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WO2011035771A1 - Verfahren zum verschweissen eines kunststoffgehäuses - Google Patents

Verfahren zum verschweissen eines kunststoffgehäuses Download PDF

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WO2011035771A1
WO2011035771A1 PCT/DE2010/001122 DE2010001122W WO2011035771A1 WO 2011035771 A1 WO2011035771 A1 WO 2011035771A1 DE 2010001122 W DE2010001122 W DE 2010001122W WO 2011035771 A1 WO2011035771 A1 WO 2011035771A1
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WO
WIPO (PCT)
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circuit board
housing
force
welding
shaped section
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/DE2010/001122
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English (en)
French (fr)
Inventor
Henryk Frenzel
Volker Müller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive GmbH filed Critical Continental Automotive GmbH
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    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/161—Cap
    • H01L2924/163—Connection portion, e.g. seal
    • H01L2924/16315—Shape

Definitions

  • the invention relates to a method for welding a plastic housing according to the preamble of claim 1.
  • a circuit carrier such as a circuit board is arranged inside the housing, which in turn must be attached to a housing half, especially if acceleration sensitive sensors are arranged on this circuit substrate, which a correspondingly rigid attachment for receiving the sensed Need accelerations.
  • an oil filter in eime plastic housing is also known, in which the elsesiche filter medium is bent by a clamping rib in a formation, a part of the filter medium, the clamping rib engages behind and is secured substantially form-fitting manner, wherein the plastic housing
  • the object of the present invention is to provide a method for welding a plastic housing, in which particularly inexpensive and yet secure the circuit board can be attached.
  • the circuit board is inserted.
  • An essential idea of the invention is that on the other housing part a molding is provided towards the circuit board and the housing part is pressed with the molding during welding in the direction of the circuit board, preferably until a predetermined counterforce is achieved, and also during cooling a predetermined force is exerted on the housing part with the shaping, so that a frictional attachment of the circuit board in the housing is achieved.
  • the pressing ensures a fixation of the printed circuit board in the predetermined position and prevents floating of the circuit board and the spread of melt in critical regions of the circuit board.
  • the pressing causes a spring-like tension of the housing part with the shape.
  • the preferred laser welding is always discussed below in the embodiments, however, the invention is also suitable for other forms of local welding, such as friction welding, ultrasonic welding, etc.
  • the invention is a new concept for closing a plastic housing with a lid, with simultaneous attachment of a circuit board, during a welding operation, for example via a laser.
  • the goal is the PCB so too
  • the circuit board is fixed by stops on the lid frictionally in the housing.
  • the joining path is, by the stops, depending on the board thickness. He is for example at 0.4-0.8mm.
  • the fixation of the PCB is always done with different thickness tolerances of the PCB with the same force and over the life of a secure fixed fixation is generated, for example suitable for vibration-free mounting of the PCB without additional components (eg screws, gluing) and transmission of crash pulses.
  • a watertight housing closure takes place.
  • the advantage of this concept is that it is necessary to attach the circuit board and closing the housing only one operation. Furthermore, the mounting surface of the circuit board is much larger than the conventional hot gas riveting. However, the space requirement on the circuit board is lower because the contact surfaces affect only the edge zone of the circuit board.
  • This edge zone in turn is defined as a barrier zone due to the separation of the individual circuit board from the benefit. Due to the larger contact surface preload losses caused by creep of the plastic are not disturbing in appearance.
  • this method is very reliable, since the sweat path is controlled by means of a force evaluation. Therefore, the welding process can be stopped when the biasing force increases (after the stops on the printed circuit board have come to rest) without overstressing the printed circuit board.
  • the welding of a lid is much more material-saving than the casting of the circuit board.
  • a welding process also saves considerable time because the welded joint cools faster and does not have to dry.
  • the electrical contacting of the circuit board can be done both in a conventional manner, with Pressfitein expertsn, as well as with single pins or direct connections.
  • FIG. 1 embodiment with the housing cover, housing base and circuit board at the beginning of the welding process.
  • Fig. 2 embodiment with the housing cover, housing base and circuit board after
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment with the housing cover 1, the housing lower part 2 and the printed circuit board 3 at the beginning of the welding process.
  • a molding 1.1 is provided to the circuit board.
  • the lower housing part 2 has a molding 2.1 with an oversize, wherein this excess results in relation to the outer nose 1.3 and / or with respect to the molding 1.1 on the cover and determines a defined volume of material melt, which is melted during welding.
  • a laser beam penetrates the cover 1 at the location and direction shown and heats the molding 2.1 of the opposite housing lower part 2.
  • the lid 1 is designed by appropriate choice of material at least in the area irradiated by the laser so that it lets pass a large portion of the laser light to the surface 2.1.1 of the opposite formation 2.1, while there by appropriate choice of material, for example. Introduction of soot particles, etc. a particularly high absorption and thus conversion of the laser light into heat and thus production of plastic melt is effected.
  • the cover 1 has a shape 1.1 to the circuit board 3 out.
  • a compression of the housing parts 1, 2 to each other and the welding is only terminated when a predetermined counterforce is reached or a predetermined Verpressweg the housing parts 1, 2 was covered to each other.
  • a corresponding increase in the counterforce is achieved when the molding 1.1 touches the circuit board 3 and a bias in the lid 1 is formed.
  • the molding 1.1 may be partially or preferably completely encircling and thus form a further seal and natural barrier for the melt produced during welding.
  • this molding 1.1 can be the printed circuit board 3 during cooling PCB 3 prevents. Since the plastic material also shrinks during cooling, the tension and fixation of the printed circuit board 3 in the housing is only improved.
  • An outer nose 2.6 here formed on the housing base, additionally protects the weld against objects acting directly on it.
  • FIG. 3 shows a typical force curve over the adjustment path s of the cover relative to the printed circuit board with a clear increase in the counterforce when the printed circuit board is reached in T1, which thus activates the shutdown in T2.
  • a counterforce Fmax be given for shutdown, which is dimensioned so that it ensures just a tension between the circuit board and the lid.
  • the change in the increase ie the relative change in the force over the adjustment path AF / AS or over the time AF / AT can be taken into account.

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Abstract

In ein Gehäuseteil (2) wird die Leiterplatte (3) eingelegt. Am anderen Gehäuseteil (1) ist eine Ausformung (1.1) zur Leiterplatte (3) hin vorgesehen und wird das Gehäuseteil (1) mit der Ausformung (1.1) während des Verschweißens in Richtung der Leiterplatte (3) gepresst, vorzugsweise so lange, bis eine vorgegebene Gegenkraft erreicht wird. Zudem wird auch beim Auskühlen eine vorgegebene Kraft auf das Gehäuseteil (1) mit der Ausformung (1.1) ausgeübt und so die Leiterplatte (3) kraftschlüssig im Gehäuse fixiert. Während des Verschweißens sorgt das Anpressen für eine Fixierung der Leiterplatte (3) in der vorgegebenen Position und verhindert ein Aufschwimmen der Leiterplatte (3) und die Ausbreitung von Schmelze in kritische Regionen der Leiterplatte. Zudem bewirkt das Anpressen eine federartige Verspannung des Gehäuseteils (1) mit der Ausformung (1.1). Durch das Halten einer vorgegebenen Kraft während des Auskühlens bleibt die Leiterplatte (3) durch die Ausformung (1.1) im Gehäuse fixiert und kann sich die Verspannung nicht abbauen, sondern wird durch das Schrumpfen des Materials beim Aushärten eher noch verstärkt. Dadurch wird sichergestellt, dass auch nach dem Aushärten die Ausformung (1.1) mit einer vorgegebenen Kraft auf die Leiterplatte (3) drückt und diese somit äußerst sicher kraftschlüssig im Gehäuse fixiert.

Description

Verfahren zum Verschweißen eines Kunststoffgehäuses
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen eines Kunststoffgehäuses gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Zum Verschließen von Kunststoffgehäusen insbesondere elektronischer Baugruppen, wie Kraftfahrzeugsteuergeräten wird mittlerweile häufig ein Verschweißen der Kunststoffteile eingesetzt, wobei die Einbringung der Wärmeenergie durch den Laser besonders bevorzugt ist, weil dabei die Wärmeenergie besonders genau an die innere Verbindungsstelle zwischen den Gehäuseteilen eingebracht werden kann und ein besonders gleichmäßiger und allseits dichter Schweißvorgang erreicht werden kann.
Bei elektronischer Baugruppen, wie beispielsweise Kraftfahrzeugsteuergeräten ist im Inneren des Gehäuses ein Schaltungsträger, wie beispielweise eine Leiterplatte angeordnet, die ihrerseits an einer Gehäusehälfte befestigt werden muss, insbesondere wenn auf diesem Schaltungsträger beschleunigungsempfindliche Sensoren angeordnet sind, welche eine entsprechend starre Befestigung zur Aufnahme der zu sensierenden Beschleunigungen benötigen.
Aus der DE 102005000160 A1 ist dabei ein Verfahren und eine Vorrichtung zum formschlüssigen Verbinden zweier Bauteile durch plastische Deformation eines Bauteils während eines Laserschweißvorgangs bekannt, wobei an einer Gehäuseseite ein Bolzen durch ein Öffnung in der Leiterplatte geführt und dieser Bolzen durch Laserstrahlung erwärmt und durch Druck so umgeformt wird, dass sich ein Nietkopf bildet. Dieses Verfahren setzt das Einbringen von Laserstrahlung an zwei unterschiedlichen Positionen des Gehäuses sowie Öffnungen für die Bolzen auf der Leiterplatte voraus, so dass die nutzbare Leiterplattenfläche reduziert wird.
Aus der DE19860357 A1 ist darüber hinaus ein Ölfilter in eime Kunststoffgehäuse bekannt, bei dem das elastsiche Filtermedium durch in einer Klemmrippe um eine Ausformung gebogen wird, ein Teil des Filtermediums die Klemmrippe hintergreift und so im wesentlichen formschlüssig befestigt wird, wobei das Kunststoffgehäuse durch Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verschweißen eines Kunststoffgehäuses anzugeben, bei dem besonders preiswert und dennoch sicher die Leiterplatte befestigt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sind aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
In ein Gehäuseteil wird die Leiterplatte eingelegt. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass am anderen Gehäuseteil eine Ausformung zur Leiterplatte hin vorgesehen ist und das Gehäuseteil mit der Ausformung während dem Verschweißen in Richtung der Leiterplatte gepresst wird, vorzugsweise so lange bis eine vorgegebene Gegenkraft erreicht wird, und zudem auch beim Auskühlen eine vorgegebene Kraft auf das Gehäuseteil mit der Ausformung ausgeübt wird, so dass eine kraftschlüssige Befestigung der Leiterplatte im Gehäuse erreicht wird.
Während des Verschweißens sorgt das Anpressen für eine Fixierung der Leiterplatte in der vorgegebenen Position und verhindert ein Aufschwimmen der Leiterplatte und die Ausbreitung von Schmelze in kritische Regionen der Leiterplatte. Zudem bewirkt das Anpressen eine federartige Verspannung des Gehäuseteils mit der Ausformung. Durch das Halten einer vorgegebenen Kraft während dem Auskühlen bleibt die Leiterplatte durch die Ausformung im Gehäuse fixiert und kann sich die Verspannung nicht abbauen, sondern wird durch das Schrumpfen des Materials beim Aushärten eher noch verstärkt. Dadurch wird sichergestellt, dass auch nach dem Aushärten die Ausformung mit einer vorgegebenen Kraft auf die Leiterplatte drückt und diese somit äußerst sicher kraftschlüssig im Gehäuse fixiert.
Es ist dabei hervorzuheben, dass es für die Erfindung völlig unerheblich ist, welches der Gehäuseteile Deckel bzw. Unterteil sind und ob die nachfolgend diskutierten Ausformungen am Deckel bzw. Unterteil vorhanden sind. Einzig deren relative Lage zur Leiterplatte ist für die Funktionsweise relevant.
Auch wird im folgenden in den Ausführungsbeispielen immer das bevorzugte Laserschweißen diskutiert, ist jedoch die Erfindung auch für andere Formen der lokalen Verschweißung, wie Reibschweißen, Ultraschallschweißen usw. geeignet.
Bei der Erfindung handelt es sich also um ein neues Konzept zum Verschließen eines Kunststoffgehäuses mit einem Deckel, bei gleichzeitiger Befestigung einer Leiterplatte, während eines Schweißvorganges, z.B. via Laser. Das Ziel ist es die Leiterplatte so zu So wird die Leiterplatte durch Anschläge am Deckel kraftschlüssig im Gehäuse befestigt. Der Fügeweg ist, durch die Anschläge, abhängig von der Leiterplattendicke. Er liegt beispielsweise bei 0,4-0,8mm. Durch dieses Verfahren bzw. Design erfolgt die Fixierung der PCB selbst bei unterschiedlichen Dickentoleranzen der PCB immer mit der gleichen Kraft und wird über die Lebensdauer eine sichere feste Fixierung erzeugt, die z.B. geeignet für vibrationsfreie Montage der PCB ohne zusätzliche Bauteile (z.B. Schrauben, Kleben) und Übertragung von Crashimpulsen. Parallel erfolgt auch ein wasserdichter Gehäuseverschluß.
Der Vorteil dieses Konzeptes besteht darin das zum Befestigen der Leiterplatte und Verschließen des Gehäuses nur noch ein Arbeitsgang notwendig ist. Weiterhin ist die Befestigungsfläche der Leiterplatte weit größer als beim herkömmlichen Heißgasnieten. Wobei der Platzbedarf auf der Leiterplatte aber geringer ist, da die Auflageflächen nur die Randzone der Leiterplatte beeinträchtigen.
Diese Randzone wiederum ist aufgrund der Trennung der einzelnen Leiterplatte aus dem Nutzen als Sperrzone definiert. Durch die größere Kontaktfläche treten Vorspannverluste durch Kriechen des Kunststoffes nicht störend in Erscheinung.
Neben den genannten Vorteilen ist dieses Verfahren sehr prozesssicher, da der Schweißweg mithilfe einer Kraftauswertung gesteuert wird. Daher kann der Schweißprozess beim Anstieg der Vorspannkraft (nach Aufliegen der Anschläge auf die Leiterplatte) gestoppt werden, ohne dass die Leiterplatte zu stark beansprucht wird. Außerdem ist das Verschweißen eines Deckels erheblich materialsparender als das Vergießen der Leiterplatte. Neben der Materialersparnis gegenüber dem Verguss spart ein Schweißvorgang auch erheblich Zeit da die Schweißverbindung schneller auskühlt und nicht trocknen muss. Die elektrische Kontaktierung der Leiterplatte kann sowohl auf herkömmliche Art, mit Pressfiteinsätzen, als auch mit Einfach-Pins oder direkten Verbindungen erfolgen.
Der entscheidende Punkt ist das während eines Schweißvorganges sowohl die Leiterplatte fixiert als auch das Gehäuse verschlossen wird. Bei bisherigen Anwendungen sind diese beiden Arbeitsschritte immer voneinander getrennt.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Zuhilfenahme der Figuren 1 bis 2 näher erläutert. Im Folgenden können für funktional gleiche und/oder gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sein. Es zeigen Fig. 1: Ausführungsbeispiel mit Gehäusedeckel, Gehäuseunterteil und Leiterplatte zu Beginn des Schweißvorgangs.
Fig. 2: Ausführungsbeispiel mit Gehäusedeckel, Gehäuseunterteil und Leiterplatte nach
Beendigung des Schweißvorgangs.
Fig. 3 Skizze des Kraftverlaufs
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit Gehäusedeckel 1, Gehäuseunterteil 2 und Leiterplatte 3 zu Beginn des Schweißvorgangs. Am Deckel 1 ist eine Ausformung 1.1 zur Leiterplatte hin vorgesehen.
Das Gehäuseunterteil 2 weist eine Ausformung 2.1 mit einem Übermaß auf, wobei dieses Übermaß sich gegenüber der äußeren Nase 1.3 und/oder gegenüber der Ausformung 1.1 am Deckel ergibt und ein definiertes Materialvolumen an Schmelze bestimmt, welches während des Schweißens aufgeschmolzen wird.
So durchdringt ein Laserstrahl an der gezeigten Stelle und Richtung den Deckel 1 und erwärmt die Ausformung 2.1 des gegenüberliegenden Gehäuseunterteils 2.
Der Deckel 1 ist durch entsprechende Materialwahl zumindest in dem vom Laser durchstrahlten Bereich so gestaltet, dass er einen großen Anteil des Laserlichts zur Oberfläche 2.1.1 der gegenüberliegenden Ausformung 2.1 hindurchläßt, während dort durch entsprechende Materialwahl, bspw. Einbringung von Russpartikeln usw. eine besonders hohe Absorption und damit Umwandlung des Laserlichts in Wärme und damit Erzeugung von Kunststoffschmelze bewirkt wird.
Der Deckel 1 weist eine Ausformung 1.1 zur Leiterplatte 3 hin auf. Während dem Verschweißen erfolgt ein Zusammenpressen der Gehäuseteile 1 ,2 zueinander und wird das Verschweißen erst dann beendet, wenn eine vorgegebene Gegenkraft erreicht oder ein vorgegebener Verpressweg der Gehäuseteile 1 ,2 zueinander zurückgelegt wurde. Ein entsprechender Anstieg der Gegenkraft wird dann erreicht, wenn die Ausformung 1.1 auf die Leiterplatte 3 aufsetzt und eine Vorspannung im Deckel 1 entsteht.
Die Ausformung 1.1 kann dabei partiell oder vorzugsweise komplett umlaufend ausgebildet sein und so eine weitere Abdichtung und natürliche Barriere für die beim Schweißen entstehende Schmelze bilden.
Wird die Leiterplatte 3 in das Gehäuseunterteil 2 an der Auflagefläche 2.2 eingelegt und erreicht die Ausformung 1.1 zumindest zum Endzeitpunkt des Verschweißens die Leiterplatte 3, so kann diese Ausformung 1.1 die Leiterplatte 3 während des Auskühlens Leiterplatte 3 verhindert. Da das Kunststoffmaterial beim Abkühlen zudem schrumpft, wird die Verspannung und Fixierung der Leiterplatte 3 im Gehäuse nur noch verbessert.
Eine äußere Nase 2.6, hier ausgeformt am Gehäuseunterteil, schützt zusätzlich die Schweißnaht gegen direkt darauf einwirkende Objekte.
Die Figur 3 zeigt einen typischen Kraftverlauf über den Verstellweg s des Deckels relativ zur Leiterplatte mit einem deutlichen Anstieg der Gegenkraft bei Erreichen der Leiterplatte in T1, was damit die Abschaltung in T2 aktiviert. So kann eine Gegenkraft Fmax zur Abschaltung vorgegeben sein, die so dimensioniert ist, dass diese eben eine Verspannung zwischen Leiterplatte und Deckel sicherstellt. Alternativ kann auch die Veränderung des Anstiegs, also die relative Änderung der Kraft über den Verstellweg AF/AS oder über die Zeit AF/AT berücksichtigt werden.
Bezugszeichenliste
1 Deckel
1.1 Ausformung am Deckel zur Leiterplatte hin
1.2 Aufnahmeraum für Schmelze zwischen der Ausformung am Deckel und einer Ausformung am Gehäuseunterteil zum Deckel hin
1.3 Äußere Nase am Deckel
2 Gehäuseunterteil
2.1 Ausformung am Gehäuseunterteil zum Deckel hin
2.1.1 Oberseite an der Ausformung 2.1
2.1.2 Abflussphase an der Ausformung 2.1
2.2 Auflagefläche für Leiterplatte
2.3 Aufnahmeraum zur Gehäuseaußenseite für überschüssige Schmelze
2.4 Zur Leiterplatte hin abgeflossene und erhärtete Schmelze
2.5 Zur Gehäuseaußenseite abgeflossene Schmelze
2.6 Äußere Nase am Gehäuseunterteil
3 Leiterplatte
F Kraft
S Verstellweg

Claims

Patentansprüche
1) Verfahren zum Verschweißen eines Kunststoffgehäuses bestehend aus zwei Gehäuseteilen, wobei im Gehäuse eine elektronische Leiterplatte angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
- in ein Gehäuseteil die Leiterplatte eingelegt wird,
- am anderen Gehäuseteil eine Ausformung zur Leiterplatte hin vorgesehen ist,
- das Gehäuseteil mit der Ausformung während dem Verschweißen in Richtung der Leiterplatte gepresst wird und
- beim Auskühlen eine vorgegebene Kraft auf das Gehäuseteil mit der Ausformung ausgeübt wird
- und nach dem Auskühlen die Leiterplatte durch die Ausformung kraftschlüssig im Gehäuse fixiert ist.
2) Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißens die auf das Gehäuseteil mit der Ausformung einwirkende Kraft erfasst und daraus der Zeitpunkt der Beendigung des Schweißens abgeleitet wird.
3) Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißens der Verstellweg des Gehäuseteils mit der Ausformung relativ zum anderen Gehäuseteil und/oder der Leiterplatte erfasst und daraus der Zeitpunkt der Beendigung des Schweißens abgeleitet wird.
4) Elektronische Baugruppe bestehend aus einem Kunststoffgehäuse mit zwei Gehäuseteilen, wobei im Gehäuse eine elektronische Leiterplatte angeordnet ist, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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