DE102017131432B3 - Anordnung zur thermischen Überwachung von auf einem Verdrahtungsträger befindlichem, elektronischen Bauteil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur thermischen Überwachung von auf einem Verdrahtungsträger befindlichem, elektronischen Bauteil, bestehend aus einem vorgespannten Federelement, welches in der Nähe dieses elektronischen Bauteiles auf dem Verdrahtungsträger befestigt ist und beim Überschreiten einer Grenztemperatur mindestens abschnittsweise seine Position lagert.
Das Federelement besteht aus einem lötfähigen, elektrisch leitenden Material, wobei ein unter mechanischer Vorspannung stehender Abschnitt oder ein diesbezügliches Federende mit einer Leiterbahn oder einem Pad des Verdrahtungsträgers stoffschlüssig verbunden ist und das stoffschlüssige Verbindungsmittel im Bereich der Grenztemperatur schmilzt und somit der Federabschnitt oder das Federende freigegeben wird, um einen vom Bauteil unabhängigen, galvanisch getrennten Überwachungsstromkreis zu unterbrechen. Erfindungsgemäß ist als Material für das Federelement ein metallischer Draht mit einem Durchmesser von 0,05 bis 1 mm gewählt.

Description

• Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur thermischen Überwachung von auf einem Verdrahtungsträger befindlichem, elektronischen Bauteil, bestehend aus einem vorgespannten Federelement, welches in der Nähe dieses elektronischen Bauteiles auf dem Verdrahtungsträger befestigt ist und beim Überschreiten einer Grenztemperatur mindestens abschnittsweise seine Position verlagert gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
• Aus der DE 10 2011 052 390 A1 ist eine thermische Überlastschutzvorrichtung zum Schutz elektronischer Bauelemente vorbekannt, die ein Schaltelement zum Kurzschließen von Anschlüssen des Bauelementes oder zum Auftrennen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen mindestens einem der Anschlüsse und einem Stromzuführungselement der Überlastschutzvorrichtung, eine Aktorvorrichtung zum Verlagern des Schaltelementes in eine entsprechende Kurzschlussposition oder Trennposition und ein die Aktorvorrichtung thermosensitiv auslösendes und als Separierelement ausgebildetes Auslöseelement aufweist.
• Die vorbekannte thermische Überlastschutzvorrichtung soll wenig Bauraum benötigen und sicher auf thermische Überlast ansprechen. Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das durch Schmelzen auslösendes Schmelzelement einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Lot der Standardlotverbindung.
• Das Schaltelement nach DE 10 2011 052 390 A1 ist bevorzugt von der eigentlichen Aktorvorrichtung getrennt, wobei die Aktorvorrichtung ein Federelement ist, das durch Auslösen eines Separierelementes freigegeben wird. Um im Montagezustand der Überlastschutzvorrichtung diese kraftfrei zu halten, wird erst zu einem späteren Zeitpunkt die als Federelement ausgebildete Aktorvorrichtung gegenüber dem Schaltelement so verbogen oder verschwenkt, dass die Aktorvorrichtung mittels einer Verrastung am Schaltelement mechanisch vorgespannt und somit in den auslösbaren Zustand überführt ist. Damit soll für den Lötprozess keine Fixierung oder kein Niederhalten erforderlich werden und im Anschluss an die Montage die notwendige Aktivierung durch das vorerwähnte Verrasten erfolgen.
• Nachteilig bei der vorbekannten Überlastschutzvorrichtung ist jedoch die Tatsache, dass eine direkte Unterbrechung des Strompfades, in dem sich das zu überwachende Bauteil befindet, erfolgt und somit die Funktionsfähigkeit des zu überwachenden Bauteiles aufgehoben ist, und zwar entweder durch die gewünschte Abtrennung oder den zu erzielenden Kurzschluss. Das Erzeugen einer quasi Warnmeldung beim Erreichen einer Grenztemperatur, die jedoch die Funktionsfähigkeit des zu überwachenden Bauteiles noch nicht einschränkt, ist nicht möglich.
• Darüber hinaus muss das Federelement als Auslöseelement einschließlich der Aktorvorrichtung an oder auf dem zu überwachenden Bauteil angeordnet werden oder einen Bestandteil dieses Bauteiles darstellen, was die Einsatz- und Verwendungsmöglichkeiten einschränkt.
• Aus der gattungsbildenden DE 196 15 643 A1 ist eine Überspannungsschutzanordnung für elektronische Baugruppen vorbekannt. Gemäß der dortigen Lehre ist vorgesehen, dass einem spannungsbegrenzenden Element ein temperaturempfindliches Schaltelement unter besonders guter thermischer Kopplung zugeordnet ist. Diese wird dadurch erreicht, indem ein Anschluss des spannungsbegrenzenden Elementes gleichermaßen einen Anschluss des temperaturempfindlichen Schaltelementes bildet. Der Stromfluss unter normalen Betriebsbedingungen erfolgt über eine elektrisch leitfähige Feder, die über einen Lottropfen mit der temperaturführenden Stelle des spannungsbegrenzenden Elementes verbunden ist und unter mechanischer Spannung steht. Gemäß einem dortigen Ausführungsbeispiel wird die Feder nach dem Schmelzen des Lottropfens freigegeben, so dass sich diese entsprechend ihrer Vorspannung bewegen kann und damit jeden weiteren Stromfluss unterbricht.
• Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Anordnung zur thermischen Überwachung von auf einem Verdrahtungsträger befindlichem, elektronischen Bauteil anzugeben, welche grundsätzlich galvanisch getrennt bezogen auf den jeweiligen Stromkreis des zu überwachenden Bauteiles oder Bauelementes ausführbar ist und wobei weiterhin eine flexible Platzierung der Anordnung auf den jeweiligen Verdrahtungsträger möglich sein soll, um ein dezidiertes, schnelles Ansprechen bezogen auf den jeweiligen thermischen Zustand des zu überwachenden Bauteiles zu gewährleisten.
• Die zu schaffende Anordnung soll weiterhin in klassische Prozesse der Verarbeitung von SMD-Bauelementen integrierbar sein, so dass sich der herstellungsseitige Aufwand nicht erhöht.
• Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Anordnung zur thermischen Überwachung von auf einem Verdrahtungsträger befindlichem, elektronischen Bauteil gemäß der Lehre des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
• Die Lösung ist durch ein nicht-reversibles, thermisch ansprechendes Detektionselement geprägt, und dient der Überwachung von Temperaturen bzw. Temperatur-Hotspots auf Verdrahtungsträgern, insbesondere Leiterplatten.
• Diesbezüglich wird die Anordnung, ausgebildet als vorgespanntes Miniatur-Federelement z.B. ausgebildet als Draht-, Schenkel- oder Spiralfeder, auf einem Ort der Leiterplatte fixiert, an welchem eine thermische Überwachung stattfinden soll.
• Das Miniatur-Federelement wird bevorzugt mit einem Niedertemperaturlot fixiert und schließt über jeweilige Leiterbahnen oder Lotpads einen elektrischen Überwachungsstromkreis.
• Bei einer thermischen Überhitzung der entsprechend zu überwachenden Position auf der Leiterplatte schmilzt das Niedertemperaturlot, mit dem das Miniatur-Federelement fixiert ist, und gibt das Federelement frei, das infolge seiner Federvorspannung seine Position verändert, wodurch es zu einer Unterbrechung des Überwachungsstromkreises kommt.
• Zur vereinfachten Bestückung erfolgt der Einsatz einer Bestückungshilfe, wodurch eine SMD-Fähigkeit gegeben ist. Diesbezüglich wird das Federelement in einen entsprechenden Bauteilträger vorgespannt eingelegt und kann über einen SMD-Bestückungsautomaten zur Bestückung des jeweiligen Verdrahtungsträgers genutzt werden.
• Es geht also die Anordnung zur thermischen Überwachung von auf einem Verdrahtungsträger befindlichem, elektronischen Bauteil aus von einem vorgespannten Federelement, welches in der Nähe des jeweiligen elektronischen Bauteiles auf dem Verdrahtungsträger befestigt wird. Beim Überschreiten einer Grenztemperatur verlagert das Federelement mindestens abschnittsweise seine Position.
• Das Federelement besteht aus einem lötfähigen, elektrisch leitenden Material, wobei ein unter mechanischer Vorspannung stehender Abschnitt oder ein diesbezügliches Federende mit einer Leiterbahn oder einem Leiterbahnpad des Verdrahtungsträgers stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, verbunden ist.
• Das stoffschlüssige Verbindungsmittel schmilzt im Bereich der Grenztemperatur, wodurch der Federabschnitt bzw. das Federende freigegeben wird, um einen vom Bauteil unabhängigen, galvanisch getrennten Überwachungsstromkreis zu unterbrechen. Eine entsprechende Signalisierung eines thermischen Hotspots kann hierdurch erfolgen, ohne dass die Funktionsfähigkeit des eigentlichen Bauteiles durch ein Abtrennen oder Kurzschließen beeinträchtigt bzw. nicht mehr gegeben ist.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist das vorgespannte Federelement in der Ebene des Verdrahtungsträgers unterhalb des jeweiligen elektronischen Bauteiles ausgebildet.
• Dabei besteht die Möglichkeit, das Federelement auf einer Oberflächenseite des Verdrahtungsträgers und das zu überwachende Bauelement oder Bauteil auf der gegenüberliegenden Seite des Übertragungsträgers anzuordnen.
• Das vorgespannte Federelement ist zwischen zwei beabstandeten Leiterbahnen oder Leiterpads befindlich und wird mit diesen entsprechenden Leiterbahnen oder -pads durch ein Lot verbunden.
• Wie bereits erwähnt, ist mindestens eine der Lotverbindungen niedrigschmelzend ausgeführt.
• Erfindungsgemäß besteht das Federelement aus einem metallischen Draht mit einem Durchmesser von 0,05 bis 1,0 mm, bevorzugt 0,1 bis 0,3 mm.
• In ebenfalls bevorzugter Ausführungsform der Erfindung liegt die Länge des Federdrahtelementes zwischen zwei Befestigungspunkten, das heißt den Lötstellen, und auf den entsprechenden Abschnitten der Leiterbahnen oder der Lötpads im Wesentlichen bei 2 bis 10 mm.
• Bevorzugt ist das Federelement als vorgespannte Federdrahtbrücke oder Spiralfeder zwischen zwei Leiterbahnen oder Lötpads des Verdrahtungsträgers ausgebildet, wobei das jeweilige Lot zur stoffschlüssigen Verbindung eine geringere Schmelztemperatur als das Bauteilbefestigungslot aufweist. Dabei wird zur Gewährleistung einer thermischen Empfindlichkeit und eines optimalen Ansprechverhaltens der Lötpad oder der Leiterbahnabschnitt, welcher den Lötpunkt mit dem niedrigschmelzenden Lot bildet, an oder in der Nähe des zu überwachenden Bauteiles gelegt, was durch Gestaltung des Layouts bei der Herstellung kupferkaschierter flexibler oder starrer Leiterplatten ohne Weiteres berücksichtigt werden kann.
• Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
• Hierbei zeigen:
• 1 eine Prinzipdarstellung der Anordnung mit vorgespanntem Federelement im nicht ausgelösten (gestrichelt dargestellten) und ausgelöstem Zustand einer Federdrahtbrücke, die mit ihren Enden jeweils auf einem Pad einer Leiterplatte (nicht gezeigt) durch ein Lot stoffschlüssig verbunden ist, und
• 2 fotorealistische Darstellungen einer Anordnung zur thermischen Überwachung mit einer Federdrahtbrücke im nicht geöffneten (mittleres Bild) sowie geöffnetem Zustand (obere und untere Darstellung).
• Die erfindungsgemäße Anordnung zur thermischen Überwachung von auf einem Verdrahtungsträger befindlichem, elektronischen Bauteil oder elektronischem Bauelement besteht aus einem vorgespannten Federelement, welches in der Nähe des jeweiligen elektronischen Bauteiles auf dem Verdrahtungsträger befestigt ist und beim Überschreiten einer Grenztemperatur mindestens abschnittsweise seine Position verlagert.
• Diesbezüglich wird, wie in der 1 dargestellt, von einem ersten Lotpad 1 sowie einem zweiten Lotpad 2 ausgegangen.
• Die jeweiligen Enden einer Federdrahtbrücke 3 sind unter Vorspannung der Feder (gespannter Zustand gestrichelt dargestellt) mit dem Pad 1 bzw. 2 verlötet.
• Das Lot am Lotpad 1 besitzt einen Schmelzpunkt von z.B. im Wesentlichen 118°C, 138°C oder 158°C.
• Durch Temperatureintrag an oder in der Nähe insbesondere des Lotpads 1 wird die dortige Lotstelle zum Schmelzen und damit das Federelement 3 zum Auslösen gebracht und geht in seinen ungespannten Zustand (durchgezogene Darstellung) über.
• Die Auslösetemperatur ist durch die Schmelzcharakteristik des Lotes vorgegeben und kann über die Zusammensetzung der Legierung, die Leiterplattenstärke sowie die Stärke der Metallisierung der Leiterplatte und des Materials des Verdrahtungsträgers beeinflusst werden.
• Beim Auslösen kehrt die Federdrahtbrücke in ihre ursprüngliche und ungespannte Form zurück und trennt dabei die in der 1 nicht gezeigte elektrische Verbindung zwischen den beiden Lotpads 1; 2.
• Wird das Federelement 3 zum Beispiel unter einem zu überwachenden elektronischen Bauteil montiert, welches im Fehlerfall oder bei Überlastung Wärme entwickelt, um ein Auslösen des Federelementes zu gewährleisten, kann über eine Überprüfung des elektrischen Stromkreises, in welchem sich das Federelement 3 befindet, festgestellt werden, ob eine Auslösung erfolgte. Das Auslösen des Federelementes 3 kann im spannungslosen Zustand erfolgen und ist rein von der jeweiligen Temperatur im Bereich des oder der Lötpads abhängig. Dies bedeutet, dass auch nicht vom eigentlich zu überwachenden elektronischen Bauteil herrührende thermische Überlastungen festgestellt und bei Inbetriebnahme einer entsprechenden Baugruppe oder eines Gerätes signalisiert werden können, ohne dass wie bei einer thermischen Sicherung die Funktionsfähigkeit des entsprechenden Gerätes nicht mehr gegeben ist.
• Die als Miniatur-SMD-Bauteil realisierbare Anordnung kann flexibel platziert und beliebig auf der Oberfläche eines Verdrahtungsträgers angeordnet werden.
• Die Wärmekapazität der Anordnung ist durch das miniaturisierte vorgespannte Federelement auf Grund der Gehäuselosigkeit im Vergleich zu einer Thermosicherung sehr gering, so dass eine hohe Empfindlichkeit und ein schnelles Ansprechverhalten gewährleistet wird. Durch die Integration der Überwachungsanordnung im Sinne eines elektrischen Bauteiles auf einer Leiterplatte ist eine schaltungstechnische Einbindung der Überwachungsanordnung ohne Weiteres und insbesondere ohne zusätzlichen Aufwand möglich.
• Eine entsprechende Bestückung eines Verdrahtungsträgers ist anhand der bekannten SMD-Technologie möglich. Um das Federelement beim Verlöten unter entsprechender mechanischer Vorspannung zu halten, kann eine Bestückungshilfe zum Einsatz kommen, welche darüber hinaus die notwendige Pick & Place-Fähigkeit gewährleistet.
• Ebenso besteht die Möglichkeit, über ein mehrstufiges Selektivlotverfahren das Federelement durch einen maschinellen oder manuellen Prozess zuzuführen, zu spannen und zu verlöten. Dabei kann einerseits das Federelement bereits vorgespannt zugeführt werden oder im Laufe des Lötvorganges einer Spannung unterliegen, was beispielsweise durch eine automatisierte Verarbeitung mit Endloszuführung bei gleichzeitigem Ablängen, Spannen und Löten direkt auf der Leiterplatte realisierbar ist.
• Die Abbildungen gemäß 2 zeigen einen erfolgreichen Versuch einer realisierten Anordnung zur thermischen Überwachung auf der Basis einer Federdrahtbrücke, welche durch Verlöten mit zwei Enden einer Leiterbahn auf einem Verdrahtungsträger realisiert wurde.
• Der eingesetzte Federdraht wies einen Durchmesser von ca. 0,1 mm auf. Die freie Länge R des Federdrahtes betrug ca. 2,5 mm.
• Das Auftrennen der Brücke mit Erreichen der Schmelztemperatur der in den Abbildungen gezeigten linken Lötstelle erfolgte schnell, sicher und reproduzierbar. Im Ergebnis der verschiedenen Untersuchungen wurde festgestellt, dass die Lötpads und deren Fläche nach Möglichkeit zu miniaturisieren sind und die Lötmenge möglichst minimal gewählt werden sollte.
• Dünnere Federdrähte zeigten im Vergleich zu dickeren Drähten bei gleichbleibender Länge eine bessere Performance.

Claims (6)

1. Anordnung zur thermischen Überwachung von auf einem Verdrahtungsträger befindlichem, elektronischen Bauteil, bestehend aus einem vorgespannten Federelement (3), welches in der Nähe dieses elektronischen Bauteiles auf dem Verdrahtungsträger befestigt ist und beim Überschreiten einer Grenztemperatur mindestens abschnittsweise seine Position verlagert, das Federelement (3) aus einem lötfähigen, elektrisch leitenden Material besteht, wobei ein unter mechanischer Vorspannung stehender Abschnitt oder ein diesbezügliches Federende mit einer Leiterbahn oder einem Pad (1) des Verdrahtungsträgers stoffschlüssig verbunden ist und das stoffschlüssige Verbindungsmittel im Bereich der Grenztemperatur schmilzt und somit der Federabschnitt oder das Federende freigegeben wird, um einen vom Bauteil unabhängigen, galvanisch getrennten Überwachungsstromkreis zu unterbrechen, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement aus einem metallischen Draht mit einem Durchmesser von 0,05 bis 1,0 mm, bevorzugt 0,1 bis 0,3 mm besteht.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgespannte Federelement (3) in der Ebene des Verdrahtungsträgers thermisch gekoppelt mit dem elektronischen Bauteil ausgebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgesehene Federelement (3) zwischen zwei beabstandeten Leiterbahnen oder -pads (1; 2) befindlich und mit diesen durch ein Lot verbunden ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Lötverbindungen bezogen auf ein Standardlot niedrigschmelzend ausgeführt ist.
5. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestückungshilfe zum Aufnehmen des vorgespannten Federelementes für einen automatisierbaren Pick & Place-Prozess vorgesehen ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Federdrahtelementes zwischen seinen Befestigungspunkten bei 2 bis 6 mm liegt.

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