-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte, die zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich ausgebildet ist, eine Leiterplatte erhältlich durch das Verfahren und ein Feldgerät der Automatisierungstechnik umfassend eine solche Leiterplatte.
-
Die Leiterplatte dient vornehmlich dazu, in einem Feldgerät der Automatisierungstechnik eingesetzt zu werden. 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.
-
Feldgeräte weisen oftmals eine, insbesondere zumindest zweitweise 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 Bauteilen.
-
Derartige Feldgeräte, die auch in explosionsgefährdeten Bereichen betrieben werden sollen (bzw. deren Elektronikeinheit) müssen sehr hohen Sicherheitsanforderungen hinsichtlich des Explosionsschutzes genügen. 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.
-
In der 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 einer 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. Bei der Verwendung einer Verguss-Kapselung elektronischer Bauteile wird im Rahmen der o.g. Norm von der Schutzklasse „Ex-m“ gesprochen. 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.
-
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.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem eine Leiterplatte, die zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich ausgebildet ist, einfacher hergestellt bzw. gefertigt werden kann.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1, die Leiterplatte gemäß Patentanspruch 7 und ein Feldgerät der Automatisierungstechnik gemäß Patentanspruch 8.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte die zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich, die insbesondere gemäß einer Ex-i und/oder einer Ex-d Schutzklasse ausgebildet ist, weist die folgenden Verfahrensschritte auf:
- - Bereitstellen der Leiterplatte;
- - Bereitstellen zumindest eines Vergussrahmens, der in einem oberen Bereich mit einem Schmelzklebstoff befüllt und in einem unteren Bereich unbefüllt ist;
- - Aufbringen von Lotpaste und/oder Kleber zumindest in den Bereichen in denen elektronische Bauteile vorgesehen sind;
- - Aufbringen/Positionieren der elektronischen Bauteilen auf der Leiterplatte, wobei wenigstens zwei elektrisch leitfähige Teile der elektronischen Bauteile in einem Teilbereich auf der Leiterplatte mit einem Mindestabstand zueinander angeordnet werden;
- - Aufbringen/Positionieren des zumindest einen Vergussrahmens auf der Leiterplatte in dem Teilbereich der Leiterplatte in dem die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Teile der elektronischen Bauteil angeordnet sind, wobei der Vergussrahmen mit dem unbefüllten Bereich zuerst über die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Teile der elektronischen Bauteile gestülpt wird;
- - Erwärmen zumindest des Teilbereiches der Leiterplatte zum Aufschmelzen des Schmelzklebers, sodass sich der aufgeschmolzene Schmelzkleber um die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Teile der Bauteile legt;
- - Abkühlen zumindest des Teilbereichs der Leiterplatte, sodass der Schmelzkleber einen ausgehärten Verguss um die wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Teile der Bauteile bildet.
-
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen einen vorgefertigten Vergussrahmen, bei dem im oberen Bereich bereits ein Schmelzklebstoff eingebracht ist, über entsprechende Bauteile zu stülpen und anschließend den Schmelzklebstoff aufzuschmelzen, sodass dieser flüssig wird und im Vergussrahmen nach unten über die Bauteile auf die Leiterplatte fliest. Nach einer Abkühlphase bildet der Schmelzklebstoff einen Verguss um die Bauteile, sodass an dieser Stelle die Bauteile gas- und/oder druckdicht gegenüber den Umgebungsbedingungen abgeriegelt sind. Somit kann auch kein explosionsgefährlicher Zündfunken entstehen.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Mindestabstand so gewählt wird, dass dieser einer Vorgabe für einen Trennabstand durch Vergussmasse gemäß der internationalen Norm IEC60079-11 (veröffentlicht im Juni 2011) oder einer gleichwertigen bzw. darauf basierenden Norm, insbesondere einer der folgenden:
- - DIN EN60079-11 (veröffentlicht Juni 2012),
- - ANSI/UL60079-11 (veröffentlicht März 2014),
- - CAN/CAS C22.2 No. 60079-11 (veröffentlicht Februar 2014) entspricht.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Erwärmen des zumindest einen Teilbereichs zum Aufschmelzen des Schmelzklebers während eines Reflowprozessschrittes, indem auch die elektronischen Bauteile gelötet und/oder geklebt werden, durchgeführt wird. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung entfällt ein zusätzlicher Prozessschritt, da der Vergussrahmen im gleichen Verfahrensschritt wie zum Löten und/oder Kleben der Bauteile erwärmt wird und somit der Schmelzklebstoff flüssig wird.
-
Eine alternative vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Aufbringen/Positionieren des zumindest einen Vergussrahmens und das Erwärmen des zumindest einen Teilbereichs zum Aufschmelzen des Schmelzklebers in einem separaten Verfahrensschritt, der einem Verfahrensschritt zum Löten und/oder Kleben der elektronischen Bauteile, insbesondere einem Reflowprozessschritt nachgestellt ist, durchgeführt wird.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der zumindest eine Vergussrahmen nach dem Aufbringen/Positionieren auf der Leiterplatte und vor dem Erwärmen des zumindest einen Teilbereichs auf der Leiterplatte fixiert wird. Insbesondere kann die Ausführungsform vorsehen, dass zum Fixieren des Vergussrahmens auf der Leiterplatte die Lotpaste und/oder der Kleber auch in dem Teilbereich aufgebracht wird.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Leiterplatte zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich, die insbesondere gemäß einer Ex-i und/oder einer Ex-d Schutzklasse ausgebildet ist, und die durch das Verfahren gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen erhältlich ist.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Feldgerät der Automatisierungstechnik zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich zumindest umfassend eine erfindungsgemäße Leiterplatte.
-
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung einer Leiterplatte mit einem aufgesetzten Vergussrahmen mit integriertem Schmelzklebstoff vor dem Prozessschritt des Erwärmens des Schmelzklebstoffes, und
- 2: eine schematische Darstellung einer gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt Leiterplatte, die zum Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich ausgebildet ist.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Leiterplatte 1 mit einem aufgesetzten Vergussrahmen 2 mit integriertem Schmelzklebstoff 3. Die Leiterplatte 1 ist hierbei vor dem Prozessschritt des Erwärmens des Schmelzklebstoffes 3 dargestellt. Die Leiterplatte 1 umfasst mehrere elektronische Bauteile 4. Um die Leiterplatte 1 in explosionsgefährdeten Bereichen einsetzen zu können, sind die elektronischen Bauteile 4 derartig auf der Leiterplatte angeordnet, dass ein Mindestabstand dmin die Vorgaben für einen Trennabstand durch Vergussmasse gemäß der internationalen Norm IEC60079-11 (veröffentlicht im Juni 2011) erfüllt. Die internationale Norm sowie die darauf basierenden nationalen Normen DIN EN60079-11 (veröffentlicht Juni 2012), ANSI/UL60079-11 (veröffentlicht März 2014) und CAN/CAS C22.2 No. 60079-11 (veröffentlicht Februar 2014) legen die Bestimmung für die Konstruktion und Prüfung eigensicherer Betriebsmittel, die für die Verwendung in explosionsfähigen Atmosphären (explosionsgefährdeter Bereich), fest. Beispielsweise beschreibt die Norm Trennabstände, die zwischen kritischen elektrischen Strukturen eingehalten werden müssen.
-
Die Erfindung knüpft hieran an und verwendet als Vergussmasse erfindungsgemäß ein Schmelzklebstoff 3. Der Schmelzklebstoff 3 wird beispielsweise in einem dem Herstellungsverfahren der Leiterplatte vorangestellten Verfahrensschritt in den Vergussrahmen integriert bzw. eingebracht. Hierbei wird der Schmelzklebstoff 3 in einem oberen Bereich 2a eingebracht, welcher beim späteren Aufsetzen des Vergussrahmens 2 auf die Leiterplatte 1 nicht in Berührung mit den bereits vorhandenen elektronischen Bauteilen 4 auf der Leiterplatte 1 kommt. Beispielsweise kann der obere Bereich 2a ein Volumen von ca. 2/3 eines Gesamtvolumens einnehmen.
-
Die elektronischen Bauteile 4 und/oder der Vergussrahmen 2 samt Schmelzklebstoff 3 können beispielsweise durch einen Fertigungsautomaten auf die Leiterplatte 1 aufgesetzt werden. Hierfür ist zuvor auf der Leiterplatte 1 Lotpaste und/oder Kleber 5 an der entsprechenden Stelle, an der die elektronischen Bauteile 4 vorgesehen sind, aufgebracht worden, sodass die Bauteile 4 später auf diesen angelötet oder geklebt werden können. Zusätzlich kann auch in dem Bereich, in dem der Vergussrahmen 2 vorgesehen ist, Lotpaste und/oder Kleber 5 vorgesehen werden, damit dieser nach dem Positionieren auf der Leiterplatte 1 mechanisch fixiert bzw. festgehalten wird. Ferner können durch das Aufbringen von Lotpaste und/oder Kleber auch Spalte zwischen dem Vergussrahmen und der Leiterplatte verhindert werden, sodass eine Abdichtung des Vergussrahmens 2 auf der Leiterplatte 1 erfolgt. Bei den elektronischen Bauteilen 4 kann es sich beispielsweise um SMD-Bauteile (Abkürzung für: Surface-mounted device) handeln, die in einem SMD-Prozess auf die Leiterplatte 1 gebracht werden. Die Bestückung des Vergussrahmens 1 kann in diesem Fall auch im SMD-Prozess erfolgen.
-
Nach dem Aufbringen bzw. Positionieren wird zumindest der Bereich der Leiterplatte 1 erwärmt, indem der Vergussrahmen 2 angeordnet ist, sodass der Schmelzkleber aufschmilzt. Die Erwärmung der Leiterplatte 1 kann dabei im gleichen Prozessschritt wie der eigentliche Lötschritt zum Anlöten der Bauteile auf der Leiterplatte 1 erfolgen. Insbesondere kann das Aufschmelzen des Schmelzklebstoffes 3 in einem Reflowprozess erfolgen, indem die SMD-Bauteile gelötet werden. Alternativ kann das Aufschmelzen aber auch in einem separaten Verfahrensschritt erfolgen, bspw. durch Einbringen der Leiterplatte 1 in einen Ofen. Während des Erwärmens der Leiterplatte 1 schmilzt der Schmelzklebstoff 3 auf und wird flüssig, sodass dieser im Vergussrahmen 2 nach unten auf die Leiterplatte 1 zwischen die beiden Bauteile 4 und somit auch zwischen die dort befindlichen elektrisch leitfähigen Teile, fliest. Beispiele für die elektrisch leitfähigen Teile sind Leiterbahnen, Anschlusspads und/oder Vias, insbesondere auch Mikrovias.
-
Anschließend wird die Leiterplatte 1 abgekühlt, sodass der Schmelzklebstoff 3 ebenfalls abkühlt und eine feste Vergussmasse zwischen den beiden Bauteilen 4 bildet. Durch die feste Vergussmasse und den Mindestabstand dmin zwischen den Bauteilen 4 werden die Vorgaben für den Trennabstand durch Vergussmasse gemäß der internationalen Norm IEC60079-11 erfüllt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die Bauteile bzw. die elektrisch leitfähigen Teile der Bauteile oder ggfls. auch der Leiterplatte gas- und druckdicht gegenüber den Umgebungsbedingungen abgeriegelt, sodass kein entzündliches Gas an die Bauteile gelangen kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Leiterplatte
- 1a
- Lotpads
- 2
- Vergussrahmen
- 2a
- Oberer Bereich
- 2b
- Gesamtvolumen des Vergussrahmens
- 3
- Schmelzklebstoff
- 4
- Elektronische Bauteile
- 5
- Lotpaste / Kleber
- dmin
- Mindestabstand
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- EN60079-11 [0004]
- DIN EN60079-11 [0011, 0018]
