DE69422415T2

DE69422415T2 - Verfahren zum einbringen einer flüssigkeit in einen hohlraum

Info

Publication number: DE69422415T2
Application number: DE69422415T
Authority: DE
Inventors: Kevin Mcgrane
Original assignee: ANGLIA ELECTRONIC TECH Ltd
Current assignee: Profec Technologies Ltd Ipswich Suffolk Gb
Priority date: 1993-10-29
Filing date: 1994-10-21
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2014-10-22
Also published as: ATE188162T1; HK1004062A1; AU7945594A; GB2283195B; GB2283195A; EP0725719A1; WO1995011790A1; DE69422415D1; GB9322286D0; US5879598A; EP0725719B1; DK0725719T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbetten von Komponenten und weiterhin eine Vorrichtung mit der die Komponenten eingebettet werden können. Obwohl der Begriff 'Einbetten' in dieser Beschreibung verwendet wird, muß auch berücksichtigt werden, daß der Einbettungsprozeß häufig als Füllen, Gießen, Einlagern, Einbetten, Imprägnierung oder Einlegen bekannt ist. Bei einem Einbettungsprozeß wird typischerweise ein relativ hochviskoses flüssiges Harz in einen kleinen Hohlraum eingeführt, und eine besondere Verwendung, für die die Erfindung vorgesehen ist, ist die Einführung von Einbettungsharzen in Gehäuse für elektronische Komponenten.[0001]
Es ist bekannt, Zentrifugalkräfte zu verwenden, um das Füllen von Gußformen mit flüssigen Materialien, zum Beispiel flüssigen Metallen oder Kunststoffen, zu unterstüt zen. Solche Verfahren sind als "Rotations-Gießen" (spin casting) oder "Zentrifugal-Gießen" (centrifugal casting) bekannt.[0002]
Es ist ebenfalls aus der britischen Patentschrift 2 241 465 bekannt, Zentrifugalkräfte zur Unterstützung des Einfüllens von Komponenten mit Einbettungsharzen einzusetzen. Jedoch wird in dieser Druckschrift eine Überfüllungstechnik beschrieben und die obere Oberfläche der Komponenten wird während des Füllens geschlossen. Dies hat den Nachteil, daß es notwendig ist, eine Einspritzdüse von der gefüllten und gehärteten Komponente abzubrechen.[0003]
In den Verfahren des Standes der Technik verbleibt eine bestimmte Menge des Harzes oder einer anderen Flüssigkeit in einem Zufuhrkanal und ist Abfall, der verworfen werden muß.[0004]
Die US 3 751 549 offenbart ein Verfahren zum Imprägnieren elektrischer Komponenten, wobei die Komponenten um die Peripherie eines Rotationsaggregates herum angeordnet sind. Während die Rotationsmaschine dreht wird Harz einem Hohlraum im Zentrum der Rotationsmaschine zugeführt und die Zentrifugalkraft treibt das Harz nach außen in die Komponenten hinein. Aufgrund der Art, in der das Harz eingeführt wird, muß dieses Verfahren notwendigerweise in einer offenen Apparatur stattfinden.[0005]
Die US 4 416 841 offenbart ein Verfahren für das Zentrifugal-Gießen eines thermisch härtbaren Kunststoffes. Ein einziges Harzreservoir ist verbunden mit einer Anzahl verschiedener Formen, die um das Reservoir herum angeordnet sind.[0006]
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Einbetten von Komponenten in einem Gehäuse mit einer Einbettungsflüssigkeit zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt[0007]
a) Anordnen der Komponenten in entsprechenden Gehäusen, wobei jedes Gehäuse Wände hat, welche einen Hohlraum mit einer offenen Oberseite bilden,
b) Vorsehen eines getrennten Spendergefäßes mit einer Spendeöffnung für jedes Gehäuse,
c) Einfüllen der für das Einbetten der Komponenten in dem zugehörigen Gehäuse erforderlichen Menge an Flüssigkeit in das jeweilige Spendergefäß,
d) Einbringen der Gehäuse und der Spendergefäße in eine Zentrifuge, so daß, wenn die Zentrifuge in Betrieb ist, die Öffnung jeden Gehäuses radial außerhalb einer Spendeöffnung des Spendergefäßes liegt, wobei jede von den Gehäusewänden umgebene Hohlraumöffnung keinen Kontakt mit dem Spendergefäß hat,
e) Evakuieren der Zentrifuge, so daß die Luft vor dem Einfüllen der Flüssigkeit aus dem Hohlraum evakuiert wird und
f) in Betrieb nehmen der Zentrifuge derart, daß die gesamte Flüssigkeit durch die Zentrifugalkraft aus der Spendeöffnung heraus, in den Hohlraum hinein und um die Komponenten herum fließt.
[0008] Durch das Beladen des Spendergefäßes mit einer exakten Menge Flüssigkeit, die in den Hohlraum eingeführt werden soll, wird der Vorteil erreicht, daß keine Flüssigkeit verschwendet wird. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Flüssigkeit ein Harz ist, das aushärtet, da die Rückführung des Harzes nicht länger möglich ist, sobald das Aushärten stattfindet. Durch geeignete Ausgestaltung des Spendergefäßes und seiner Öffnung ist es weiterhin möglich, sicherzustellen, daß nach der Durchführung das Spendergefäß keiner Reinigung bedarf, bevor er wieder mit der nächsten Ladung Harz gefüllt wird.
[0009] Bei der Einbettung elektronischer Komponenten durch ein härtbares Harz ist es wichtig, sicherzustellen, daß keine Luft in dem Harz oder dem Hohlraum eingeschlossen wird. Deswegen wird die Flüssigkeit, die in den Hohlraum eingefüllt werden soll, bevorzugt entgast, bevor sie in das Spendergefäß eingefüllt wird.
[0010] Gemäß eines zweiten Aspektes der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Einbettung von Komponenten in eine Einbettungsflüssigkeit zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl Spendergefäße aufweist, von denen jedes eine Spendeöffnung aufweist, wobei die Abmessungen der Spendeöffnungen derart sind, daß die Einbettungsflüssigkeit unter normalen Gravitationsbedingungen nicht durch diese hindurchfließt, aber hindurchfließt, wenn eine Zentrifugalkraft angewandt wird, und eine Vakuumzentrifuge, Mittel zum Halten einer Vielzahl von oben offenen Gehäusen, welche Hohlräume ausbilden, in welchen die Komponenten eingebettet werden, und Mittel zum Anordnen der Spendergefäße in der Vakuumzentrifuge aufweist, so daß, wenn die oben offenen Gehäuse positioniert sind und die Zentrifuge in Betrieb ist, die Hohlräume in den Gehäusen evakuiert werden und die oberen Öffnungen der Gehäuse radial auswärts gerichtet sind und keinen Kontakt mit den Spendeöffnungen der Spendergefäße aufweisen, so daß, wenn die Flüssigkeit nach Anwendung einer Zentrifugalkraft aus den Spendeöffnungen gezogen wird, die Flüssigkeit in die Hohlräume hinein und um die Komponenten herum fließt, um die Komponenten einzubetten.
[0011] Zweckmäßigerweise umfaßt das Spendergefäß eine Schale mit einer offenen Oberseite und einer engen Bohrung im Unterteil, welche die Spendeöffnung bildet. Eine abgemessene Menge flüssigen Harzes kann in die Schale durch die offene Oberseite eingebracht werden, und es wird unter normalen Gravitationsbedingungen durch die Oberflächenspannung oder geeignete Rheologie verhindert, daß diese durch die Öffnung ausfließt.
[0012] In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spendergefäße und die Positionierungsvorrichtungen der Gehäuse gemeinsam in ausschwingbaren Bechern derart gelagert, daß die offenen Oberteile der Spendergefäße so lange oben sind, bis die Zentrifuge in Betrieb geht, so daß keine Gefahr besteht, daß das flüssige Harz aus dem offenen Oberteil der Spenderschalen herausfließt, bevor die Zentrifuge in Betrieb geht. Wenn das Harz jedoch besonders viskos oder thixotrop ist, kann es möglich sein, Spendergefäße zu verwenden, die zu jeder Zeit radial ausgerichtet sind und nicht nur während des Betriebes der Zentrifuge.
[0013] Bevorzugt findet der Schritt des Messens der in das Spendergefäß einzufüllenden Menge der Flüssigkeit unter atmosphärischen Bedingungen und der Zentrifugationsvorgang unter Vakuumbedingungen statt.
[0014] Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die entsprechenden Zeichnungen anhand eines Beispieles weiter beschrieben, wobei
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer einzubettenden elektronischen Komponente darstellt;
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt;
Fig. 3 eine detaillierte perspektivische Ansicht eines Teils der Vorrichtung in Fig. 2 ist;
Fig. 4a, 4b und 4c Schnitte durch die Vorrichtung der Fig. 3 sind, die drei verschiedene Stadien des Betriebes der Vorrichtung zeigen;
Fig. 5a, 5b, 5c, 5d, und 5e fünf aufeinanderfolgende Stadien des Betriebes einer alternativen Form der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen;
Fig. 6a und 6b das Verfahren zur Messung der Menge der in das Spendergefäß eingebrachten Flüssigkeit zeigen;
Fig. 7a, 7b und 7c drei aufeinanderfolgende Stadien beim Betrieb einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen.
[0015] Fig. 1 zeigt eine Zusammenstellung 10, die eine elektrische Komponente 14 in einem oben offenen Gehäuse 12 aufweist, vor der Einbettung. Die Komponente 14 ist ein torusförmiger, gewickelter Magnetkern. Die Wicklungen um den Kern sind mit Komponentenanschlüssen 16 verbunden. Die Zusammenstellung 10, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ist betriebsbereit, aber es ist üblich, den Raum im Gehäuse 12 mit einer Einbettungsflüssigkeit zu füllen, um den Kern 14 einzubetten, um die Komponente zu schützen und alle inneren Zwischenräume mit einem Isolationsmaterial zu füllen.
[0016] Die Erfindung ist in keiner Weise auf die Natur des Inhalts des Gehäuses 12 beschränkt.
[0017] Das Prinzip der Einbettung einer solchen Komponente ist allgemein bekannt. Es ist jedoch häufig schwer, eine ausreichende Einbettung zu erzielen, insbesondere bei sehr kleinen Komponenten. Die Harze, die für die Einbettung verwendet werden (typischerweise gefüllte Epoxidharze, auch wenn der Fachmann von der breiten Vielfalt von Harzen weiß, die für diese Anwendung verwendet werden können), sind viskos und fließen nicht leicht in kleine Hohlräume. Es ist ebenfalls notwendig, sicherzustellen, daß die Anschlüsse 16 frei von Harz bleiben.
[0018] Fig. 2 zeigt eine Zentrifuge 18, die üblicherweise eine Kammer 20 aufweist, in der ein Vakuum gehalten werden kann. Die Zentrifuge hat einen Rotor 22 und an jedem Ende dieses Rotors ist ein Gestell 24 montiert. Wenn der Rotor 22 rotiert, werden die Gestelle 24 einer Zentrifugalkraft unterworfen, so daß die Komponenten, die in dem Gestell montiert sind, mit Harz gefüllt werden können, wie im Folgenden beschrieben wird.
[0019] Fig. 3 zeigt einen dieser Käfige 24 in größerem Maßstab. Der Käfig hat eine innere Platte 26 in der eine Vielzahl von Spendergefäßen 28 ausgeformt sind. Der Käfig hat außerdem eine äußere Platte 30 mit einer Montageschiene, auf der eine Vielzahl von Komponentenzusammenstellungen 10 montiert sind. Die Komponentenzusammenstellungen 10 sind genau in einer radialen Linie des Zentrifugenrotors positioniert, die durch das Zentrum eines jeden der Spendergefäße 28 verläuft.
[0020] Beim Betrieb wird das mit einem Katalysator gemischte Harz 38 in alle Spendergefäße 28 gefüllt (siehe Fig. 4a). Jedes Spendergefäß 28 hat eine Schale 34 und einen engen Hals 36, der die Spendeöffnung bildet. Die Rheologie des Harzes 38 in der Schale 34 ist so eingestellt, daß sie ausreichend ist, um sicherzustellen, daß das Harz nicht aus der Schale heraustropft, wenn die Schale so orientiert ist, wie in Fig. 4 gezeigt.
[0021] Wenn die Zentrifuge arbeitet und der Käfig 24 geschleudert wird, wird das Harz unter der Zentrifugalkraft durch die Öffnung 36 gedrückt und füllt das Gehäuse der Komponentenzusammenstellung 10, wie in Fig. 4b gezeigt. Wenn das gesamte Harz aus der Schale 34 ausgetreten ist, ist das Gehäuse vollständig gefüllt, wie in Fig. 4c gezeigt ist, und die Menge des Harzes, die anfangs in die Schale 34 gefüllt wurde, ist gleich der, die zum Füllen des Gehäuses bis zur gewünschten Höhe benötigt wird.
[0022] Eine Vorrichtung, wie sie beschrieben wurde, ist ausreichend für einen Einsatz, bei dem das Harz eine hohe Viskosität oder Thixotropie hat. Wenn die Rheologie des Harzes jedoch so ist, daß das Harz eine Tendenz zum Auslaufen aus der Schale oder der Komponente aufweist, wenn die Zentrifuge eine ungenügende Geschwindigkeit besitzt, können die Schale und die zugehörige Komponente zusammen in einer "ausschwingbare Becher"-Anordnung montiert werden, wie in den Fig. 5 dargestellt ist. Fig. 5a zeigt zwei Schalen 34a, 34b, die vertikal über zwei Komponentenzusammenstellun gen 10a und 10b plaziert sind. In dieser Position wirkt eine Kraft auf die Masse des Harzes, die gleich der Gravitationskraft ist und diese Kraft reicht nicht aus, ein Ausfließen des Harzes aus der Spendeöffnung 36 zu verursachen.
[0023] Wenn die Rheologie des Harzes und die Gestalt der Schalen und Komponente so sind, daß das Harz in der Komponente durch die Oberflächenspannung zurückgehalten wird, jedoch aus der Schale herausfließen könnte, kann die Schale alternativ mit einer Kappe versehen werden, die das Harz zurückhält, bis Zentrifugalkraft ausgeübt wird.
[0024] Sobald jedoch der Zentrifugenrotor beschleunigt, ändert der Winkel der ausschwingbare Becher zunehmend die Orientierung der Schalen 34a, 34b und der Komponentenzusammenstellungen 10a, 10b in Richtung der in Fig. 5b gezeigten Position. Sobald die Zentrifuge eine Grenzgeschwindigkeit erreicht, wenn typischerweise eine Zentrifugalkraft von 100 g erzeugt wird, fließt das Harz durch die Öffnungen 36 in die Gehäuse, wie in Fig. 5c gezeigt. Sobald das gesamte Harz in die Gehäuse geflossen ist, wie in Fig. 5d dargestellt, wird die Geschwindigkeit des Rotors allmählich auf Null abgesenkt und der Winkel der ausschwingbaren Becher wird in kontrollierter Form zunehmend bis zu der in Fig. 5e dargestellten Halteposition reduziert, um sicherzustellen, daß das Harz nicht beim Langsamerwerden der Zentrifuge aus der Komponente herausläuft.
[0025] Eine wichtige Eigenschaft der Erfindung ist, daß die Menge des Harzes, die in die Schale 34 gefüllt wird, genau die Menge ist, um das Gehäuse 12 bis zu einer gewünschten Höhe zu füllen. Wenn das Abmessen des Harzes in die Schale bei Atmosphärendruck erfolgt, ist eine ausreichende Meßgenauigkeit möglich. Alternativ kann die exakte Menge an Harz auch eingeführt werden, indem jede Schale 34 so dimensioniert wird, daß sie die korrekte Menge an Harz aufnimmt und dann unter Verwendung einer Schabeklinge 40 über das Oberteil jeder Schale gewischt wird, um eine gleichmäßige Füllhöhe zu erzeugen, wie in den Fig. 6a und 6b gezeigt ist.
[0026] In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besitzt die Zentrifuge vier gegeneinander drehbare Ringe. Ein erster Ring 42 trägt die Komponentenzusammenstellung 10. Ein zweiter Ring 44 ist in Kammern 46 vorgegebener Abmessungen geteilt (Fig. 7a), um ein genaues Volumen an Harz aufzunehmen. Der Ring 44 kann relativ zu einem dritten Ring 48 zwischen zwei Positionen bewegt werden, um zum einen von einem zentralen Reservoir 50 aufzunehmen, zum anderen die Kammer zu schließen, so daß kein Harz aufgenommen werden kann.
[0027] Die Vorrichtung schließt auch einen vierten Ring 52 ein, in dem Spendeöffnungen 54 gegenüber dem Ort der Komponentenzusammenstellung 10 ausgebildet sind.
[0028] Während des ersten Betriebsstadiums der Zentrifuge, wie in Fig. 7a dargestellt ist, wird der Ring 44 bewegt, so daß das Harz in die Kammern 46 fließen kann.
[0029] In einem zweiten Stadium, wie in Fig. 7b gezeigt, wird der Ring 44 bewegt, so daß die Kammern 46 geschlossen werden und ein definiertes Volumen an Harz darin eingeschlossen wird.
[0030] In einem dritten Stadium wird der Ring 44 bewegt bis die Kammern 46 mit den Spendeöffnungen 54 zusammenfallen, und in dieser Position führt die Zentrifugalkraft, die durch die Rotation der Zentrifuge entsteht, dazu, daß das Harz in der Art, wie bereit beschrieben wurde, aus den Kammern heraus in die Gehäuse der Komponentenzusammenstellung getrieben wird.
[0031] Die Erfindung erlaubt daher ein genaues und schnelles Füllen elektronischer Komponenten mit einem härtbaren Harz. Wie bereits betont wurde, ist die Erfindung jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt.
[0032] Es ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die Zykluszeit für das Füllen jedes Komponentengehäuses signifikant geringer ist als die, die für das Verfahren nach dem Stand der Technik benötigt wurde.

Claims

1. Verfahren zum Einbetten von Komponenten (14) in einem Gehäuse (12) mit einer Einbettungsflüssigkeit, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

a) Anordnen der Komponenten (14) in entsprechenden Gehäusen (12), wobei jedes Gehäuse Wände hat, welche einen Hohlraum mit einer offenen Oberseite bilden,

b) Vorsehen eines getrennten Spendergefäßes (28, 46) mit einer Spendeöffnung (36, 54) für jedes Gehäuse (12),

c) Einfüllen der für das Einbetten der Komponenten (14) in dem zugehörigen Gehäuse (12) erforderlichen Menge an Flüssigkeit (38) in das jeweilige Spendergefäß (28),

d) Einbringen der Gehäuse (12) und der Spendergefäße (28, 46) in eine Zentrifuge (18), so daß, wenn die Zentrifuge (18) in Betrieb ist, die Öffnung (36) jeden Gehäuses (12) radial außerhalb einer Spendeöffnung des Spendergefäßes liegt, wobei jede von den Gehäusewänden umgebene Hohlraumöffnung keinen Kontakt mit dem Spendergefäß (28, 46) hat,

e) Evakuieren der Zentrifuge (18), daß die Luft vor dem Einfüllen der Flüssigkeit aus dem Hohlraum evakuiert ist und

f) in Betrieb nehmen der Zentrifuge (18) derart, daß die gesamte Flüssigkeit durch die Zentrifugalkraft aus der Spendeöffnung (36, 48) heraus, in den Hohlraum hinein und um die Komponenten herum fließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (38) vor dem Einfüllen in das Spendergefäß (28, 46) entgast wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (38) ein Einbettungsharz ist.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Messens der in das Spendergefäß einzufüllenden Menge der Flüssigkeit unter atmosphärischen Bedingungen und der Zentrifugationsvorgang unter Vakuumbedingungen statt findet.

5. Vorrichtung zur Einbettung von Komponenten in eine Einbettungsflüssigkeit, mit einer Vielzahl Spendergefäße (28, 46), wobei jedes Spendergefäß eine Spendeöffnung (36, 54) aufweist, einer Zentrifuge (18), Mitteln (32, 42) zum Halten einer Vielzahl von oben offenen Gehäusen (12), welche Hohlräume ausbilden, in welchen die Komponenten eingebettet werden, und Mitteln (22, 44) zum Anordnen der Spendergefäße in der Zentrifuge, so daß, wenn die oben offenen Gehäuse positioniert und die Zentrifuge in Betrieb ist, die oberen Öffnungen der Gehäuse radial auswärts gerichtet sind und keinen Kontakt mit den Spendeöffnungen der Spendergefäße aufweisen, so daß, wenn die Flüssigkeit nach Anwendung der Zentrifugalkraft aus den Spendeöffnungen gezogen wird, die Flüssigkeit in die Hohlräume hinein und um die Komponenten herum fließt, um die Komponenten einzubetten,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Zentrifuge (18) eine Vakuumzentrifuge ist, die Spendergefäße und die Haltevorrichtungen für die oben offenen Gehäuse innerhalb der Zentrifuge angeordnet sind und daß die Abmessungen der Spendeöffnungen derart sind, daß die Einbettungsflüssigkeit unter normalen Gravitationsbedingungen nicht hindurch fließt aber hindurchfließt, wenn eine Zentrifugalkraft angewand wird, wobei die Vorrichtung derart aufgebaut ist, daß die Gehäuse evakuiert werden, bevor die Flüssigkeit in die Hohlräume fließt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Spendergefäß (28) eine Schale (34) mit einer offenen Oberseite und einer engen Bohrung (36) im Unterteil, welche die Spendeöffnung bildet, umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spendergefäße (28) und die Positionierungsvorrichtungen für die Gehäuse gemeinsam in ausschwingbaren Bechern gelagert sind, derart, daß die offenen Oberteile der Spendergefäße so lange oben sind, bis die Zentrifuge in Betrieb geht.