestimmte Störfestigkeit erfüllen, die bspw. durch Produkt- und/oder Prüfnormen vorgegeben ist.
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In einer Ausgestaltung des elektronischen Geräts weist der erste Kontaktrahmen mehrere Verankerungselemente auf, die sich in einer zu der Oberfläche der Leiterplatte senkrechten Richtung ins Innere der Leiterplatte erstrecken.
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Die Verankerungselemente sind insbesondere als Durchkontaktierungen ausgebildet.
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Bei den Durchkontaktierungen kann es sich bspw. um als Sackloch ausgebildete Durchkontaktierungen, insbesondere sogenannte Microvias, handeln. Diese erstrecken sich bei einer schichtförmig aufgebauten Leiterplatte typischerweise über genau eine Leiterplattenschicht.
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Die Durchkontaktierungen und/oder Microvias sind insbesondere mit Lot aufgefüllt und/oder einem Metall, bspw. Kupfer, aufgefüllt. Insbesondere können die Verankerungselemente auch jeweils mehrere miteinander verbundene Durchkontaktierungen umfassen, welche in einer unterschiedlichen Tiefe angeordnet sind und mittels eines in einer zur Leiterplattenebene parallelen Richtung verlaufenden Verbindungselements verbunden sind.
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In einer Ausgestaltung des elektronischen Geräts handelt es sich bei den in dem ersten Teilbereich angeordneten Bauelementen um wärmeentwickelnde Bauelemente, die sich bei einem (Normal-)betrieb des elektronischen Geräts erwärmen.
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Der erste Schutzraum dient hierbei zusätzlich der Wärmeisolierung zwischen den wärmeentwickelnden Bauelemente und der Umgebung und/oder weiteren Bereichen der Elektronikeinheit, bspw. gegenüber Bauelementen der Leiterplatte, welche außerhalb eines ersten oder weiteren Schutzraumes angeordnet sind. Damit kann mittels des Schutzraums das Einhalten einer vorgegebenen Oberflächentemperatur (bspw. unterhalb 85°C) erreicht werden, obwohl sich das wärmeentwickelnde Bauelement im (Normal-)betrieb innerhalb des Schutzraum auf eine Temperatur oberhalb der vorgegebenen Oberflächentemperatur erwärmt.
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In einer Weiterbildung des elektronischen Geräts umfasst die Leiterpatte zumindest einen weiteren Teilbereich, in dem zumindest ein Bauelement angeordnet ist, wobei auf der Oberfläche der Leiterplatte für jeden weiteren Teilbereich jeweils ein den weiteren Teilbereich abdeckendes weiteres Abdeckelement befestigt ist, wodurch jeweils ein weiterer Schutzraum gebildet ist, und wobei das/die weiteren Abdeckelement/e ansonsten im Wesentlichen identisch zu dem ersten Abdeckelement ausgebildet ist/sind und/oder der/die weiteren Schutzraum/Schutzräume im Wesentlichen identisch zu dem ersten Schutzraum ausgebildet ist/sind.
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Insbesondere bilden alle bisher offenbarten Ausgestaltungen, die im Zusammenhang mit dem ersten Abdeckelement offenbart sind, auch für die weiteren Abdeckelemente Teil der Erfindung. Es gibt also z.B. eine Vielzahl von weiteren Teilbereichen, die jeweils an unterschiedlichen Abschnitten der Leiterplatte angeordnet sind, wobei jeder der Teilbereiche auch einen mit einem jeweiligen Abdeckelement gebildeten jeweiligen Schutzraum aufweist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein ansonsten im Wesentlichen identisch ausgestaltetes elektronisches Gerät ohne das erste Abdeckelement und/oder das/die weitere/n Abdeckelement/e nicht eingerichtet ist für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen. Dies insbesondere, da die in dem ersten bzw. weiteren Teilbereich angeordneten Bauelemente nicht gemäß den Anforderungen der Ex-i Schutzklasse ausgebildet ist.
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Dabei ist das elektronische Gerät eingerichtet für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen. Insbesondere erfüllen alle außerhalb des ersten oder eines weiteren Schutzraumes angeordneten Bauelemente bzw. weitere Komponenten (Leiterbahnen, etc....) die Anforderungen der Ex-i Schutzklasse. Die innerhalb des ersten bzw. weiteren Schutzraumes angeordneten Bauelemente sind durch deren druckfeste Verkapselung für den Explosionsschutz des elektronischen Geräts geschützt, und müssen die Anforderungen nach der Ex-i Schutzklasse nicht unbedingt erfüllen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung erfüllen daher alle außerhalb des ersten oder weiteren Schutzraumes angeordneten Bauelemente die Anforderungen der Ex-i Schutzklasse, wobei der druckfeste erste Schutzraum oder der druckfeste erste Schutzraum und der/die weitere/n Schutzräume die in der Exd Schutzklasse geforderten Anforderungen an die Druckfestigkeit erfüllen.
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Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Geräts für einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, insbesondere ein erfindungsgemäßes elektronisches Gerät, mit einer Elektronikeinheit umfassend eine Leiterplatte mit einem ersten Teilbereich, in dem zumindest ein Bauelement angeordnet ist, wobei ein erstes Abdeckelement auf der Oberfläche der Leiterplatte befestigt wird, umfassend die Schritte:
- - Löten zumindest des ersten Abdeckelements auf die Oberfläche der Leiterplatte, insb. den ersten Kontaktrahmen, wobei mittels des auf der Oberfläche der Leiterplatte gelöteten ersten Abdeckelements ein druckfester erster Schutzraum gebildet wird,
und wobei das/die in dem ersten Teilbereich angeordnete/n Bauelement/e vollständig im Inneren des ersten Schutzraums angeordnet ist/sind.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist das Auflöten des ersten Abdeckelements oder des ersten Abdeckelements und weiterer Abdeckelemente in einen gemeinsamen Reflow-Lötprozess zum Auflöten von SMD-Bauelementen einbindbar ist, umfassend die Schritte:
- - Aufbringen von Lotpaste, insb. auf zum Auflöten der SMD-Bauelemente vorgesehene Kontaktflächen und den ersten Kontaktrahmen oder den ersten Kontaktrahmen und die weiteren Kontaktrahmen;
- - Bestücken der SMD-Bauelemente und des ersten Abdeckelements oder des ersten und weiterer Abdeckelemente;
- - Reflow-Löten, bei dem alle SMD-Bauelemente und das erste Abdeckelement oder das erste und weitere Abdeckelemente gemeinsam auf die Oberfläche der Leiterplatte aufgelötet werden.
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Das Einbinden des Auflötens des ersten Abdeckelements oder der weiteren Abdeckelemente in den SMD-Massenlötprozess verursacht praktisch keine zusätzlichen Herstellungsschritte bzw. -kosten. Damit ermöglicht die Erfindung eine fertigungstechnisch sehr einfache Herstellung eines Feldgerät, das für einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ausgestaltet ist. Dies insbesondere, wenn die durch das (erste/weitere) Abdeckelement abzudecken Bauelemente jeweils in einem klar lokal abgrenzbaren (ersten/weiteren) Teilbereich angeordnet sind.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens handelt es sich bei den/dem in dem ersten Teilbereich angeordneten Bauelemente/n um ein SMD-Bauelement/e, so dass das erste Abdeckelement in dem gleichen Reflow-Lötprozess wie das/die in dem ersten Teilbereich angeordneten SMD-Bauelemente/n aufgelötet wird.
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In einer dazu alternativen Weiterbildung des Verfahrens umfasst dieses die Schritte:
- - Auflöten der/des in dem ersten Teilbereich angeordneten Bauelemente/s, insb. in einem Reflow-Lötprozess;
- - Auflöten des ersten Abdeckelements in einem zweiten Lötprozess, wobei es sich bei dem zweiten Lötprozess um einen Reflow-Lötprozess oder um ein Selektiv-Lötprozess handelt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen. Wenn es die Übersichtlichkeit erfordert oder es anderweitig sinnvoll erscheint, wird auf bereits erwähnte Bezugszeichen in nachfolgenden Figuren verzichtet.
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Es zeigen:
- 1a bis 1c: Schnittansichten verschiedener Ausgestaltungen einer Leiterplatte einer Elektronikeinheit eines erfindungsgemäßen elektronischen Geräts;
- 2: Eine Draufsicht auf eine Leiterplatte einer Elektronikeinheit in einer Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen elektronischen Geräts;
- 3: Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Geräts als Feldgerät der Automatisierungstechnik.
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1a bis 1c zeigen Ausgestaltungen einer Leiterplatte 2 einer Elektronikeinheit 1 eines erfindungsgemäßen elektronischen Geräts, wobei jeweils nur ein Ausschnitt der Leiterplatte 2 dargestellt ist. Auf einer Oberfläche OF der Leiterplatte 2 ist in einem ersten Teilbereich 3 ein Bauelement 4 befestigt, welches durch ein Abdeckelement 5 abgedeckt ist, wodurch ein druckfester erster Schutzraum 6 für das Bauelement 4 gebildet ist. Mittels des druckfesten ersten Schutzraum 6 ist sichergestellt, dass das elektronische Gerät für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereich eingerichtet ist.
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An die spezielle Form des ersten Abdeckelements 4 herrschen keine Einschränkungen, es kann z.B. halbkugelförmig wie in 1a dargestellt oder quaderförmig oder zylinderförmig wie in 1b, 1c dargestellt sein.
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Das Abdeckelement 4 weist dabei zumindest eine Deckfläche DF auf. Die Bodenfläche des ersten Schutzraumes 6 wird durch die Oberfläche OF der Leiterplatte 2 in dem ersten Teilbereich 3 gebildet.
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Ferner ist der erste Schutzraum 6 auch als staubdicht, insb. gemäß den Anforderungen der Ex-t Norm ausgebildet, und es ist mittels des ersten Schutzraums 6 die Diffusion eines Gases in den Schutzraum 6 zumindest reduziert. Eine verbesserte Abdichtung gegenüber Gasen kann bspw. dadurch erreicht werden, dass eine Leiterplatte 2 aus einer Keramik verwendet wird. Hierdurch wird eine Diffusion eines Gases über den Boden des ersten Schutzraums 6 in den ersten Schutzraum 6 weitestgehend verhindert.
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Bevorzugt ist das erste Abdeckelement 5 als ein SMD-Bauelement auf die Oberfläche OF der Leiterplatte 2 gelötet, nämlich in einem Reflow-Massenlötprozess mit weiteren hier nicht dargestellten Bauelementen 15;41-49 und/oder dem durch das erste Abdeckelement 5 und der Oberfläche 1 der Leiterplatte 2 in einem ersten Teilbereich 3 der Leiterplatte 2 gebildeten ersten Schutzraum 6. Dadurch erfordert das Befestigen des ersten Abdeckelements 5 im Wesentlichen keine zusätzliche Verfahrensschritte.
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In 1b ist weist das erste Abdeckelement 5 eine Deckfläche DF und zumindest eine Seitenfläche SF auf, mit der es auf einen Kontaktrahmen 8 gelötet ist. Der Kontaktrahmen 8 ist wiederum mittels sich in die Tiefe RS der Leiterplatte 2 erstreckender Verankerungselementen 9 befestigt. Bei den Verankerungselementen 9 handelt es sich um mit Lot und/oder einem Metall (bspw. Kupfer) aufgefüllte Sackloch-Durchkontaktierungen, welche mit einer zu der Oberfläche OF der Leiterplatte parallelen Schicht verbunden sind. Dadurch ist ein einer besonders hohen Abrisskraft standhaltendes erstes Abdeckelement 5 gegeben. Das Auffüllen mit Lot geschieht dabei bevorzugt beim Prozessschritt des Auflöten des Abdeckelements. Die mit Metall aufgefüllten Microvias können im Rahmen der Herstellung der Leiterplatte aufgefüllt werden.
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Das Abdeckelement kann einen zum Löten auf den Kontaktrahmen 8 vorgesehen gebogenen Rand mit einem geformten Profil (bspw. flach oder gebogen, insb. U- oder V-förmig,...) aufweisen. Durch die spezielle Form des Rands kann die Abrisskraft weiter erhöht werden.
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Dabei können die Verankerungselemente 9 auch jeweils mehrere miteinander verbundene Durchkontaktierungen (so genannte Microvias) umfassen, welche in einer unterschiedlichen Tiefe angeordnet sind und mittels eines in einer zur Leiterplattenebene parallelen Richtung verlaufenden Verbindungselements verbunden sind. Das Verbindungselement kann auch z.B. ein Abschnitt einer Schicht einer schichtförmig aufgebauten Leiterplatte 2 sein. Dies ist in 1c gezeigt.
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Zusätzlich kann das erste Abdeckelement 5 noch einer thermischen Isolierung und/oder der elektromagnetischen Abschirmung des Bauelements 4 dienen.
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Für den Fall eines elektrisch leitenden Abdeckelements 5 und eines elektrisch leitenden Kontaktrahmens 8, die miteinander durch eine Lotverbindung stoffschlüssig verbundenen sind, liegen diese auf demselben elektrischen Bezugspotential. Bevorzugt handelt es sich dabei um das Massepotential der Leiterplatte 2.
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In diesem Fall erfolgt eine Kontaktierung des im Inneren des ersten Schutzraumes 6 angeordneten Bauelements 4 bspw. mittels eines Leiterbahnenanschlusses 10, der zumindest teilweise im Inneren der Leiterplatte verläuft, siehe 1b.
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Ein andere Möglichkeit besteht darin, das Bauelement 4 mittels durchgängiger Durchkontaktierungen 11 d.h. in der THT Technologie zu kontaktieren, unabhängig davon, ob es sich bei dem Bauelement 4 um ein SMD- oder THT Bauelement handelt. Dieser Fall ist in 1c dargestellt, wobei hier bevorzugt die Durchkontaktierungen 11 vollständig mit Lot aufgefüllt sind.
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Eine Draufsicht auf die Oberfläche OF eine Leiterplatte 2 einer Elektronikeinheit in einer Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen elektronischen Geräts ist in 2 dargestellt, wobei das Leiterbahnenbild der Übersichtlichkeit halber nicht explizit dargestellt ist.
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Die Leiterplatte 2 weist in dieser Ausgestaltung verschiedene Bereiche auf, nämlich den ersten Teilbereich 3 mit einem Bauelement 4, für den das erste Abdeckelement 4 (hier nicht explizit dargestellt) vorgesehen ist, sowie zwei weitere Teilbereiche 3a,3b, für die jeweils ein weiteres Abdeckelement 5a,5b (nicht dargestellt) vorgesehen ist. Die Teilbereiche 3,3a,3b sind dabei jeweils durch einen an den jeweiligen Teilbereiche 3,3a,3b bzw. das dafür vorgesehene Abdeckelement angepassten Lotrahmen 8,8a,9 begrenzt. Die Lotrahmen 8,8a,8b sind dabei jeweils zum Erreichen einer hohen Druckfestigkeit mit einer Vielzahl von Verankerungselementen, die sich in die Tiefe der Leiterplatte 2 in der zur Oberfläche OF senkrechten Richtung RS erstrecken.
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Alle im Zusammenhang mit dem ersten Abdeckelement 5 erläuterten Merkmale der in 1a bis b dargestellten Ausgestaltungen sind auch im Zusammenhang mit den weiteren Abdeckelementen 5a,5b Teil der Erfindung.
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Durch das erste und die weiteren Abdeckelemente 5,5a,5b liegen in dem ersten und den weitern Teilbereichen 3,3a,3b jeweils die druckfest gekapselten ersten und weiteren Schutzräume für die Bauelemente 4,41,... 49 vor.
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Dabei ist es möglich, dass mit einem jeweiligen Abdeckelement 5a,5b auch eine Vielzahl von mehreren Bauelemente abgedeckt sind, wie bspw. im ersten weiteren Teilbereich 3a die Bauelemente 4,41,42, bzw. im zweiten weiteren Teilbereich 3b die Bauelemente 4,41,...49.
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Der erste Teilbereich 3 oder der erste Teilbereich 3 und die weiteren Teilbereiche 3a,3b (d.h. der jeweils durch das erste Abdeckelement 5 oder die weiteren Abdeckelement 5a,5b abgedeckte Bereich der Oberfläche OF der Leiterplatte 2) weisen typischerweise jeweils eine Fläche in einem Bereich zwischen 0,1 cm^2 bis 30 cm^2, insbesondere 0,3 cm^2 bis 10 cm^2 auf. Untersuchungen der Anmelderin zeigen, dass das erfindungsgemäße Abdeckelement 5,5a,5b einer Abrisskraft von bis zu 160 N, standhält, dies entspricht Überdrücken von bis zu 10bar.
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Zudem gibt es auch nicht-abgedeckte Bauelemente 15, welche außerhalb der druckfest gekapselten Teilbereiche 3,3a,3b angeordnet sind. Hierbei handelt es sich um für den Explosionsschutz unkritische Bauelemente 15 bzw. solche, die die Anforderungen der Ex-i Schutzklasse erfüllen.
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3 zeigt ein Feldgerät der Automatisierungstechnik, das zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Prozessmediums ausgestaltet ist. In diesem Fall handelt es sich um nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät, bei dem zur Ermittlung des Füllstands eine sogenannte Echokurve aufgenommen und ausgewertet wird. Laufzeit-Füllstandsmessgeräte werden von der Anmelderin in unterschiedlichen Ausgestaltungen hergestellt und vertrieben, bspw. Radar-Füllstandsmessgeräte, und sind im Stand der Technik in einer Vielzahl von Veröffentlichung beschrieben, darunter etwa in der
DE 10 2014 119 589 A1 . Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf ein derartiges Feldgerät beschränkt.
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Das Feldgerät umfasst eine Sensoreinheit 7, die bei der Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße des Prozessmediums prozessnah angeordnet ist. Die Sensoreinheit 7 ist zur Erzeugung eines von der Prozessgröße abhängigen Signals ausgestaltet, welches anschließend von der in einem Transmittergehäuse 12 angeordneten Elektronikeinheit 1 weiterverarbeitet bzw. -geleitet wird, bspw. indem es ein die Prozessgröße repräsentierendes elektrisches und/oder elektronisches Messsignal erzeugt.
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In dieser Ausgestaltung weist das Feldgerät eine weitere, als Anzeige-/Eingabeeinheit 13 ausgestaltete Elektronikeinheit 1 auf, mit einem darauf montierten (Touch-)Display 14.
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Das Feldgerät ist eingerichtet für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, bspw. wenn der Füllstand in einer Gas oder Staub enthaltenden Umgebung gemessen werden soll. Der Explosionsschutz wird dabei erzielt durch eine Reihe von Maßnahmen, wobei hier erfindungsgemäß für die Leiterplatte 2 der Elektronikeinheit 1 des Transmittergehäuses sowie für die Leiterplatte 2 der Anzeige-/Eingabeeinheit 13 zumindest ein Bauelement 4 durch ein dafür vorgesehenes Abdeckelement 5 derart abgedeckt ist, dass der druckfeste erste Schutzraum 6 für das Bauelement 4 gebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektronikeinheit
- 2
- Leiterplatte
- 3, 3a, 3b
- erster Teilbereich, weitere Teilbereiche
- 4,41,...,49
- Bauelemente
- 5,5a,5b,..
- erstes Abdeckelement, weitere Abdeckelemente
- 6
- erster Schutzraum
- 7
- Sensoreinheit
- 8,8a;8b,...
- erster Kontaktrahmen, weitere Kontaktrahmen
- 9
- Verankerungselemente
- 10
- Leiterbahnanschluss
- 11
- Durchkontaktierungen
- 12
- Transm ittergehäuse
- 13
- Anzeige-/Eingabeeinheit
- 14
- Display
- 15
- nicht-abgedeckte Bauelemente
- OF
- Oberfläche
- DF
- Deckfläche
- SF
- Seitenfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010061714 A1 [0010, 0017]
- EP 1624740 B1 [0010, 0017]
- DE 102014119589 A1 [0068]
