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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baueinheit mit einem Substrat, beispielsweise eine Leiterplatte, auf dem bzw. auf der elektronische Komponenten aufgebracht werden, und wobei ein Gehäuse bereitgestellt wird, in oder an dem die elektronischen Komponenten wenigstens teilweise aufgenommen werden.
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STAND DER TECHNIK
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Elektronische Baueinheiten im Sinne der vorliegenden Erfindung können Sensoreinheiten oder beispielsweise Steuereinheiten zur Anwendung in einem Fahrzeug betreffen, und ein Großteil der in Fahrzeugen verbauten elektronischen Baueinheiten besteht aus einem Steuergerät und zugehöriger Sensorik oder einer Sensorbox. Das Steuergerät verarbeitet hierbei die Informationen, welche von den häufig dezentral verteilten Sensoren detektiert werden. Beispiele hierfür sind Ultraschalleinparksensoren, die in den Stoßfängern des Fahrzeuges vorhanden sind, oder ein Beispiel bildet der Airbag oder bilden ESP-Sensoren, die im Fahrgastraum vorhanden sind, und die mit zuständigen Steuergeräten beispielsweise im Motorraum des Fahrzeugs kommunizieren.
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In 1 ist eine elektronische Baueinheit mit einem Aufbau gemäß dem Stand der Technik gezeigt, und auf einem Substrat 10, beispielsweise also einer Leiterplatte, sind elektronische Komponenten 11 aufgebracht und bilden das eigentliche Steuergerät, und wobei das Substrat 10 und die elektronischen Komponenten in einem Gehäuse 12 aufgenommen sind, wobei das Gehäuse 12 die elektronischen Komponenten 11 im Wesentlichen vollständig umschließt. Das Gehäuse 12 bildet ein sogenanntes Second-Level-Sensorgehäuse und bildet damit ein Gehäuse 12, das um die gesamte Elektronik herum ausgebildet ist, sodass diese mit dem Substrat 10 und den Komponenten 11 im Gehäuse 12 angeordnet sind, beispielsweise hermetisch dicht und geschützt vor Feuchtigkeit, Verunreinigungen und mechanischen Einwirkungen.
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Zur Kontaktierung der elektronischen Baueinheit 1 mit einer Peripherie, also beispielsweise mit einem Gegenstecker 17, der im Fahrzeug vorhanden ist, weist das Gehäuse 12 einen Kontaktsteckerteil 13 auf, welcher einteilig und materialeinheitlich mit dem Gehäuse 12 ausgebildet ist. Das Gehäuse 12 und der Kontaktsteckerteil 13 sind beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet und im Spritzgussverfahren hergestellt. Aufgrund der notwendigen und häufig genormten Steckergeometrie kann der Kontaktsteckerteil 13 einen wesentlichen Bestandteil des gesamten Gehäuses 12 bilden. Die immer kleiner werdende Elektronik bietet die vorteilhafte Integration in technische Systeme mit einem immer geringeren Platzbedarf, wobei der Trend der Miniaturisierung häufig limitiert ist durch die Ausgestaltung des Second-Level-Gehäuses. Sofern das Gehäuse beispielsweise mit einem Deckel oder mit zwei schalenartigen Hälften bereitgestellt wird, wird das Substrat mit den elektronischen Komponenten in das Gehäuse eingelegt und das Gehäuse wird verschlossen. Häufig ist durch die flächige Erstreckung des Substrates und durch die unterschiedlichen Größen der aufgebrachten Elektronikkomponenten ein nur geringer Raumnutzungsgrad im Gehäuse erzielbar, sodass der Miniaturisierung der Elektronik mit der Konstruktion des Gehäuses nicht grundsätzlich gefolgt werden kann.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer elektronischen Baueinheit mit einem verbesserten Gehäuse. Dabei soll das Gehäuse der Ausgestaltung des Substrates und der elektronischen Komponenten möglichst angepasst sein. Zudem soll das Gehäuse die Möglichkeit einer Funktionsintegration bieten.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Baueinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ausgehend von einer elektronischen Baueinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 9 mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse mittels einer 3D-Drucktechnik, insbesondere direkt aufbauend, aufbauend über dem Substrat erzeugt wird.
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Kern der Erfindung ist eine völlig neuartige Ausgestaltung eines Gehäuses am Endprodukt, wobei das Gehäuse mit einer 3D-Drucktechnik erzeugt wird, welche Drucktechnik aus dem Rapid-Prototyping bekannt ist. Zunächst wird also auf bekannte Weise ein Substrat bereitgestellt, auf dem elektronische Komponenten aufgebaut werden, und anschließend wird das Substrat mit den elektronischen Komponenten in eine Anlage gegeben, mit der das Gehäuse auf Basis einer 3D-Drucktechnik aufgebaut werden kann. Das Aufbauen des Gehäuses erfolgt dabei beginnend auf dem Substrat selbst, beispielsweise im Randbereich. Die 3D-Drucktechnik kann beispielsweise gebildet sein durch ein sogenanntes selektives Lasersintern für Polymere, durch eine Stereolithographie, durch ein Digital Light Processing Verfahren für flüssige Kunstharze, durch ein Polyjet-Modeling oder durch Fused Deposition Modeling für Kunststoffe, wobei auch teilweise Kunstharze in jedem oder in einigen der Verfahren verarbeitet werden können. Dabei ist eine Auswahl von Thermoplasten oder Duroplasten möglich. Elektrisch leitfähige Strukturen können durch eine entsprechende Modifikation der zuvor genannten Materialien oder aber durch Laser- bzw. Elektronstrahlschmelzen von Metallen erzeugt werden. Durch die Verwendung einer 3D-Drucktechnik mit erreichbaren minimalen Auflösungen von 25 µm und weniger und damit sehr kompakten Druckköpfen kann um die kleinbauenden Elektronikkomponenten ein Gehäuse aufgebaut werden, welches durch das sehr flexible Verfahren der 3D-Drucktechnik an die geometrischen Abmessungen der Komponenten angepasst werden kann.
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Gemäß einer weiterführenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Gehäuse einen Kontaktsteckerteil aufweisen, der gemeinsam mit dem Gehäuse mit der 3D-Drucktechnik erzeugt wird. Der Kontaktsteckerteil dient zur elektrischen Kontaktierung eines Gegensteckers, welcher beispielsweise in einem Fahrzeug vorhanden ist. Der Kontaktsteckerteil ist vorteilhafterweise mit einem Klick-Verschluss ausführbar, oder es sind alternative Verbindungsmöglichkeiten durch Reibung, Schrauben, Kleben oder dergleichen möglich, sodass der angeformte Kontaktsteckerteil am Gehäuse jede beliebige Ausgestaltung annehmen kann. Der Vorteil bei der 3D-Drucktechnik entsteht insbesondere dadurch, dass beliebige Geometrien erzeugbar sind, sodass auch Hinterschnitte, Rasthaken, Feder-Nut-Geometrien oder dergleichen erzeugt werden können.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens der 3D-Drucktechnik besteht darin, dass das Gehäuse mit unterschiedlichen Aufbauwerkstoffen ausgeführt werden kann. Beispielsweise kann das Gehäuse eine Grundstruktur aus einem mechanisch belastbaren Material aufweisen, und es können Abschnitte im Gehäuse vorgesehen werden, die beispielsweise gummielastische Eigenschaften aufweisen, etwa zur Erzielung einer Dichtwirkung.
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Mit weiterem Vorteil ist vorgesehen, dass das Gehäuse Leiter- und Kontaktelemente aufweist, die gemeinsam mit dem Gehäuse mittels der 3D-Drucktechnik hergestellt werden. Die Leiter- und Kontaktelemente weisen metallische Werkstoffe auf, die gemeinsam mit Kunststoffwerkstoffen für das Gehäuse selbst mittels der 3D-Drucktechnik gleichzeitig hergestellt werden können. Dadurch wird erreicht, dass bei einer Ausgestaltung des Gehäuses mit einem Kontaktsteckerteil die Leiter- und Kontaktelemente unmittelbar einteilig mit dem Gehäuse bereits hergestellt und auf dem Substrat kontaktiert werden. Hierfür weist das Substrat beispielsweise vorbereitete Kontaktflächen auf, auf denen die metallischen Leiter- und Kontaktelemente so aufgebaut werden, dass diese sich vom Substrat bis in den Kontaktsteckerteil hinein erstrecken. So können zungen- oder stiftartige Kontaktelemente ausgebildet werden, die mit einem Gegenstecker in an sich bekannter Weise kontaktiert werden können. Jedoch ist der Kontaktsteckerteil erfindungsgemäß gemeinsam mit den Leiter- und Kontaktelementen mit einer 3D-Drucktechnik hergestellt.
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Ein weiterer Vorteil wird erreicht, wenn auf dem Substrat zum 3D-Aufbau des Gehäuses eine Oberflächenbehandlung vorgenommen wird. Die Oberflächenbehandlung kann beispielsweise zur Bildung von Furchen und/oder Gräben und/oder zur Anwendung von Haftvermittlern auf dem Substrat vorgesehen werden, um eine Haftung des Aufbauwerkstoffes zur Bildung des Gehäuses mit der 3D-Drucktechnik zu gewährleisten. Die Oberflächenbehandlung kann zugleich erfolgen mit der Herstellung der entsprechenden Kontaktflächen zur elektrischen Anbindung der Leiter- und Kontaktelemente.
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Gemäß einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrere elektronische Baueinheiten in einem Nutzen aufgenommen, wobei das Gehäuse jedes der elektronischen Baueinheiten mittels einer 3D-Drucktechnik aufbauend über dem Substrat gleichzeitig erzeugt wird. Sogenannte Nutzen bilden ein Grundsubstrat in der Herstellung, auf denen die elektronischen Baueinheiten zunächst in einem parallelen Prozess aufgebaut werden. Werden mehrere Gehäuse gleichzeitig für eine Anzahl von elektronischen Baueinheiten auf dem Nutzen mit der 3D-Drucktechnik aufgebaut, so ergeben sich besondere Zeit- und Kostenvorteile bei der Ausführung des Verfahrens. Anschließend werden die einzelnen elektronischen Baueinheiten mit Gehäuse aus dem Nutzen ausgetrennt und damit entsprechend vereinzelt.
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Eine Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Gehäuse auf einer ersten Seite des Substrates aufgebaut wird, wobei auf der dem Gehäuse gegenüberliegenden Seite des Substrates eine Abdeckung mittels eines Deckels oder einer Vergussmasse aufgebracht wird. Alternativ kann auch auf beiden Seiten des Substrates ein Gehäuse mit einer 3D-Drucktechnik aufgebaut werden.
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Die Erfindung richtet sich weiterhin auf eine elektronische Baueinheit mit einem Substrat, beispielsweise eine Leiterplatte, auf dem beziehungsweise auf der elektronische Komponenten aufgebraucht sind, und wobei ein Gehäuse vorgesehen ist, das sich über wenigstens einen Teil der elektronischen Komponenten erstreckt, und es ist erfindungsgemäß das Gehäuse mittels einer 3D-Drucktechnik aufbauend über dem Substrat ausgebildet. Die elektronische Baueinheit weist dabei ein Gehäuse mit einem Kontaktsteckerteil zur Ankopplung eines Gegensteckers im Fahrzeug auf. Der Kontaktsteckerteil ist dabei ebenfalls mit der 3D-Drucktechnik hergestellt und bildet einen integralen Bestandteil des Gehäuses.
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BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine Ansicht einer elektronischen Baueinheit mit einem Gehäuse gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine elektronische Baueinheit mit einem erfindungsgemäß hergestellten Gehäuse,
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3 eine Ansicht der elektronischen Baueinheit aus Blickrichtung eines Kontaktsteckerteils,
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4 eine quergeschnittene Ansicht einer weiterführenden Ausgestaltung einer elektronischen Baueinheit mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung,
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5 eine Ansicht der elektronischen Baueinheit gemäß 4 ohne das Gehäuse und
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6 eine Ansicht der elektronischen Baueinheit gemäß 4 aus Blickrichtung eines Kontaktsteckerteils.
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1 zeigt einen Stand der Technik einer elektronischen Baueinheit 1 mit einem Substrat 10, beispielsweise eine Leiterplatte, auf der elektronische Komponenten 11 aufgebracht sind, und wobei ein Gehäuse 12 bereitgestellt ist, in oder an dem die elektronischen Komponenten 11 wenigstens teilweise aufgenommen sind. Das Gehäuse 12 ist dabei auf konventionelle Weise durch ein Kunststoff-Spritzgussbauteil bereitgestellt, in dem die Elektronik aufgenommen ist.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektronischen Baueinheit 1 mit einem erfindungsgemäß hergestellten Gehäuse 12. Die elektronische Baueinheit 1 weist ein Substrat 10 auf, auf dem mehrere elektronische Komponenten 11 aufgebracht sind. Weiterhin sind auf dem Substrat 10 elektrische Kontaktelemente 16 aufgebracht, und das Gehäuse 12 umfasst einen Kontaktsteckerteil 13, in den die elektrischen Kontaktelemente 16 hineinragen. Wird der Gegenstecker 17, der beispielsweise fahrzeugseitig zur Verfügung gestellt wird, mit dem Kontaktsteckerteil 13 gekoppelt, so können die elektrischen Kontaktelemente 16 elektrisch mit dem Fahrzeug verbunden werden. Der Kontaktsteckerteil 13 weist beispielsweise Rasthaken 19 auf, die den Gegenstecker 17 umgreifen können, wenn dieser in den Kontaktsteckerteil 13 eingesetzt ist.
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Gemäß der Erfindung ist das Gehäuse 12 mittels einer 3D-Drucktechnik hergestellt. Das Gehäuse 12 ist auf dem Randbereich des Substrates 10 aufgebaut, und das Gehäuse 12 ist mit jeder der einzelnen, insbesondere auch filigran ausgeführten Geometrien, also beispielsweise auch mit den Rasthaken 19, einteilig mit der 3D-Drucktechnik hergestellt worden. Das Gehäuse 12 umschließt dabei die Komponenten 11 und die elektrischen Kontaktelemente 16, die auf der gleichen Seite des Substrates 10 angeordnet sind wie auch das Gehäuse 12.
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Die elektronische Komponente 11, die auf der dem Gehäuse 12 gegenüberliegenden Seite des Substrates 10 aufgebracht ist, ist durch eine Abdeckung 15 abgedeckt, wobei die Abdeckung 15 beispielsweise durch eine Vergussmasse oder ein Deckelelement gebildet sein kann.
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3 zeigt eine Ansicht der elektronischen Baueinheit 1 gemäß 2 aus Blickrichtung des Kontaktsteckerteils 13. Der Kontaktsteckerteil 13 weist als wesentliche Strukturbestandteile die Rasthaken 19 auf, und innerhalb des Kontaktsteckerteils 13 befinden sich die elektrischen Kontaktelemente 16, die gemäß der gezeigten Ausführungsform unmittelbar auf dem Substrat 10 aufgenommen sind. Die Kontaktelemente 16 befinden sich dabei benachbart zu den elektronischen Komponenten 11 auf dem Substrat 10. Der übrige Teil insbesondere um die oder hinter den Rasthaken 19 des Kontaktsteckerteils 13 bildet das Gehäuse 12. Dieses ist randseitig auf dem Substrat 10 mittels der 3D-Drucktechnik aufgebaut worden.
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4 zeigt eine weitere Variante der elektronischen Baueinheit 1 mit einem Gehäuse 12, mit dem zugleich der Kontaktsteckerteil 13 ausgebildet ist. Weiterhin weist das Ausführungsbeispiel Leiter- und Kontaktelemente 14 auf, die integriert im Gehäuse 12 ausgebildet sind und ebenfalls mittels derselben 3D-Drucktechnik hergestellt worden sind. Die Leiter- und Kontaktelemente 14 kontaktieren das Substrat 10 an entsprechenden Kontaktflächen 18, die in 5 gezeigt sind. Die Kontaktflächen 18 sind beispielhaft in den Ecken des Substrats 10 angeordnet und damit benachbart zu den elektronischen Komponenten 11 angeordnet. Wird die 3D-Drucktechnik aktiviert, und wird das Material des Gehäuses 12 auf dem Substrat 10 aufgebaut, so kann Ebene für Ebene an entsprechender Stelle ein metallisches Leitermaterial gemeinsam mit einem Kunststoffmaterial für das Gehäuse 12 ebenfalls mit aufgebaut werden. Hierzu zeigt 6 das Gehäuse 12 mit dem Kontaktsteckerteil 13 und den mittig angeordneten Leiter- und Kontaktelementen 14, wie in 4 dargestellt.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
