EP3695692A1 - Verfahren zur mechanischen kontaktierung eines vergussrahmens auf einer leiterplatte - Google Patents

Verfahren zur mechanischen kontaktierung eines vergussrahmens auf einer leiterplatte

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EP3695692A1
EP3695692A1 EP18772773.0A EP18772773A EP3695692A1 EP 3695692 A1 EP3695692 A1 EP 3695692A1 EP 18772773 A EP18772773 A EP 18772773A EP 3695692 A1 EP3695692 A1 EP 3695692A1
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EP
European Patent Office
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circuit board
contact surface
soldering
base
mechanical component
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18772773.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Strütt
Simon Gerwig
Max Bauer
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Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a method for the mechanical contacting of a mechanical component, in particular a Vergussrahmens on a printed circuit board of an electronic module, and a field device with a corresponding assembly.
  • field devices are often used for detecting or influencing
  • Process variables are used. To capture process variables
  • field devices which are used close to the process and supply or process the process-relevant information. Therefore, in the context of the invention, field devices additionally also mean remote I / Os, radio adapters or generally electronic components, which are arranged on the field level. A large number of these field devices are manufactured and sold by Endress + Hauser. Specifically, the electronic assemblies in field devices must be encapsulated due to their particular operating conditions. On the one hand, this serves to protect the electronic assemblies from process-specific
  • explosion protection class "m” in the context of the EN 60079-18 standard; in the case of explosion-proof encapsulation according to explosion protection type "d", the standard EN 60079-1 applies.
  • the electronic assembly so the circuit board together with the electrical components arranged there, completely encapsulate as such.
  • the circuit board Depending on the one-sided or two-sided placement of the printed circuit board, at least the corresponding side of the printed circuit board is provided over its entire area with, for example, a plastic-based potting frame (for example by gluing the potting frame).
  • a plastic-based potting frame for example by gluing the potting frame.
  • the resulting interior is potted between the lid and the printed circuit board.
  • an elastomer for example Silgel ® is used.
  • the invention is therefore based on the object to provide a secure enclosure for electronic assemblies, which can be mounted efficiently.
  • the invention solves this problem by a method for the mechanical contacting of a mechanical component on a circuit board of an electronic module.
  • the term "mechanical component” refers in the context of the invention generally to any component that has no electrical function.
  • the component has according to the invention at least one metallic contact surface.
  • the printed circuit board comprises a base surface which is structured in a metal manner corresponding to the contact surface.
  • the method comprises the following method steps:
  • Soldering method for soldering the contact surface to the base an automated soldering method, such as a reflow soldering be used. If the mechanical component is designed to serve as Vergussrahmen for potting placed within the base electrical components, comes as an additional process step, the subsequent encapsulation of the electrical components within the
  • the inventive method offers the advantage that a material-saving encapsulation for electronic assemblies in
  • the potting based on the method according to the invention can be designed so that the potted electrical components explosion-proof on the liter plate, for example according to the
  • Interconnected Device in particular by means of the method of direct laser structuring, whereby it is possible by means of MID to design the shape of the potting frame very individually, for example square with rounded edges, especially on the basis of laser direct - Structuring it is also possible to manufacture a Vergussrahmen with an uneven contact surface, if the circuit board or the
  • Base surface is correspondingly curved or curved (also known under the term “three-dimensional circuit carrier”) .
  • the invention will be explained with reference to the following figures.
  • FIG. 1 shows an electronic assembly with a Vergussrahmen soldered according to the invention
  • Fig. 2 shows a detailed view of a possible embodiment of the invention
  • an electronic module 2 is shown schematically in Fig. 1. It is based on a printed circuit board 20, which is equipped in the embodiment shown, at least on its upper side with electrical components 3.
  • the critical components 3 are encapsulated in terms of explosion protection.
  • the Vergussrahmen 1 is mounted according to the invention by soldering on the circuit board 1.
  • the potting frame 1 has a solderable, metallic contact surface 11 for solder bonding, which corresponds to a corresponding base surface 21 of the printed circuit board 20.
  • the contact surface 11 in accordance with the shape of the Vergussrahmens 1 in the embodiment shown a square shape with rounded edges.
  • soldering the Vergussrahmen 1 must not necessarily completely made of a metallic
  • Vergussrahmen 1 is made of a plastic, offers the integrated manufacturing of Vergussrahmens 1 together with metallic contact surface 11 preferably the method of
  • Injection-molded circuit carriers especially known by the term "MID, Molded Interconnected Device"
  • MID Molded Interconnected Device
  • a particularly suitable variant for this is the method of laser direct structuring.
  • the intended for placement of the Vergussrahmens 1 base 21 on the circuit board 20 is also designed metallic for solderability.
  • the base 21 must be realized, for example, in the form of a conductor track structure with a corresponding shape to the base 21 of the Vergussrahmens 1.
  • the base 21 apart from the per se required steps to create the conductor tracks on the circuit board 20, no additional
  • the printed circuit board 20 is planar in the area of the base 21. It would be particularly under
  • the type of Vergusskapselung shown in Fig. 1 thus offers the overall advantage that the mechanical contacting of the Vergussrahmens 1 can be carried out in a process step together with the soldering of the electrical components 3 on the circuit board 1 1. Especially when using a soldering process such as reflow soldering, in which the electrical components 3 are soldered at the same time, this results in comparison to any additional soldering process such as reflow soldering, in which the electrical components 3 are soldered at the same time, this results in comparison to any additional
  • electrical components 3 are cast within the Vergussrahmens 1, preferably by means of an elastomer.

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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Structures For Mounting Electric Components On Printed Circuit Boards (AREA)
  • Non-Metallic Protective Coatings For Printed Circuits (AREA)
  • Casings For Electric Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Kontaktierung insbesondere eines Vergussrahmens (1) auf einer Leiterplatte (20) einer elektronischen Baugruppe (2). Hierzu weist der Vergussrahmen (1) zumindest eine metallische Kontaktfläche (11) auf; Die Leiterplatte (20) weist eine Grundfläche (21) auf, die korrespondierend zur Kontaktfläche (11) metallisch strukturiert ist. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte: Positionieren der mechanischen Komponente (1) mit Orientierung der Kontaktfläche (11) zu der korrespondierenden Grundfläche (21) hin, und Verlöten der mechanischen Komponente (1) mit der Leiterplatte (20) über die Kontaktfläche (11) und die Grundfläche (21). Damit bietet das erfindungsgemäße Verfahren zum einen den Vorteil, dass eine materialsparende Kapselung für elektronische Baugruppen (2) in explosionsgefährdeten Bereichen bereitgestellt werden kann. Gleichzeitig kann auf einen zusätzlichen Prozessschritt zur mechanischen Kontaktierung der Kapselung auf der Leiterplatte (20) verzichtet werden, da das mechanische Kontaktieren des Vergussrahmens (1) in einem Prozessschritt zusammen mit dem Verlöten der weiteren elektrischen Bauteile (3) auf der Leiterplatte (20) durchgeführt werden kann.

Description

VERFAHREN ZUR MECHANISCHEN KONTAKTIERUNG EINES VERGUSSRAHMENS
AUF EINER LEITERPLATTE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Kontaktierung einer mechanischen Komponente, insbesondere eines Vergussrahmens auf einer Leiterplatte einer elektronischen Baugruppe, sowie ein Feldgerät mit einer entsprechenden Baugruppe.
In der Prozessautomatisie-rungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung oder auch zur Beeinflussung von
Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden
Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten,
Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH- Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Allgemein werden auch all diejenigen Geräte als Feldgeräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevanten Informationen liefern oder verarbeiten. Daher werden im Zusammenhang mit der Erfindung unter Feldgeräten zusätzlich auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben. Speziell die elektronischen Baugruppen in Feldgeräten müssen aufgrund ihrer besonderen Einsatzbedingungen gekapselt werden. Dies dient einerseits dem Schutz der elektronischen Baugruppen vor Prozess-spezifischen
Umwelteinflüssen wie Staub, Temperatur oder korrosiver Atmosphäre.
Andererseits ist die Kapselung zwingend erforderlich, da das Feldgerät (und somit auch dessen elektronische Baugruppen) in explosionsgefährdeten Bereichen entsprechende Explosionsschutz- Vorschriften einhalten muss.
Wirksame Explosionsschutz-Maßnahmen sind in einschlägigen Normen definiert. Entsprechende Vorschriften werden in Europa beispielsweise durch die Normenreihe EN 60079 festgelegt. Aus dieser geht hervor, dass zur explosionssicheren Kapselung von elektronischen Bauteilen unter anderem Druckkapselung und Vergusskapselung eingesetzt werden. Bei der
Verwendung eines Vergusses wird im Rahmen der Norm EN 60079-18 von der Explosionsschutzart„m" gesprochen, bei druckfester Kapselung gemäß Explosionsschutzart„d" gilt die Norm EN 60079-1.
Im Fall von Vergusskapselung ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die elektronische Baugruppe, also die Leiterplatte mitsamt den dort angeordneten elektrischen Bauteilen, als solche vollständig zu kapseln. Dabei wird, je nach einseitiger oder zweiseitiger Bestückung der Leiterplatte, zumindest die entsprechende Seite der Leiterplatte vollflächig mit einem beispielsweise kunststoffbasierten Vergussrahmens versehen (zum Beispiel durch Ankleben des Vergussrahmens). Im Zuge dessen wird der resultierende Innenraum zwischen dem Deckel und der Leiterplatte im Anschluss vergossen. Hierzu wird vorzugsweise ein Elastomer, beispielsweise Silgel ® verwendet.
Hinsichtlich ihrer Auslegung und ihrer Schutzwirkung ist diese Art der
Kapselung aufgrund ihrer vollflächigen Anbringung sehr solide. Nachteilhaft ist jedoch, dass zum Positionieren bzw. Fixieren des Vergussrahmens an der Leiterplatte neben der Bestückung und der elektrischen Kontaktierung der elektrischen Bauteile mindestens ein zusätzlicher Prozessschritt erforderlich ist. Zudem ist der Materialverbrauch bei dieser Art der Kapselung
vergleichsweise hoch. Denn obwohl in der Regel lediglich die Vorgabe besteht, die energie- bzw. leistungsintensiven elektrischen Bauteile, wie Kondensatoren mit hoher Kapazität oder leistungsstarke IC's, zu kapseln, muss die Leiterplatte bei dieser Art der Kapselung zumindest einseitig vollständig vergossen werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine sichere Kapselung für elektronische Baugruppen bereitzustellen, die effizient angebracht werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur mechanischen Kontaktierung einer mechanischen Komponente auf einer Leiterplatte einer elektronischen Baugruppe. Der Begriff„Mechanische Komponente" bezieht sich dabei im Rahmen der Erfindung allgemein auf jegliches Bauteil, das keine elektrische Funktion hat. Dabei weist die Komponente erfindungsgemäß zumindest eine metallische Kontaktfläche auf. Die Leiterplatte umfasst eine Grundfläche, die korrespondierend zur Kontaktfläche metallisch strukturiert ist. Zur Kontaktierung umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:
Positionieren der mechanischen Komponente mit Orientierung der Kontaktfläche zu der korrespondierenden Grundfläche hin, und
Verlöten der mechanischen Komponente mit der Leiterplatte über die Kontaktfläche und die Grundfläche.
Der grundsätzliche Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass es analog zur elektrischen Kontaktierung automatisiert werden kann. So kann als
Lötverfahren zum Verlöten der Kontaktfläche an der Grundfläche ein automatisiertes Lötverfahren, wie beispielsweise ein Reflow-Lötverfahren eingesetzt werden. Sofern die mechanische Komponente ausgelegt ist, um als Vergussrahmen zum Verguss von innerhalb der Grundfläche platzierten elektrischen Bauteilen zu dienen, kommt als zusätzlicher Verfahrensschritt das anschließende Vergießen der elektrischen Bauteile innerhalb des
Vergussrahmens hinzu.
Damit bietet das erfindungsgemäße Verfahren zum einen den Vorteil, dass eine materialsparende Kapselung für elektronische Baugruppen in
explosionsgefährdeten Bereichen bereitgestellt werden kann. Gleichzeitig kann auf einen zusätzlichen Prozessschritt zur mechanischen Kontaktierung der Kapselung auf der Leiterplatte verzichtet werden, da das mechanische Kontaktieren des Vergussrahmens in einem Prozessschritt zusammen mit dem Verlöten der elektrischen Bauteile auf der Leiterplatte durchgeführt werden kann. Dadurch, dass der Verguss auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens so ausgelegt werden kann, dass die vergossenen elektrischen Bauteile auf der Literplatte explosionssicher, zum Beispiel gemäß der
Normenreihe EN 60079, gekapselt sind, bietet sich insbesondere die
Implementierung der elektronische Baugruppe in einem Feldgerät an. Um das Positionieren der mechanischen Komponente bzw. des
Vergussrahmens vor dem eigentlichen Löten automatisieren zu können, ist es von zusätzlichem Vorteil, wenn die Kontaktfläche des Versgussrahmens und die Grundfläche der Leiterplatte, insbesondere mittels einer Zapfen- oder Nut- Anordnung, derart korrespondierend zueinander ausgelegt sind, um die
Position des Vergussrahmens vor dem Löten auf der Leiterplatte zu fixieren. Damit ist es bei der Fertigung beispielsweise möglich, die Leiterplatte mittels eines automatisierten„Pick-and-Place" Verfahrens neben den elektrischen Bauteilen auch mit der mechanischen Komponente zu bestücken.
Zur Realisierung der metallischen Kontaktfläche besteht einerseits die
Möglichkeit, den Vergussrahmen insgesamt aus einem metallischen Werkstoff zu fertigen. Daneben ist es aber auch möglich den Vergussrahmen und die Kontaktfläche mittels eines Verfahrens der Spritzgegossenen
Schaltungsträger vor allem unter dem englischen Begriff„MID, Moulded
Interconnected Device" bekannt), insbesondere mittels des Verfahrens der Laser-Direkt-Strukturierung zu fertigen. Hierbei ist es mittels MID möglich, die Form des Vergussrahmens sehr individuell, beispielsweise quadratisch mit abgerundeten Kanten, zu gestalten. Vor allem auf Basis der Laser-Direkt- Strukturierung ist es darüber hinaus möglich, einen Vergussrahmen mit einer unebenen Kontaktfläche zu fertigen, sofern die Leiterplatte bzw. die
Grundfläche entsprechend gekrümmt oder gewölbt ist (auch bekannt unter dem Begriff„Dreidimensionaler Schaltungsträger"). Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine elektronische Baugruppe mit einem erfindungsgemäß verlöteten Vergussrahmen, und Fig. 2: eine Detailansicht einer möglichen Ausführungsform des
Vergussrahmens.
Zum allgemeinen Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 eine elektronische Baugruppe 2 schematisch dargestellt. Sie basiert auf einer Leiterplatte 20, die im gezeigten Ausführungsbeispiel zumindest auf ihrer Oberseite mit elektrischen Bauteilen 3 bestückt ist. Um in Feldgeräten, die beispielsweise gemäß der Normenreihe EN 60079 explosionssicher ausgelegt sind, eingesetzt werden zu können, sind die hinsichtlich des Explosionsschutzes kritischen Bauteile 3 gekapselt. Hierfür ist eine Vergusskapselug auf Basis eines Vergussrahmens 1
vorgesehen, wobei der Vergussrahmen 1 erfindungsgemäß per Löten auf der Leiterplatte 1 angebracht ist. Wie in der Detailansicht in Fig. 2 ersichtlich ist, verfügt der Vergussrahmen 1 zur Löt-Kontaktierung über eine lötbare, metallische Kontaktfläche 11 , die zu einer entsprechenden Grundfläche 21 der Leiterplatte 20 korrespondiert. Dabei weist die Kontaktfläche 11 entsprechend der Form des Vergussrahmens 1 in der gezeigten Ausführungsvariante einen quadratischen Verlauf mit abgerundeten Kanten auf. Zum Verlöten muss der Vergussrahmen 1 nicht zwangsweise komplett aus einem metallischen
Werkstoff gefertigt sein. Sofern der Vergussrahmen 1 aus einem Kunststoff gefertigt ist, bietet sich zur integrierten Fertigung des Vergussrahmens 1 samt metallischer Kontaktfläche 11 vorzugsweise das Verfahren der
Spritzgegossenen Schaltungsträger (vor allem unter dem englischen Begriff „MID, Moulded Interconnected Device" bekannt). Eine besonders geeignete Variante hierfür ist das Verfahren der Laser-Direkt-Strukturierung.
Die zur Platzierung des Vergussrahmens 1 vorgesehene Grundfläche 21 auf der Leiterplatte 20 ist zwecks Lötbarkeit ebenfalls metallisch ausgelegt.
Realisiert werden kann die Grundfläche 21 daher beispielsweise in Form einer Leiterbahnstruktur mit korrespondierender Form zur Grundfläche 21 des Vergussrahmens 1. Somit müssen zur Realisierung die Grundfläche 21 , abgesehen von den per se erforderlichen Arbeitsschritten zur Schaffung der Leiterbahnstrukturen auf der Leiterplatte 20, keine zusätzlichen
Prozessschritte durchgeführt werden. Bei der in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Idee ist die Leiterplatte 20 im Bereich der Grundfläche 21 eben. Dabei wäre es insbesondere unter
Verwendung der Laser-Direkt-Strukturierung möglich, auch im Falle einer gekrümmten Leiterplatte 20 den Vergussrahmen mit einer entsprechend gewölbten Kontaktfläche 11 zu realisieren. Die in Fig. 1 gezeigte Art der Vergusskapselung bietet also insgesamt den Vorteil, dass das mechanische Kontaktieren des Vergussrahmens 1 in einem Prozessschritt zusammen mit dem Verlöten der elektrischen Bauteile 3 auf der Leiterplatte 1 1 erfolgen kann. Vor allem bei Verwendung eines Lötverfahrens wie Reflow-Löten, bei dem die elektrischen Bauteile 3 zeitgleich verlötet werden, resultiert hieraus im Vergleich zu einem etwaigen zusätzlichen
Klebeschritt ein Zeitgewinn. Abschließend müssen lediglich noch die
elektrischen Bauteile 3 innerhalb des Vergussrahmens 1 vergossen werden, vorzugsweise mittels eines Elastomers.
Um den Vergussrahmen 1 per Löten auf der Leiterplatte 20 zu kontaktieren, ist es analog zu den elektrischen Bauteilen 3 erforderlich, den Vergussrahmen 1 mit Orientierung der Kontaktfläche 1 1 zu der korrespondierenden Grundfläche 21 hin zu positionieren. Dies kann beispielsweise dadurch erleichtert werden, dass die Kontaktfläche 11 des Versgussrahmens 1 und die Grundfläche 21 der Leiterplatte 2, beispielsweise mittels einer (nicht dargestellten) Zapfenoder Nut-Anordnung mechanisch vorfixiert werden. Hierdurch braucht die mechanische Komponente 1 beim Verlöten mit der Leiterplatte 20 über die Kontaktfläche 1 1 und die Grundfläche 21 nicht extern gehalten werden.
Analog zu dem in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem der Vergussrahmen 1 als mechanische Komponente ohne eine elektrische Funktion auf der Leiterplatte 20 verlötet wird, lässt sich die erfindungsgemäße Idee auch zur Kontaktierung jeglicher anderer mechanischen Komponente auf einer Leiterplatte, wie beispielsweise miniaturisierten Mechanik- oder
Spiegelkomponenten, übertragen. Voraussetzung hierfür ist lediglich, dass solch eine Komponente über eine lötbar ausgelegte Kontaktfläche 11 verfügt. Bezugszeichenliste
Vergussrahmen
Elektrische Baugruppe
Elektrische Bauteile
Kontaktfläche
Leiterplatte
Grundfläche

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur mechanischen Kontaktierung einer mechanischen
Komponente (1 ) auf einer Leiterplatte (20) einer elektronischen Baugruppe (2), wobei die Komponente (1 ) zumindest eine metallische Kontaktfläche (11 ) aufweist, und wobei die Leiterplatte (20) eine Grundfläche (21 ), die
korrespondierend zur Kontaktfläche (11 ) metallisch strukturiert ist, aufweist, folgende Verfahrensschritte umfassend:
- Positionieren der mechanischen Komponente (1 ) mit Orientierung der Kontaktfläche (11 ) zu der korrespondierenden Grundfläche (21 ) hin, und
- Verlöten der mechanischen Komponente (1 ) mit der Leiterplatte (20) über die Kontaktfläche (11 ) und die Grundfläche (21 ).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei als Lötverfahren zum Verlöten der
Kontaktfläche (11 ) an der Grundfläche (21 ) ein Reflow-Lötverfa h ren eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mechanische Komponente (1 ) ausgelegt ist, um als Vergussrahmen zum Verguss von innerhalb der
Grundfläche (21 ) platzierten elektrischen Bauteilen (3) zu dienen, folgenden Verfahrensschritt umfassend:
- Vergießen der elektrischen Bauteile (3) innerhalb des Vergussrahmens
(1 )·
4. Feldgerät, umfassend:
- Eine elektronische Baugruppe (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Verguss so ausgelegt ist, dass die elektrischen Bauteile (3) explosionssicher, insbesondere gemäß der Normenreihe EN 60079, gekapselt sind.
5. Feldgerät nach Anspruch 4, wobei die Kontaktfläche (11 ) des
Versgussrahmens (1 ) und die Grundfläche (21 ) der Leiterplatte (2),
insbesondere mittels einer Zapfen- oder Nut-Anordnung, derart korrespondierend zueinander ausgelegt sind, um die Position des
Vergussrahmens (1 ) vor dem Löten auf der Leiterplatte (2) zu fixieren.
6. Feldgerät nach Anspruch 4, wobei für den Fall, dass die mechanische Komponente (1 ) als Vergussrahmen ausgelegt ist, der Vergussrahmen (1 ) einem metallischen Werkstoff gefertigt ist.
7. Feldgerät nach Anspruch 4 oder 5, wobei für den Fall, dass die
mechanische Komponente (1 ) als Vergussrahmen ausgelegt ist, der
Vergussrahmen (1 ) und die Kontaktfläche (1 1 ) mittels eines Verfahrens der Spritzgegossenen Schaltungsträger, insbesondere mittels des Verfahrens der Laser-Direkt-Strukturierung gefertigt ist.
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