WO2020025374A1

WO2020025374A1 - Elektrisches bauelement für die oberflächenmontage bzw. elektronische baugruppe mit überwachungsstruktur

Info

Publication number: WO2020025374A1
Application number: PCT/EP2019/069644
Authority: WO
Inventors: Peter Frühauf; Matthias Heimann; Rüdiger Knofe; Stefan Nerreter; Jörg Strogies; Klaus Wilke
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2020-02-06
Also published as: DE102018212684A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement (13) für eine Oberflächenmontage auf einem Schaltungsträger (14). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bauelement (13) eine mechanische Sollbruchstelle (19) aufweist, durch welche eine elektrische Verbindung (22) realisiert ist. Ein Versagen der Sollbruchstelle führt somit zur Trennung der elektrischen Verbindung (22) und kann deswegen detektiert werden. Das Versagen ist mechanisch, wobei ein Grundkörper (23) des elektrischen Bauelements aufgrund seiner Trägheit mechanische Belastungen wie beispielsweise Stöße detektieren kann. Ein Brechen der Sollbruchstelle (19) zeigt somit eine mechanische Belastung an, aus der Maßnahmen zur Sicherstellung der weiteren Funktion der elektronischen Baugruppe (14) abgeleitet werden können. Die Erfindung betrifft außerdem auch eine elektronische Baugruppe (14), in der das erfindungsgemäße elektrische Bauelement (13) verbaut ist. Zuletzt betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen elektronischen Baugruppe.

Description

Beschreibung

Elektrisches Bauelement für die Oberflächenmontage bzw.

elektronische Baugruppe mit Überwachungsstruktur

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement für eine Oberflächenmontage, wobei das Bauelement elektrische Kontakte zur Kontaktierung auf einen Schaltungsträger aufweist. Mit diesen Kontakten lässt sich das elektrische Bauelement zu ei ner elektronischen Baugruppe hinzufügen, auf die die Erfin dung ebenfalls bezogen ist. Diese elektronische Baugruppe weist einen Schaltungsträger auf, auf dem eine Schaltung mit mindestens einem solchen elektronischen Bauelement montiert ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Be treiben einer elektronischen Baugruppe der bereits beschrie benen Art .

Elektronische Baugruppen unterliegen im Einsatz verschiedenen Umwelteinflüssen. Diese begrenzen die Lebensdauer solcher elektronischen Baugruppen. Die Umwelteinflüsse können je nach Einsatz vielfältig sein. Überwiegend treten thermische und mechanische aber auch chemische bzw. elektrochemische Belas tungen auf, die durch Betrieb und Ruhephase sowie durch Wet ter bzw. Klima und andere Umweltfaktoren beeinflusst werden.

Diese die Zuverlässigkeit beeinflussenden Faktoren müssen bei der Auslegung der elektronischen Baugruppe berücksichtigt werden, damit das Produkt die Funktion in einem zu definie renden Zeitintervall zuverlässig zur Verfügung stellen kann. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen müssen überdies Sicherheiten gegen einen Ausfall realisiert werden. Dies kann beispielsweise durch den Aufbau von Redundanzen er reicht werden, so dass bei Ausfall eines Bauelements ein re dundantes Bauelement zum Einsatz kommen kann. Dies bedeutet jedoch, dass die elektronische Baugruppe sich verteuert, da sicherheitsrelevante Bauelemente doppelt vorgesehen werden müssen. Eine andere Möglichkeit ist eine Überdimensionierung der Bauteile. Diese müssen dann ohne technische Notwendigkeit lange vor dem Ablauf ihrer Lebensdauer ausgetauscht werden, um eine genügende Sicherheit gegen den Ausfall zu gewährleis ten. Auch in diesem Fall erhöhen sich die Kosten für die elektronische Baugruppe, da die überdimensionierten Bauele mente teurer sind.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein elektrisches Bau element anzugeben, welches das Risiko eines unerwarteten Aus falls einer elektronischen Baugruppe reduziert, wobei die mit der Erhöhung der Sicherheit gegen einen Ausfall der elektro nischen Baugruppe verbundenen Kosten möglichst gering gehal ten werden sollen.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Bauelement erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Bauelement eine me chanische Sollbruchstelle aufweist, die in eine elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Kontakten integriert ist, derart, dass ein Versagen der Sollbruchstelle zu einer Trennung der elektrischen Verbindung führt. Die Trennung der elektrischen Verbindung erfolgt somit erfindungsgemäß durch einen Bruch, der durch eine mechanische Belastung provoziert werden kann. Da das Verschleißelement eine bestimmte Masse aufweist, ist es als Trägheitselement aufzufassen, wobei die Sollbruchstellen durch die Belastung aufgrund der Trägheit des elektrischen Bauelements bei einer bestimmten mechani schen Belastung brechen. Die Trennung der elektrischen Ver bindung lässt sich vorteilhaft detektieren und zeigt ein Er eignis einer mechanischen Belastung oberhalb eines durch die Eigenschaften des Verschleißelements definierten Werts an. Hierdurch ist vorteilhaft eine Interpretation derart möglich, dass eine mechanische Belastung detektiert wurde, die für die elektronische Baugruppe, auf der das erfindungsgemäße Bauele ment verbaut wurde, zu groß ist. Eine zu große mechanische Belastung ist dadurch definiert, dass diese die Gefahr birgt, dass die elektronische Baugruppe durch eine mechanische Be schädigung in ihrer Funktion beeinträchtigt werden könnte. Insbesondere für sicherheitsrelevante elektronische Baugrup- pen ist dies wichtig, damit diese entweder einer Untersuchung hinsichtlich ihrer Funktionstauglichkeit unterworfen werden können oder ausgewechselt werden knnen, wenn eine übermäßige mechanische Belastung aufgetreten ist. Diese kann beispiels weise darin bestehen, dass ein Gerät mit der elektronischen Baugruppe herunterfällt und auf den Boden aufschlägt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sollbruchstelle aus mindestens zwei An schlussbeinen besteht, welche von dem Bauelement abragen und die elektrischen Kontakte zur Verbindung mit dem Schaltungs träger ausbilden. Hierdurch ergibt sich vorteilhaft eine Bau form, bei der die Anschlussbeine auf dem Schaltungsträger säulenartig nach oben abstehen, wobei an den Enden dieser Säulen das elektrische Bauelement aufgrund seiner Trägheits eigenschaften einen Massekörper ausbildet, der bei Stößen o- der dergleichen eine mechanische Belastung auf die Sollbruch stellen ausübt. Ist diese Belastung zu groß, bricht das elektrische Bauelement ab, wodurch die Sollbruchstellen ver sagen und dies wegen der Trennung der elektrischen Verbindung zu einem elektrisch messbaren Ereignis führt.

Wenn die Sollbruchstelle aus genau zwei Anschlussbeinen be steht, hat dies außerdem den Vorteil, dass hierdurch eine Vorzugsrichtung definiert wird, in der das elektrische Bau element bricht. Diese Vorzugsorientierung befindet sich senk recht zu einer Ebene, in der die beiden Anschlussbeine lie gen, da diese mechanisch besonders empfindlich ist. Die dazu rechtwinklig ausgerichtete Belastungsrichtung ist demgegen über besonders stabil, weil in dieser Belastungsrichtung die Anschlussbeine hintereinander liegen und daher nicht auf Bie gung, sondern auf Zug und Druck beansprucht werden. Diese Be lastung ist wesentlich geringer, als die Biegebelastung, die rechtwinklig hierzu auftritt.

In Belastungsrichtungen, die zwischen diesen beiden extremen Belastungsrichtungen liegen, treten jeweils sowohl Zug- und Druckkräfte als auch Biegebeanspruchungen in den Kontaktbei- nen auf. Die Biegebeanspruchung ist damit jedoch geringer, als in der oben bereits erwähnten Vorzugsorientierung. Natür lich kann bei genügend hohen Belastungen auch in diesen Rich tungen ein Bruch der Sollbruchstellen provoziert werden, wo bei die Belastungen dann auch für die elektronische Baugruppe zu hoch waren, weswegen der Ausfall auch angezeigt werden kann .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin dung ist vorgesehen, dass die Sollbruchstelle aus einem ein Sprödverhalten aufweisenden Werkstoff, insbesondere Silizium, einem Glas oder einer Keramik bestehen. Als Sprödverhalten im Sinne dieser Erfindung soll ein Bruchverhalten gelten, bei dem der Bruch nahe der Elastizitätsgrenze stattfindet. Dies ist das Gegenteil eines duktilen Werkstoffverhaltens , bei dem sich der Werkstoff in einem großen Maße plastisch verformen kann und hierbei mechanische Energie aufnehmen kann. Anders ist dies bei einem Sprödverhalten des Werkstoffs, bei dem le diglich eine elastische Verformung stattfinden kann und dann bei einer Überlastung ein plötzlicher Bruch erfolgt, wobei vor dem Bruch keine oder zumindest nur eine geringe plasti sche Verbiegung auftritt. Mit anderen Worten ist das Maß, in welchem Umfang eine mechanische Belastung durch das elektri sche Bauelement ertragen werden kann, dadurch gegeben, dass sich Sollbruchstellen bis zu einem gewissen Grad elastisch verformen können, bevor diese brechen. Wird die mechanische Belastung überschritten, sind die Reserven für eine elasti sche Deformation der Sollbruchstellen aufgebraucht, weswegen es zu einem Bruch kommt.

Die Werkstoffe, die ein Sprödverhalten aufweisen, sind vor zugsweise Silizium, ein Glas oder Keramik. Diese Werkstoffe lassen sich vorteilhaft einfach in einem großtechnischen Um fang verarbeiten. Sie sind wenig korrosionsanfällig, weswegen ihre mechanischen Eigenschaften sich auch dann nicht oder nur wenig verändern, wenn die elektronische Baugruppe schädlichen Umwelteinflüssen (chemischer oder elektrochemischer Natur) ausgesetzt sind. Hierdurch kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass über den Zeitraum der Benutzung der elektroni schen Baugruppe ein konstantes mechanisches Verhalten garan tiert werden kann, um zuverlässige Indikatoren für eine me chanische Überlastung realisieren zu können.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese hen, dass der das Sprödverhalten aufweisende Werkstoff mit einer elektrisch leitenden Komponente kombiniert ist. Die Kombination ermöglicht es vorteilhaft, dass der Werkstoff, der die Eigenschaften der Sollbruchstelle definiert, nicht elektrisch leitend sein muss. Dies ermöglicht, wie bereits erwähnt, die Auswahl von Werkstoffen wie Silizium, Glas oder Keramik, wobei es bei diesen Materialgruppen sehr viele nicht leitende Varianten gibt. Unter einer Kombination mit einem elektrisch leitenden Werkstoff ist gemeint, dass diese elektrisch leitende Komponente die Schaffung der elektrischen Verbindung oder mit anderen Worten eines elektrischen Strom kreises ermöglicht, so dass ein Bruch der Sollbruchstelle zu einer Trennung dieser elektrischen Verbindung führen kann.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann bei spielsweise vorgesehen werden, dass die elektrisch leitende Komponente als metallische Beschichtung auf dem das Sprödver halten aufweisenden Werkstoff ausgeführt ist. Diese metalli sche Beschichtung leitet den Strom entlang der Sollbruchstel le (beispielsweise der Kontaktbeine) , wobei eine sehr dünne metallische Beschichtung bereits ausreicht, da die elektri sche Verbindung keine hohen elektrischen Leistungen übertra gen muss. Es ist lediglich ein Strom notwendig, der es ermög licht, ein Versagen der Sollbruchstellen und damit eine Tren nung der elektrischen Verbindung zu detektieren.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese hen, dass das Bauelement einen massiven Grundkörper aufweist, an dem die Sollbruchstelle, insbesondere in Form von An schlussbeinen, befestigt ist. Hierdurch ist eine besonders kompakte Bauform ermöglicht, weil der massive Grundkörper bei geringem Volumen eine große Masse aufweisen kann. Insbesonde- re kann der Grundkörper aus einem metallischen Werkstoff oder einem anderen elektrisch leitfähigen Werkstoff ausgebildet sein. Die Kontaktbeine ermöglichen weiterhin eine Montage des elektrischen Bauelements mit gebräuchlichen Verfahren der Elektronikmontage, insbesondere der Oberflächenmontage (SMT, d. h. Surface Mounted Technology) .

Das Trägheitselement, das durch den massiven Grundkörper aus gebildet ist, weist eine definierte Masse auf, und kann au ßerdem, wenn es aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff besteht, gleichzeitig die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlussbeinen erzeugen. Alternativ ist es selbstver ständlich auch möglich, dass das durch den Grundkörper gebil dete Trägheitselement aus einem elektrisch isolierenden Werk stoff besteht, wobei eine äußere elektrisch leitfähige Be schichtung oder ein innen liegender Leiter die Kontaktbeine miteinander verbindet. Auf jeden Fall ist es auf der Grundla ge einer definierten Masse möglich, eine effektive Bruchlast (aufgrund bestimmter Beschleunigungswerte) vorherzusehen, so dass das elektrische Bauelement zur Detektierung bestimmter mechanischer Überbeanspruchungen verwendet werden kann. Auf diesem Wege lassen sich vorteilhaft elektrische Bauelemente mit unterschiedlichen beanspruchsabhängigen Bruchlasten er zeugen, die je nach Anwendungsfall ausgewählt werden können, um auf elektronischen Baugruppen zur Detektion bestimmter me chanischer Beanspruchungen herangezogen zu werden.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese hen, dass der Grundkörper aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, insbesondere einem metallischen Werkstoff besteht, wobei die elektrische Verbindung durch den Grundkörper mit gebildet ist. Der Grundkörper ist damit aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff ausgebildet, der insbesondere metal lisch sein kann. Die elektrische Verbindung wird durch diesen Grundkörper mit gebildet. Dies soll bedeuten, dass der Strom, der durch die elektrische Verbindung geleitet werden soll, zumindest teilweise auch durch den Grundkörper geleitet wird, der beispielsweise die Kontaktstrukturen, die an diesen Grundkörper angreifen und die Sollbruchstellen bilden, mitei nander verbindet.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese hen, dass die elektrischen Kontakte zur Ausbildung einer Löt verbindung vorgesehen sind. Dies ermöglicht vorteilhaft die Montage des elektrischen Bauelements mittels für Oberflächen montage üblichen Montageverfahren. Insbesondere kann das elektrische Bauelement mit anderen Bauelementen, die zusammen die elektronische Schaltung bilden, gemeinsam verarbeitet werden, da diese ebenfalls nach den gängigen Methoden der Oberflächenmontage auf einem gemeinsamen Schaltungsträger montiert werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin dung ist vorgesehen, dass die elektrischen Kontakte, mit de nen die Lötverbindung geschlossen werden soll, mit einem Lot werkstoff vorbelotet sind. Die Vorbelotung kann beispielswei se durch eine Beschichtung des Kernbereiches des Kontaktes aus dem spröden Werkstoff erfolgen. Der Lotwerkstoff kann dann zur Ausbildung der Lötverbindung herangezogen werden. Dies vereinfacht vorteilhaft die Montage des elektrischen Bauelements auf einen Schaltungsträger, da dieser zwecks Mon tage des elektrischen Bauelements nicht mit Lotwerkstoff ver sehen werden muss. Vielmehr stellt das elektrische Bauelement selbst die notwendige Menge an Lotwerkstoff zur Verfügung. Dieses kann beispielsweise auf den Kontaktbeinen aufgetragen werden, welche insbesondere nach der Methode der sogenannten Durchsteckmontage auf dem Schaltungsträger montiert werden.

Zu diesem Zweck hat der Schaltungsträger Bohrungen, durch die die Kontaktbeine hindurchgesteckt werden. Das Lot, welches entweder, wie bereits erwähnt, vorteilhaft auf den Kontakt beinen vorbelotet sein kann, oder in anderer Weise, bei spielsweise durch Wellenlöten in die Bohrungen mit den durch gesteckten Kontaktbeinen eingebracht wird, bildet vorteilhaft eine mechanisch sehr stabile Verbindung zwischen dem Schal tungsträger und den Kontaktbeinen. Diese sind somit auf dem Schaltungsträger gut fixiert, so dass die freie Weglänge der Kontaktbeine, die sich zwischen dem Grundkörper des elektri schen Bauelements und dem Schaltungsträger befindet, als Sollbruchstelle zur Aufnahme der mechanischen Biegebelastung dienen kann.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann vor teilhaft auch vorgesehen werden, dass die Sollbruchstelle, insbesondere die Kontaktbeine über eine Steckverbindung mit dem Bauelement verbunden ist. Das Bauelement wird vorzugswei se durch die Sollbruchstelle und den oben bereits erwähnten Grundkörper ausgebildet. Zwischen dem Bauelement bzw. Grund körper und der Sollbruchstelle, die vorzugsweise als An schlussbein ausgeführt ist, kann über die Steckverbindung ei ne mechanisch stabile Verbindung erzeugt werden. Besonders vorteilhaft kann diese Verbindung durch eine Lötverbindung ausgebildet werden, welche eine vergleichbare Stabilität auf weist, wie eine Lötverbindung, die zwischen einem Schaltungs träger und der Sollbruchstelle, insbesondere den Kontaktbei nen, geschlossen wird (wie bereits erläutert) .

Weiterhin wird die oben angegebene Aufgabe mit der bereits erwähnten elektronischen Baugruppe gelöst, welche einen

Schaltungsträger aufweist, auf dem eine Schaltung mit mindes tens einem elektronischen Bauelement montiert ist. Erfin dungsgemäß ist zusätzlich zu dem mindestens einen elektroni schen Bauelement ein elektrisches Bauelement vorgesehen, wel ches in der oben bereits beschriebenen Weise aufgebaut ist, d. h. als elektrisches Bauelement zur Detektion von mechani schen Überbelastungen ausgebildet ist. Die elektronische Bau gruppe, die mit einem solchen elektrischen Bauelement ausge staltet ist, lässt sich hinsichtlich einer mechanischen Über beanspruchung überwachen, wie dies oben bereits genauer er läutert wurde. Hierdurch lassen sich die oben bereits erläu terten Vorteile erreichen. Insbesondere ist der Vorteil her vorzuheben, dass eine Überwachung der elektronischen Baugrup pe dahingehend möglich ist, dass eine mechanische Überlastung der elektronischen Baugruppe aufgrund eines Versagens des elektrischen Bauelements detektiert werden kann. Bei dem elektrischen Bauelement handelt es sich vorteilhaft um ein kostengünstiges Bauteil, welches einfach aufgebaut ist. Hier durch lassen sich die Fertigungskosten für die elektronische Baugruppe vorteilhaft in Grenzen halten. Da das elektrische Bauelement als Indikator für eine mechanische Überlastung verwendet werden kann, muss die Baugruppe vorteilhaft nicht mit einer hohen Sicherheit gegen mechanische Überbeanspru chungen ausgestattet werden, da eine solche zeitnah angezeigt wird. Dies ermöglicht die Auslegung der elektronischen Bau gruppe mit vergleichsweise geringeren Reserven gegenüber ei ner mechanischen Überbeanspruchung, da diese nach Auftreten einer solchen Zeit auf die Notwendigkeit eines Austausches untersucht werden kann.

Gemäß einer Ausgestaltung der elektronischen Baugruppe ist vorgesehen, dass mehrere elektrische Bauelemente auf dem Schaltungsträger montiert sind, wobei die mit den elektri schen Bauelementen realisierten Sollbruchstellen derart aus gerichtet sind, dass diese bei mechanischen Belastungen der elektronischen Baugruppen in unterschiedlichen Richtungen versagen. Wie bereits erläutert wurde, weisen die elektri schen Bauelemente üblicherweise eine Vorzugsrichtung auf, in der sie besonders empfindlich auf mechanische Belastungen re agieren. Insbesondere bei elektrischen Bauelementen mit zwei Kontaktbeinen ist dies die Richtung, die senkrecht auf der durch die beiden Kontaktbeine gebildeten Ebene stehen. Werden die elektrischen Bauelemente nun beispielsweise derart ausge richtet, dass die drei Achsen eines kartesischen Koordinaten- sytems die drei Vorzugsorientierungen einer zum Versagen füh renden mechanischen Belastung bilden, so lässt sich vorteil haft den elektrischen Bauelementen auch die Richtung der me chanischen Belastung ermitteln. Dies ist auch von Bedeutung, weil die kritischen mechanischen Belastungen der elektroni schen Baugruppe in unterschiedlichen Richtungen auch unter schiedlich hoch sein können. Dies lässt sich nun dadurch leicht überwachen, dass je nach Vorzugsorientierung elektri sche Bauelemente zum Einsatz kommen können, welche unter- schiedlich hohe kritische Belastungen für ein mechanisches Versagen aufweisen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin dung ist vorgesehen, dass die elektrische Verbindung des elektrischen Bauelements oder der elektrischen Bauelemente mit einem oder mehreren Überwachungsstromkreisen verbunden ist, wobei die Überwachungsstromkreise mit einer Überwa chungsschaltung verbunden sind. Die Überwachungsschaltung ist somit auch Teil der elektronischen Baugruppe und agiert unab hängig von einer durch die elektronische Baugruppe ausgebil deten Nutzschaltung. Als Nutzschaltung soll im Sinne der Er findung eine Schaltung verstanden werden, welche den Einsatz zweck der elektronischen Baugruppe bestimmt. Die Überwa chungsschaltung ist hingegen eine Schaltung, die lediglich den Zweck einer Überwachung der elektronischen Schaltung er füllt, ohne dass diese der mit der elektronischen Schaltung verbundenen Anwendung verknüpft ist.

Die Überwachungsschaltung ermöglicht vorteilhaft eine Kommu nikation beispielsweise mit einer externen Überwachungsein richtung, die nicht nur die elektronische Baugruppe, sondern ein ganzes Gerät überwachen soll. Außerdem kann die Überwa chungsschaltung als Standardbauteil ausgeführt werden, wel ches auf die zum Einsatz kommenden elektrischen Bauelemente ausgelegt ist. Somit muss die Überwachungsschaltung nicht für jede elektronische Schaltung von Neuem ausgelegt werden, son dern kann gemeinsam mit den ebenfalls standardisierten elektrischen Bauelementen gemeinsam verbaut werden, wobei in Abhängigkeit des Anwendungsfalls aus einem Baukasten von elektronischen Bauelementen und Überwachungsschaltungen die geeignete ausgewählt werden kann.

Die Überwachungsschaltung ist im letztgenannten Falle durch einen Mikrocontroller ausgebildet, welcher ebenfalls als elektronisches Bauelement auf der elektronischen Baugruppe montiert werden kann. Selbstverständlich ist es allerdings auch möglich, dass die Überwachungsschaltung als Teil der Nutzschaltung in der elektronischen Baugruppe integriert ist. Diese kommuniziert dann ebenso wie der Mikrocontroller über geeignete Überwachungsschaltkreise mit den besagten elektri schen Bauelementen, damit ein Versagen derselben im Falle ei ner mechanischen Überbeanspruchung elektrisch ausgewertet werden kann.

Zuletzt wird die Aufgabe auch durch das eingangs angegebene Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Baugruppe ge löst, bei dem die elektrische Verbindung in dem elektrischen Bauelement elektrisch überwacht wird und ein Versagen der elektrischen Verbindung die Erzeugung eines Signals auslöst, welches eine mechanische Belastung der elektronischen Bau gruppe anzeigt. Dieses Verfahren ist somit dazu geeignet, rechtzeitig ein Versagen des elektrischen Bauelements anzu zeigen, bevor die mechanische Belastung, die es anzuzeigen gilt, zu einem Versagen der elektronischen Baugruppe als Gan zem führt. Auch hier ist somit eine gewisse Sicherheit einzu rechnen, damit die mechanische Belastung, die zum Versagen des elektrischen Bauelements führt, nicht die gesamte elekt ronische Baugruppe zerstört. Vielmehr muss die elektronische Baugruppe stabiler ausgeführt sein, wobei jedoch die Sicher heit des elektrischen Bauelements gegenüber einem Versagen so dimensioniert werden kann, dass ein Versagen der elektroni schen Baugruppe bei weiterem Auftreten einer mechanischen Be lastung in vergleichbarer Höhe nicht mehr gewährleistet wäre. Dies bedeutet, dass Maßnahmen zeitnah eingeleitet werden müs sen, um ein Versagen der elektronischen Baugruppe zu verhin dern .

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen han delt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Kom ponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, wel che die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiter bilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Er findung ergänzbar.

Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Bau gruppe mit einem Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen elektrischen Bauelements als Seitenan sicht, teilweise aufgeschnitten,

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

elektrischen Bauelements im montierten Zustand, ge schnitten,

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Bau gruppe mit drei Ausführungsbeispielen des erfin dungsgemäßen Bauelements als Seitenansicht und

Figur 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Bau gruppe als Aufsicht, anhand dessen ein Ausführungs beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden kann.

In Figur 1 ist ein Schaltungsträger 11 dargestellt, auf dem ein elektronisches Bauelement 12 und ein elektrisches Bauele ment 13 mit Hilfe der Oberflächenmontage montiert sind. Auf diesem Weg ist eine elektronische Baugruppe 14 realisiert, wobei weitere nicht dargestellte elektronische Bauelemente auf dem Schaltungsträger 12 montiert sein können. Auch die Leiterbahnen, die auf einer durch den Schaltungsträger 11 ausgebildeten Montageseite für das elektrische Bauelement 13 und das elektronische Bauelement 12 zur Verfügung gestellt werden, sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Allerdings sind elektrische Kontakte 16 dargestellt, die als Kontaktbeine des elektrischen Bauelements 13 ausgebildet sind. Diese Kontakte dienen zu einer Kontaktierung des elektrischen Bauelements 13 auf dem Schaltungsträger 11, wo bei mittels eines Lotwerkstoffs 17 eine Lötverbindung zwi schen den Kontakten 16 und dem Schaltungsträger 11 ausgebil det wird. Der Lotwerkstoff 17 kann in nicht dargestellter Weise vor der Montage des elektrischen Bauelements 13 als Vorbelotung beispielsweise in Form einer Schicht auf den Kon takten 16 ausgebildet sein.

Auch das elektronische Bauelement 12 ist mittels Lötverbin dungen 18 in Form von Kontaktbumps auf der Montageseite 15 des Schaltungsträgers 11 befestigt.

Die Kontakte 16 sind als Sollbruchstelle 19 ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Kontakte bei einer mechanischen Belastung zerstört werden, also mechanisch versagen. Die Kontakte sind deswegen aus einem ein Sprödverhalten aufweisenden Werkstoff

20 ausgebildet. Dieser Werkstoff bildet den Kern der Kontak te, wobei auf diesem Kern eine elektrisch leitende Komponente

21 in Form einer äußeren Beschichtung aufgebracht ist. Über diese elektrisch leitfähige Komponente 21 wird eine elektri sche Verbindung 22 ausgebildet, welche von dem einen elektri schen Kontakt über einen Grundkörper 23 aus einem Metall, wie z. B. Kupfer, zu dem anderen elektrischen Kontakt verläuft. Dies ist durch eine strichpunktierte Linie angedeutet. Die Kontakte 16 in Form von Kontaktbeinen sind durch eine Steck verbindung 24 in dem Grundkörper 23 fixiert. Dies ist bei dem elektrischen Bauelement 13 gemäß Figur 1 durch eine Pressver bindung realisiert, kann aber in nicht dargestellter Weise auch durch eine Lötverbindung bewerkstelligt werden (vgl. Fi gur 2 ) .

Gemäß Figur 2 ist eine weitere Ausgestaltung des elektrischen Bauelements 13 dargestellt. Anders als das elektrische Bau- element 13 gemäß Figur 1 ist es in dem Schaltungsträger 11 durch eine Durchsteckmontage fixiert. Zu diesem Zweck weist der Schaltungsträger 11 eine Durchgangsbohrung 25 auf, durch die die Kontakte 16 hindurch gesteckt werden und anschließend mittels des Lotwerkstoffs 17 fixiert werden. Der Lotwerkstoff 17 kann, wenn die Kontakte nicht vorbelotet sind, durch eine Lötwelle 26 (angedeutet durch eine Strichpunktlinie) in die Durchgangsbohrung 25 eingebracht werden, wobei die Lötwelle 26 von unten an den Schaltungsträger 11 herangeführt wird.

Weiterhin kann Figur 2 entnommen werden, dass die Kontakte 16 auch mittels einer weiteren Lötverbindung 27 in dem Grundkör per 23 fixiert werden können. Der Grundkörper 23 ist überdies aus einem elektrisch nicht leitfähigem Werkstoff, beispiels weise einer Keramik, gefertigt, so dass die elektrische Ver bindung 22 über eine elektrisch leitfähige Beschichtung 28 des Grundkörpers 23 verläuft.

Ansonsten ist das elektrische Bauelement 13 gemäß Figur 2 analog aufgebaut, wie das elektrische Bauelement 13 gemäß Fi gur 1.

In Figur 3 ist dargestellt, dass die elektrischen Bauelemente 13, die ähnlich denjenigen gemäß Figur 1 und 2 aufgebaut sein können, auf einem elektronischen Bauelement 12 angebracht werden können. Es zeigt sich hiermit, dass die elektrischen Bauelemente 13 nicht notwendigerweise auf dem Schaltungsträ- ger 11 selbst abmontiert werden müssen, sondern auch auf ei nem elektronischen Bauelement 12 montiert sein können, wel ches auf dem Schaltungsträger 11 montiert wird. Damit können diese auf dem elektronischen Bauelement 12 auch vormontiert werden und insbesondere speziell zur Beurteilung der mechani schen Belastungen des elektronischen Bauelements 12 herange zogen werden.

Die elektrischen Bauelemente 13 sind über nicht dargestellte Überwachungsstromkreise (vgl. in Figur 4: 29) mit einem Mik rocontroller 30 verbunden, welcher ein Versagen eines der elektrischen Bauelemente 13 detektieren und ein davon abhän giges Ausgabesignal generieren kann. Das Ausgabesignal ist dann als Signal zu deuten, welches die Erforderlichkeit einer Maßnahme anzeigt. Diese kann beispielsweise darin bestehen, dass die elektronische Baugruppe 14 ausgetauscht wird.

Weiterhin ist Figur 3 zu entnehmen, dass die elektrischen Bauelemente 13 auf dem elektronischen Bauelement 12 derart angeordnet sein können, dass mechanische Belastungen in un terschiedlichen Richtungen durch ein Versagen der entspre chenden elektrischen Bauelemente 13 detektiert werden können. Die in Figur 3 realisierten Vorzugsrichtungen entsprechen denjenigen eines kartesischen Koordinatensystems und sind in Figur 3 durch Doppelpfeile 31 angedeutet. Die Richtung, die senkrecht zur Zeichenebene liegt, ist durch denjenigen Dop pelpfeil 31 angedeutet, der diagonal verläuft. Dieser reprä sentiert, wie dem ebenfalls angedeuteten Koordinatensystem zu entnehmen ist, die y-Richtung. Die x-y-Ebene liegt demnach gemäß Figur 4 genau parallel zur Montageseite 15. Somit las sen sich mit den drei dargestellten elektrischen Bauelementen mechanische Belastungen in den Vorzugsrichtungen x, y und z bestimmen .

Gemäß Figur 4 ist eine elektronische Baugruppe 14 von oben dargestellt. Diese weist elektronische Bauelemente 12 auf, die gemeinsam eine Nutzschaltung der elektronischen Baugruppe ergeben, d. h., dass durch diese Nutzschaltung eine bestimmte gewünschte Funktion der elektronischen Baugruppe realisiert ist. Außerdem ist auf dem Schaltungsträger 11 der elektroni schen Baugruppe der Mikrocontroller 30 montiert, der die elektrischen Bauelemente 13 zum Teil kontrolliert. Hierfür sind die Überwachungsstromkreise 29 vorgesehen, wodurch eine Überwachungsschaltung 32a realisiert ist.

In Figur 4 ist außerdem dargestellt, dass eine weitere Über wachungsschaltung 32b auf einem elektronischen Bauelement 12 ausgebildet sein kann (vgl. auch Figur 3) . Diese Überwa chungsschaltung kann speziell zur Überwachung der Funktionen des elektronischen Bauelements 12 herangezogen werden.

Gleichzeitig wird das elektronische Bauelement 12 als Kon- trolleinheit für diese Überwachungsschaltung 32b genutzt, so dass kein gesonderter Mikrocontroller vorgesehen ist.

Außerdem ist eine weitere Überwachungsschaltung 32c vorgese hen, bei der als Kontrolleinheit ein weiteres elektronisches Bauelement 12 verwendet wird, welches ähnlich wie das andere elektronische Bauelement 12 einen Teil der auf dem Schal tungsträger 11 realisierten Nutzschaltung darstellt. Dieses elektronische Bauelement ist ebenfalls mit elektrischen Bau elementen 13 zur Überwachung der Funktion der elektronischen Baugruppe 14 verbunden.

Weiterhin wird durch den Vergleich der Überwachungsschaltun gen 32a und 32c deutlich, dass die elektrischen Bauelemente 13 sowohl in Reihe (vgl. Überwachungsschaltung 32c) als auch parallel (vgl. Überwachungsschaltung 32a) geschaltet werden können. Wenn diese in Reihe geschaltet sind, wird ein Signal zur Detektion eines Fehlers angezeigt, wenn eines der

elektrischen Bauelemente 13 ausfällt. Dabei kann nicht fest gestellt werden, welches der elektrischen Bauelemente 13 dies ist. Bei der Überwachungsschaltung 32a wird ein entsprechen des Signal in dem Überwachungsstromkreis generiert, in dem der Ausfall stattfindet. Der Mikrocontroller 30 kann dieses Signal eindeutig dem ausgefallenen elektrischen Bauteil 13 zuordnen .

Claims

Patentansprüche

1. Elektrisches Bauelement für eine Oberflächenmontage, wobei das Bauelement elektrische Kontakte (16) zur Kontaktierung auf einem Schaltungsträger (11) aufweist,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass das Bauelement eine mechanische Sollbruchstelle (19) aufweist, das in eine elektrische Verbindung (22) zwischen den elektrischen Kontakten (16) integriert ist, derart, dass ein Versagen der Sollbruchstelle (19) zu einer Trennung der elektrischen Verbindung (22) führt.

2. Bauelement nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Sollbruchstelle (19) aus mindestens zwei Anschluss beinen besteht, welche von dem Bauelement abragen und die elektrischen Kontakte (16) zur Verbindung mit dem Schaltungs träger (11) ausbilden.

3. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Sollbruchstelle (19) aus einem ein Sprödverhalten aufweisenden Werkstoff, insbesondere Silizium, einem Glas o- der einer Keramik bestehen.

4. Bauelement nach Anspruch 3,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass der das Sprödverhalten aufweisende Werkstoff (20) mit einer elektrisch leitenden Komponente (21) kombiniert ist.

5. Bauelement nach Anspruch 4,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die elektrisch leitende Komponente (21) als metallische Beschichtung auf dem das Sprödverhalten aufweisenden Werk stoff ausgeführt ist.

6. Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass dieses einen massiven Grundkörper (23) aufweist, an dem die Sollbruchstelle (19), insbesondere in Form von Anschluss beinen, befestigt ist.

7. Bauelement nach Anspruch 6,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass der Grundkörper (23) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, insbesondere einem metallischen Werkstoff besteht, wobei die elektrische Verbindung (22) durch den Grundkörper (23) mit gebildet ist.

8. Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die elektrischen Kontakte (16) zur Ausbildung einer Löt verbindung vorgesehen sind.

9. Bauelement nach Anspruch 8,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die elektrischen Kontakte (16) mit einem Lotwerkstoff (17) vorbelotet sind.

10. Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die Sollbruchstelle (19) über eine Steckverbindung (24) mit dem Bauelement verbunden ist.

11. Elektronische Baugruppe, aufweisend einen Schaltungsträ- ger (11), auf dem eine Schaltung mit mindestens einem elekt ronischen Bauelement (12) montiert ist,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass zusätzlich zu dem mindestens einen elektronischen Bau element (12) ein elektrisches Bauelement (13) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche auf dem Schaltungsträger (11) mon tiert ist.

12. Elektronische Baugruppe nach Anspruch 11,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mehrere elektrische Bauelemente (13) auf dem Schaltungs träger (11) montiert sind, wobei die mit den elektrischen Bauelementen (13) realisierten Sollbruchstellen derart ausge richtet sind, dass diese bei mechanischen Belastungen der elektronischen Baugruppe in unterschiedliche Richtungen ver sagen .

13. Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 11 oder

12,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die elektrische Verbindung des elektrischen Bauelements (13) oder der elektrischen Bauelemente (13) mit einem oder mehreren Überwachungsstromkreisen (29) verbunden ist, wobei die Überwachungsstromkreise (29) mit einer Überwachungsschal tung (32a, 32b, 32c) verbunden sind.

14. Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Baugruppe nach einem der Ansprüche 11 bis 13,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

dass die elektrische Verbindung in dem elektrischen Bauele ment (13) elektrisch überwacht wird und ein Versagen der elektrischen Verbindung die Erzeugung eines Signals auslöst, welches eine mechanische Belastung der elektronischen Bau gruppe anzeigt.