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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen
Bauteils mit einem kunststoffumspritzten Träger.
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Viele
elektronische Geräte
enthalten Bauteile mit einem Träger,
beispielsweise einem Stanzgitter oder einer Platine, der mit diversen
elektronischen Bauelementen bestückt
ist. Um diese Bauelemente vor Umwelteinflüssen zu schützen, können die Träger komplett in Kunststoffgehäusen eingeschlossen werden.
Hierbei kommen zurzeit verschiedene Techniken zum Einsatz.
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Es
ist beispielsweise bekannt, den Träger, bestückt mit sämtlichen elektronischen Bauelementen,
in ein vorgefertigtes Gehäuse
einzubringen und im Gehäuse
mit einem bei niedriger Temperatur schmelzenden Kunstharz zu vergießen. Es
ist auch bekannt, einen Träger
in ein Gehäuse
einzuschweißen.
Diese Arten der Herstellung sind jedoch aufwendig, da sie viele
Herstellungsschritte und insbesondere die Verwendung eines separaten
Gehäuses
erforderlich machen. Es wurde auch vorgeschlagen, den Träger direkt
mit einem Kunststoffmaterial zu umspritzen, wobei sich aber das
Problem des vollständigen
Einschließens
des Trägers
stellt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Herstellung eines Bauteils mit einem kunststoffumspritzten
Träger
zu vereinfachen.
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Erfindungsgemäß ist hierzu
ein Verfahren mit den folgenden Schritten vorgesehen. Ein Träger wird
in eine Aufnahme eines Werkzeugs eingelegt. Im Werkzeug vorgesehene
Fixierelemente werden in eine vorbes timmte Position verfahren, so
dass der Träger
in Kontakt mit den Fixierelementen ist. Das Werkzeug wird geschlossen.
Flüssiger
Kunststoff wird mit einem ersten vorbestimmten Druck in das Werkzeug
eingebracht. Bei einem vorbestimmten Füllgrad der Aufnahme werden
die Fixierelemente zurückgezogen.
Der von den Fixierelementen freigegebene Raum in der Aufnahme wird
mit flüssigem Kunststoff
gefüllt.
Der Träger
wird in diesem Verfahren direkt und vollständig von flüssigem Kunststoff umgeben und
auch durch diese Kunststoffmasse fixiert. Ein separates Gehäuse ist
nicht mehr erforderlich.
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Unter
einem Träger
werden hier sowohl Stanzgitter als auch Platinen verstanden, jeweils
bereits mit sämtlichen
vorgesehenen elektronischen Bauelementen bestückt.
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Vor
dem Befüllen
des Werkzeugs mit flüssigem
Kunststoff ist der Träger
durch die Fixierelemente so in der Aufnahme gehalten, dass er allseits
von flüssigem
Kunststoff umgeben werden kann, natürlich mit Ausnahme des Raums,
den die Fixierelemente einnehmen. Der Träger berührt dabei die Innenwand der
Aufnahme nicht.
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Es
ist unerheblich, zu welchem Zeitpunkt vor dem Befüllen die
Fixierelemente in die Aufnahme hineingefahren werden. Vorzugsweise
werden zunächst
die Fixierelemente in ihre vorbestimmte Position verfahren und dann
der Träger
so in die Aufnahme gelegt, dass er in seiner endgültigen Position liegt,
bevor das Werkzeug verschlossen wird. Eine andere Vorgehensweise
ist jedoch auch denkbar, insbesondere wenn in einem mehrteiligen
Werkzeug in mehreren Werkzeugteilen Fixierelemente vorgesehen sind,
die jeweils verfahrbar sind.
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Die
bereits beginnende Plastifizierung des eingespritzten Kunststoffes
hat sich als ausreichend erwiesen, um den Träger in seiner vorbestimmten Position
zu halten, wenn beim vorbestimmten Füllgrad der Aufnahme die Fixierelemente
zurückgezogen
werden. Dies erlaubt es, den Träger
vollständig mit
Kunststoff zu umspritzen.
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Zum
Befüllen
des von den Fixierelementen freigegebenen Raums in der Aufnahme
wird vorzugsweise ein zweiter vorbestimmter Druck eingesetzt, der
niedriger ist als der erste. Vorteilhaft erfolgt das Befüllen der
Aufnahme bis zum vorbestimmten Füllgrad
mit normalem Einspritzdruck, während
die herkömmliche
Nachdruckphase ausgenutzt wird, um den von den Fixierelementen freigegebenen
Raum zu befüllen.
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Das
Zurückziehen
der Fixierelemente erfolgt daher bevorzugt zu Beginn oder während der
Nachdruckphase. Zu diesem Zeitpunkt ist bereits eine genügende Plastifizierung
eingetreten, um den Träger auch
ohne die Fixierelemente an seiner vorbestimmten Trägerposition
in der Aufnahme zu halten.
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Der
Füllgrad
der Aufnahme, bei dem die Fixierelemente zurückgezogen werden, liegt beispielsweise
bei ca. 95%.
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Die
Fixierelemente können
vorteilhaft hydraulisch bewegt werden, wie dies auch von herkömmlichen
Schiebern oder Kernzügen
in Spritzgusswerkzeugen bekannt ist. Ein anderer Antrieb für die Bewegung
der Fixierelemente ist selbstverständlich auch denkbar.
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Vorzugsweise
wird der von den Fixierelementen freigegebene Raum so befüllt, dass
das Bauteil, wenn es das Werkzeug verlässt, keine Öffnung aufweist, die von der
Außenseite
bis zum Träger reicht.
Die beim Umspritzen erzeugte Kunststoffumhüllung umgibt also das Trägerteil
auch im Bereich der Stellen, an denen die Fixierelemente bis zum
Träger
gereicht hatten, um diesen zu fixieren, vollständig.
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Insbesondere
bleiben keine Öffnungen
bestehen, die nachträglich
in einem weiteren Verfahrensschritt geschlossen werden müssen. Auf
diese Weise lässt
sich der Träger
dicht in Kunststoff einschließen,
so dass er vor Umwelteinflüssen
geschützt
ist.
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Vor
dem Schließen
des Werkzeugs kann der Träger
mit Kontaktpins versehen werden. Es ist auch möglich, die Kontaktpins separat
in das Werkzeug einzulegen und erst vor oder während des Spritzgussprozesses
durch Druckeinwirkung mit dem Träger zu
verbinden.
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Vor
dem Schließen
des Werkzeugs können ein
oder mehrere Schieber und/oder Kernzüge in das Werkzeug eingebracht
werden, um eine Steckeraufnahme zu definieren. Auf diese Weise lässt sich
während
des Umhüllens
des Trägers
gleichzeitig eine beliebig codierte Steckeraufnahme schaffen.
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Vorzugsweise
ragen die Kontaktpins im fertigen Bauteil in die Steckeraufnahme
und erlauben eine elektrische Kontaktierung des Trägers bzw.
der auf ihm angeordneten elektronischen Bauelemente.
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Das
Bauteil ist beispielsweise ein Sensor, etwa ein Beschleunigungssensor
oder Crash-Sensor, wie er in einem Fahrzeug vorgesehen sein kann. Das
Verfah ren eignet sich jedoch auch für beliebige andere Träger mit
darauf angeordneten elektronischen Bauelementen.
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Die
elektronischen Bauelemente können vorzugsweise
einen oder mehrere ASICs umfassen, sowie diverse andere Bauteile,
darunter auch Sensorelemente.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Werkzeug zur Herstellung eines elektronischen Bauteils mit einem
kunststoffumspritzten Träger,
mit zwei Werkzeugteilen, in denen im zusammengesetzten Zustand eine
Aufnahme für
den Träger
ausgebildet ist, und wenigstens einem beweglich angeordneten Fixierelement,
das in einer Fixierposition bis zu einer Trägerposition in das Innere der
Aufnahme hineinragt, und in einer zurückgezogenen Position so angeordnet
ist, dass ein Abstand zwischen dem Fixierelement und der Trägerposition
besteht.
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Unter
der „Trägerposition” ist hier
die Lage und der Raum zu verstehen, den ein in die Aufnahme eingelegter
Träger
einnimmt, wobei wie im vorher beschriebenen Verfahren der Träger bereits
mit sämtlichen
für das
Bauteil erforderlichen elektronischen Bauelementen bestückt ist.
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In
einem derartigen Werkzeug lässt
sich ein Träger
so mit Kunststoff Umspritzen, dass er nach außen vollständig dicht gegenüber der
Umgebung abgeschlossen ist.
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Vorzugsweise
ist das Fixierelement in Form eines Stiftes ausgebildet. Andere
Formen von Fixierelementen lassen sich jedoch auch verwenden.
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Es
ist vorteilhaft, wenn in jedem Werkzeugteil wenigstens ein Fixierelement
angeordnet ist, um eine genauere Positionierung und Fixierung des
Trägers
erreichen zu können.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
liegen sich die Fixierelemente in den jeweiligen Werkzeugteilen
gegenüber,
sodass eine besonders gleichmäßige Belastung
des Trägers
bei dessen Fixierung erfolgt.
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In
jedem Werkzeugteil können
mehrere Fixierelemente vorgesehen sein. Beispielsweise ist es möglich, in
jedem der Werkzeugteile drei Fixierelemente vorzusehen, die dann
vorzugsweise jeweils den drei Fixierelementen des anderen Werkzeugteils gegenüberliegen.
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Am
vorderen Ende des Fixierelements ist vorzugsweise eine Struktur
ausgebildet, die in eine komplementäre Struktur am Träger eingreifen
kann, um den Träger
während
der Einspritzphase sicher zu fixieren.
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Das
Werkzeug ist bevorzugt so ausgebildet, dass die Aufnahme zwischen
dem Träger
und einer Innenwand der Aufnahme vollständig mit flüssigem Kunststoff ausgefüllt werden
kann, wenn das Fixierelement in der zurückgezogenen Position ist. Dies
bedeutet, dass das Fixierelement vorzugsweise so weit zurückgezogen
werden kann, dass es im Wesentlichen flach in die umgebende Innenwand
der Aufnahme übergeht.
Auf diese Weise ist keine Nachbearbeitung des fertigen Bauteils
erforderlich.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 und 2 eine
schematische teilgeschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeugs
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wobei in 1 ein erstes Werkzeugteil und
in 2 ein zweites Werkzeugteil des Werkzeugs dargestellt
ist;
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3 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus 2; und
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4 ein
Bauteil, das in einem erfindungsgemäßen Werkzeug gemäß einem
erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.
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In
den 1 bis 3 ist ein Werkzeug zum Herstellen
eines elektronischen Bauteils mit einem kunststoffumspritzten Träger gezeigt,
wobei in 1 ein erstes, hier oberes Werkzeugteil 10 und
in 2 ein zweites, hier unteres Werkzeugteil 12 dargestellt ist.
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4 zeigt
ein Beispiel für
ein Bauteil 100 mit einem kunststoffumspritzten Träger, wie
es im gezeigten Werkzeug mit dem unten beschriebenen Verfahren hergestellt
werden kann. in diesem Fall handelt es sich bei dem Bauteil 100 um
einen Sensor mit einer Kunststoffumhüllung 102 und einem
in die Kunststoffumhüllung 102 eingebetteten
Träger 104.
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Der
Träger 104 umfasst
in diesem Fall ein Stanzgitter und einen oder mehrere darauf angebrachte
ASIC-Chips sowie weitere elektronische Bauelemente und Sensorkomponenten,
beispielsweise Widerstände.
Alle notwendigen elektronischen Bauelemente sind direkt auf dem
Stanzgitter angeordnet oder mit diesem direkt fest verbunden (hier nicht
weiter dargestellt). Zwei Kontaktpins 106 sind mit dem
Träger 104 fest
verbunden und stehen von diesem ab. Sie sorgen für die elektrische Kontaktierung
für die
Bauelemente auf dem Träger 104.
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Die
Kunststoffumhüllung 102 bildet
gleichzeitig die Außenoberfläche des
Bauteils. Die Kunststoffumhüllung 102 umschließt auch
eine Steckeraufnahme 108, in die die Kontaktpins 106 hineinragen. Zwischen
der Steckeraufnahme 108 und dem Bereich, in dem der Träger 104 angeordnet
ist, ist die Kunststoffumhüllung 102 so
ausgebildet, dass sie die Kontaktpins 106 dicht umschließt. Die
Steckeraufnahme 108 weist eine vorbestimmte Kodierung auf, um
sicherzustellen, dass nur der korrekte, zugehörige Stecker und dieser nur
in der korrekten Lage eingesteckt werden kann.
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Der
Träger 104 ist
nach allen Seiten vom Kunststoffmaterial der Kunststoffumhüllung 102 eingehüllt und
dicht gegenüber
der Umgebung abgeschlossen.
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Zur
Befestigung des Bauteils 100 z. B. an einer Fahrzeugkarosserie
ist eine Befestigungsmutter 110 vorgesehen, die am der
Steckeraufnahme 108 gegenüberliegenden axialen Ende des
Sensors vorgesehen ist. Die Befestigungsmutter 110 ist
in die Kunststoffumhüllung 102 eingebettet.
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Statt
eines Sensors können
auch beliebige andere Bauteile mit einem kunststoffumspritzten Träger in den
im Folgenden beschriebenen Verfahren und in dem im Folgenden beschriebenen
Werkzeug hergestellt werden.
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Das
Werkzeug weist zwei Werkzeugteile 10, 12 auf,
die zusammengesetzt und voneinander getrennt werden können und
bildet eine Spritzgussform, die für einen konventionellen Kunststoffspritzgussprozess
eingesetzt werden kann.
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Die
Werkzeugteile 10 und 12 bilden im zusammengesetzten
Zustand einen Hohlraum in Form einer Aufnahme 14 aus, wobei
im oberen Werkzeugteil 10 die obere Hälfte der Aufnahme 14 und
im unteren Werkzeugteil 12 die untere Hälfte der Aufnahme 14 ausgebildet
ist.
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In
die Aufnahme 14 wird im geöffneten Zustand des Werkzeugs
ein Träger 104 eingelegt,
in diesem Fall in das untere Werkzeugteil 12.
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Beim
Träger 104 handelt
es sich in diesem Beispiel um eine mit elektronischen Bauelementen bestückte Platine.
Natürlich
kann auch wie im Beispiel oben beschriebenen Bauteils 100 ein
etwa mit ASICs bestücktes
Stanzgitter oder ein ande rer geeigneter Träger mit geeigneten elektronischen
Bauelementen verwendet werden. Der Träger hat beispielsweise eine
Abmessung von ca. 25 × 22
mm.
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Der
Träger 104 ist
mit Abstand zu den Innenwänden 16 der
Aufnahme 14 in der Aufnahme 14 gehalten, und zwar,
indem in beiden Werkzeugteilen 10, 12 mehrere
Fixierelemente 18, hier in Stiftform, vorgesehen sind,
die zunächst
in die Aufnahme 14 hineinragen.
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Jedes
der Fixierelemente 18 hat ein Ende 20, das in
eine komplementäre
Struktur 22 am Träger 104 eingreift.
Im gezeigten Beispiel ist das Ende 20 durch eine mit einer
Schulter vom restlichen Fixierelement 18 abgesetzte, verjüngte Spitze
gebildet, während
die Struktur 22 durch eine durchgehenden Öffnung im
Träger 104 realisiert
ist. Die Spitze hat einen kleineren Durchmesser als die Öffnung,
während das
Fixierelement 18 an der Schulter einen größeren Durchmesser
als die Öffnung
aufweist. Dadurch liegt der Träger 104 jeweils
auf der Schulter des Fixierelements 18 des unteren Werkzeugteils 10 auf
und ist in seiner vertikalen Position bestimmt und fixiert, während er
durch die Enden 20 des jeweiligen Fixierelements 18 in
seiner horizontalen Position bestimmt und fixiert ist.
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Die
Fixierelemente 18 sind beweglich angeordnet und werden über eine
Hydraulik (nicht gezeigt) linear verfahren. In einer ersten, vorgeschobenen
Position ragen die Enden 20 ein Stück in die Aufnahme 14 hinein.
In einer zweiten, zurückgezogenen Position
sind die Fixierelemente 18 soweit zurückgezogen, dass ihre Enden 20 zumindest
im Wesentlichen bündig
mit der Innenwand 16 der Aufnahme 14 abschließen.
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Die
Fixierelemente 18 des unteren Werkzeugteils 12 werden
vor dem Einlegen des Trägers 104 in
die Aufnahme 14 hinein verfahren und der Träger 104 dann
so auf die Fixierelemente 18 aufgelegt, dass die Enden 20 in
die Strukturen 22 eingreifen. Auf diese Weise ist eine
vorbestimmte Trägerposition des
Trägers 104 festgelegt.
Die Fixierelemente 18 bilden zu diesem Zeitpunkt die einzigen
Auflagepunkte des Trägers 104,
so dass der Träger 104 keinen
Kontakt mit den Innenwänden 16 der
Aufnahme 14 hat.
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Am
Träger 104 werden
in diesem Beispiel zwei elektrische Kontaktpins 106 befestigt,
bevor der Träger 104 in
die Aufnahme 14 eingelegt wird.
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Alternativ
könnte
die Verbindung zwischen dem Träger 104 und
den Kontaktpins 106 auch erst kurz vor dem Spritzgießen, z.
B. beim Einlegen in die Aufnahme 14 oder erst während des
Spritzgussprozesses entstehen.
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Die
Kontaktpins 106 ragen in einen Bereich des Werkzeugs, der
später
eine Steckeraufnahme 108 definiert. Um diese Steckeraufnahme 108 herzustellen,
ist ein Schieber 24 vorgesehen, der auf bekannte Art über die
Kontaktpins 106 geschoben wird, um den Platz für die Steckeraufnahme 108 freizuhalten.
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Der
Schieber 24 ist so ausgebildet, dass er eine vorbestimmte
Steckerkodierung vorgibt, um später
ein Verpolen eines Steckers, der die Kontaktpins 106 kontaktieren
soll, zu verhindern.
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In
die Aufnahme 14 wird außerdem an einer dafür vorgesehenen
Stelle die Befestigungsmutter 110 eingelegt, so dass diese
während
des Spritzgussprozesses ebenfalls gleichzeitig in der Kunststoffumhüllung 102 eingebettet
wird.
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Anschließend wird
das Werkzeug geschlossen, indem das obere Werkzeugteil 10 auf
das untere Werkzeugteil 12 aufgesetzt wird.
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Die
Fixierelemente 18 im oberen Werkzeugteil 10 sind
entweder bereits in ihre erste, vorgeschobene Position ausgefahren
oder werden nach dem Aufsetzen des Werkzeugteils 10 ausgefahren,
sodass sie ebenfalls in Kontakt mit dem Träger 104 kommen.
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Bei
der hier gezeigten Ausführungsform
sind die Fixierelemente 18 im oberen Werkzeugteil 10 identisch
zu denen im unteren Werkzeugteil 12 ausgebildet.
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Im
vorliegenden Fall sind in jedem Werkzeugteil drei Fixierelemente 18 vorgesehen,
die sich bei geschlossenem Werkzeug exakt gegenüberliegen, so dass der Träger 104 ohne
Querbelastungen gehalten ist.
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Im
nächsten
Verfahrensschritt wird flüssiger Kunststoff
unter einem vorbestimmten ersten Druck in das Werkzeug eingespritzt.
Das Einspritzen erfolgt hier mit dem üblichen Einspritzdruck, den
eine herkömmliche
Spritzgussmaschine aufbaut. Während der
Einspritzphase wird ein Großteil
des vorgesehenen Kunststoffmaterials in die Aufnahme 14 eingebracht.
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Bei
einem vorbestimmten Füllgrad
der Aufnahme 14, hier ca. 95%, endet die Einspritzphase, und
die Nachdruckphase wird eingeleitet, wie dies von herkömmlichen
Kunststoffspritzgussprozessen bekannt ist. Hierbei wird der Druck
auf einen vorbestimmten zweiten Wert reduziert, der in diesem Beispiel
dem herkömmlich
verwendeten Wert für
den Nachdruck entspricht. Dieser zweite Druck während der Nachdruckphase ist
jedoch immer noch hoch genug, um weiteres Material in die Aufnahme 14 hineinzupressen.
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Zu
Beginn der Nachdruckphase oder zu einem vorbestimmten Zeitpunkt
während
der Nachdruckphase werden in einem weiteren Verfahrensschritt die
Fixierelemente 18 in ihre zweite Position zurückgezogen,
so dass sie ihren Kontakt mit dem Träger 104 verlieren
und ein Zwischenraum zwischen dem Träger 104 und der Wand
der Aufnahme 14 bzw. den Enden 20 der Fixierelemente 18 frei wird.
Die Kunststoffmasse in der Aufnahme 14, die den Träger 104 umgibt,
ist zu diesem Zeitpunkt bereits soweit erstarrt, dass sich die Position
des Trägers 104 nicht
mehr verändert,
wenn die Fixierelemente 18 zurückgezogen werden. Jedoch ist
ein Teil der Masse noch fließfähig genug,
so dass sich die von den Fixierelementen 18 freigegebenen
Volumina weitgehend oder vollständig
mit flüssigem
Kunststoff auffüllen.
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Auf
diese Weise entsteht eine Kunststoffumhüllung 102, die den
Träger 104 auf
allen Seiten vollständig
umgibt. Insbesondere bleiben keine Öffnungen zurück, die
von der Außenoberfläche der
Kunststoffumhüllung 102 nach
innen bis zum Träger 104 reichen.
Auch in den Bereichen, in denen ursprünglich die Fixierelemente 18 am
Träger 104 angegriffen haben,
ist die Kunststoffumhüllung 102 nach
Abschluss des Verfahrens vollständig
geschlossen.
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Wenn
die Nachdruckphase beendet ist, wird nach Anschluss an die erforderliche
Kühlzeit
beim Öffnen
des Werkzeugs der Schieber 24 zurückgezogen und dann das fertige
Bauteil entnommen.
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In
nur einem einzigen Arbeitsschritt erfolgt sowohl die vollständige Einbettung
des Träger 104 in die
Kunststoffumhüllung 102,
die den Träger 104 komplett
umschließt,
als auch das Ausbilden der Steckeraufnahme 108.