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Die Erfindung betrifft eine elektronische
Baugruppe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In vielen Bereichen werden elektronische Baugruppen
für unterschiedliche
Anwendungen und Aufgaben eingesetzt; beispielsweise sind im Kraftfahrzeugbereich
elektronische Baugruppen als Steuergeräte zur Verarbeitung von Messsignalen und/oder
zur Steuerung von Aggregatefunktionen oder von Komponenten des Kraftfahrzeugs
vorgesehen. Derartige elektronische Baugruppen weisen üblicherweise
eine Leiterplatte mit einer Leiterbahnstruktur auf, die als Trägerkörper zur
Aufnahme von Bauteilen der elektronischen Baugruppe und als Schaltungsträger zur
Ausbildung von Kontaktverbindungen dient; daneben kann eine Leiterfolie
mit einer Leiterbahnstruktur vorgesehen werden, die als weiterer
Trägerkörper für Bauteile
der elektronischen Baugruppe und/oder als Verdrahtungsträger für die elektrische
Kontaktierung der elektronischen Baugruppe dient (bsp. zur externen
Kontaktierung der elektronischen Baugruppe). Hierbei muss eine elektrisch
leitende Verbindung zwischen der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte
und der Leiterbahnstruktur der Leiterfolie hergestellt werden; dies
wird in der Regel mittels eines von der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte
ausgehenden Steckverbinders realisiert, der durch Crimpen mit der Leiterbahnstruktur
der Leiterfolie verbunden wird. Eine derartige elektrisch leitende
Verbindung mittels eines Steckverbinders bedingt jedoch hohe Kosten
sowie einen hohen Fertigungsaufwand und Montageaufwand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
elektronische Baugruppe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 mit einem einfachen Aufbau, einer einfachen Fertigung, geringen
Kosten, einer hohen Zuverlässigkeit
und vorteilhaften Eigenschaften bezüglich der elektrischen leitenden
Verbindung zwischen Leiterplatte und Leiterfolie anzugeben.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch
die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.
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Die elektrisch leitende Verbindung
der Leiterplatte mit der Leiterfolie und damit die elektrische Kontaktierung
der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte einerseits und der Leiterbahnstruktur
der Leiterfolie andererseits (die Leiterbahnstruktur der Leiterfolie
ist hierbei auf einem geeigneten Schaltungsträger aufgebracht, bsp. auf einer
flexiblen Leiterplatte oder auf einer Schaltfolie) wird über mindestens
eine Lötverbindung
realisiert, indem die in einem Kontaktierungsbereich zugängliche
Leiterbahnstruktur der Leiterfolie durch einen Lötprozess mit einem auf der
Leiterbahnstruktur der Leiterplatte an der jeweils für die Kontaktierung
vorgesehenen Kontaktstelle angeordneten Kontaktfleck ("Lotdepot") als Bestandteil der Leiterbahnstruktur
der Leiterplatte leitend verbunden wird. Dabei ist der für die Kontaktierung
vorgesehene Kontaktfleck an der den elektrischen bzw. elektronischen
Bauteilen der Leiterplatte gegenüberliegenden Seite
angeordnet.
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Hierzu muss die auf dem Schaltungsträger aufgebrachte,
von mindestens einer Isolationsschicht bedeckte Leiterbahnstruktur
der Leiterfolie zumindest im Kontaktierungsbereich zugänglich gemacht werden,
d.h. die Leiterbahnstruktur ist im Kontaktierungsbereich bereits
einseitig oder beidseitig freigelegt (d.h. die mindestens eine Isolationsschicht
wird im Kontaktierungsbereich gar nicht aufgebracht) oder aber die
Leiterbahnstruktur wird vor der Kontaktierung im Kontaktierungsbereich
einseitig oder beidseitig freigelegt (d.h. die mindestens eine Isolationsschicht
wird im Kontaktierungsbereich entfernt). Als Leiterfolien können hierbei
bsp. entweder flexible gedruckte Leiterplatten ("Flexible Printed Circuit" FPC) eingesetzt
werden -bei diesen ist die Leiterbahnstruktur direkt auf einer als
Schaltungsträger und
als Trägerkörper dienenden
ersten Isolationsschicht aufgebracht und von einer als Abdeckung dienenden
zweiten Isolationsschicht (Isolationsfolie als Abdeckfolie) abgedeckt
-oder aber flexible Flachkabel ("Flexible
Flat Cable" FFC)
-bei diesen ist eine die Leiterbahnstruktur tragende Schaltfolie
als Schaltungsträger
zwischen zwei Isolationsfolien als Isolationsschichten angeordnet,
d.h. auf einer als Trägerkörper dienenden
ersten Isolationsfolie aufgebracht und von einer als Abdeckung dienenden
zweiten Isolationsschicht (Isolationsfolie als Abdeckfolie) abgedeckt.
Das Material der Kontaktflecken wird zusammen mit dem Material der
Kontaktpads für
die Bauteile der elektronischen Baugruppe bei der Erstellung der
Leiterbahnstruktur an den vorgesehenen Kontaktstellen derart an
der Unterseite aufgebracht, dass die Kontaktflecken mit der Leiterbahnstruktur
der Leiterplatte elektrisch verbunden sind. Die Bauteile der elektronischen
Baugruppe werden auf Aufnahmeflächen
auf der Oberseite der Leiterplatte und/oder auf der Leiterfolie
aufgebracht und mit der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte und/oder
der Leiterbahnstruktur der Leiterfolie auf geeignete Weise über die
Kontaktpads leitend verbunden; insbesondere werden die Bauteile
der elektronischen Baugruppe durch Reflowlöten oder Schwalllöten mit
der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte leitend verbunden.
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Nach dem Aufbringen der Bauteile
wird die Leiterfolie derart bezüglich
der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte positioniert, dass der die
Leiterbahnstruktur tragende Schaltungsträger der Leiterfolie im Kontaktierungsbereich
wie gewünscht
bezüglich
den korrespondierenden Kontaktflecken auf der Unterseite der Leiterplatte
angeordnet ist.
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Nach der Positionierung und Fixierung
der Leiterfolie relativ zu der Leiterplatte wird das jeweilige Lotdepot
des mindestens einen Kontaktflecks mittels eines selektiven Lötprozesses
durch die Leiterplatte hindurch erwärmt und aufgeschmolzen und
durch die Materialverbindung des mit den Leiterbahnen der Leiterbahnstruktur
der Leiterplatte in Verbindung stehenden Lots des Kontaktflecks
die jeweilige Kontaktstelle mit den Leiterbahnen der Leiterbahnstruktur der
Leiterfolie gebildet. Als selektiver Lötprozess kann insbesondere
das Laserlöten
unter Verwendung eines fokussierten Laserstrahis eingesetzt werden,
bei dem ein über
eine Fokussiereinrichtung aufgeweiteter Laserstrahl das Material
des Kontaktflecks selektiv erwärmt,
wodurch qualitativ hochwertige Lötverbindungen
realisiert werden. Auch kann eine qualitativ hochwertige Lötverbindung
mit einem Elektronenstrahllötverfahren
erfolgen.
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Bsp. besteht die Leiterbahnstruktur
der Leiterfolie aus Kupfer; die Leiterbahnstruktur der Leiterplatte
und ebenso die Kontaktflecken als Lotdepot bestehen vorzugsweise
aus einem Metall, zumindest aber weisen sie eine metallische Oberfläche auf,
bsp. eine verzinnte Oberfläche.
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Auf der Leiterfolie können Anschlusskontakte
für die
externe Kontaktierung der elektronischen Baugruppe ausgebildet werden,
bsp. können
die Anschlusskontakte durch Crimpen oder Schweißen oder Löten auf den Schaltungsträger der
Leiterfolie aufgebracht werden; insbesondere können mehrere Anschlusskontakte
zu Kontaktbereichen zusammengefasst werden und bsp. in einem gemeinsamen
Gehäuseanschluss
integriert werden. An die Anschlusskontakte und insbesondere an
einen Gehäuseanschluss
können
geeignete Anschlusskomponenten angeschlossen werden, insbesondere
Anschlussleitungen oder Anschlussstecker.
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Zum Schutz der Bauteile beim Einsatz
der elektronischen Baugruppe kann ein Gehäusekörper vorgesehen werden, insbesondere
ein allseitig geschlossenes Gehäuse.
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Die elektronische Baugruppe vereinigt
mehrere Vorteile in sich Die Kontaktierung der Leiterbahnstruktur
der Leiterplatte und der Leiterbahnstruktur der Leiterfolie mittels
einer Lötverbindung
kann auf einfache Weise ohne das Erfordernis zusätzlicher Kontaktelemente realisiert
werden.
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Die Lötverbindung gewährleistet
einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Leiterbahnstruktur der
Leiterplatte und der Leiterbahnstruktur der Leiterfolie, insbesondere
auch beim Einsatz der elektronischen Baugruppe unter schwierigen äußeren Bedingungen.
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Die Lötverbindung kann kostengünstig und automatisiert
realisiert werden, insbesondere bei gleichzeitiger Ausbildung mehrerer
Kontaktsteilen.
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Insbesondere bei Verwendung des Laserlötens als
selektiven Lötprozess
kann anhand der Vorgabe der Prozessparameter Zeitdauer und Laserleistung
des Laserstrahls sowie der optischen Prozessparameter für den Lötprozess
(bsp. hinsichtlich der Fokussierung des Laserstrahls) die erforderliche
Laserenergie präzise
an der Oberseite der Leiterplatte eingekoppelt werden und hierdurch
der durch den Laserstrahl zu erwärmende
Bereich an der Unterseite der Leiterplatte definiert vorgegeben
werden, mit nur geringer, vernachlässigbarer Einkopplung von thermischer
Energie in die Leiterplatte; somit kann gleichzeitig eine Vielzahl
von zuverlässigen
Lötverbindungen
mit einem feinkörnigen
Lötgefüge bei verbessertem
Alterungsverhalten und erhöhter
thermischer Zyklusfestigkeit der Lötverbindung bei geringer thermischer
Belastung und damit geringer Gefahr von Schädigungen der Isolationsschichten
und der elektronischen Bauteile der elektronischen Baugruppe realisiert
werden.
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Im Zusammenhang mit der Zeichnung (1) soll die elektronische
Baugruppe an hand eines Ausführungsbeispiels
erläutert
werden.
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In der 1 ist
jeweils in einem Ausschnitt eine Schnittzeichnung der elektronischen
Baugruppe 1 mit dem Verbund aus Leiterplatte 2 und
Leiterfolie 3 bei der Realisierung der elektrischen Kontaktierung der
Leiterplatte 2 und der Leiterfolie 3 durch Ausbildung
von Kontaktsteilen 24 dargestellt.
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Auf der Oberseite 21 der
Leiterplatte 2 ist eine Leiterbahnstruktur 22 mit
Leiterbahnen 23 ausgebildet; weiterhin ist auf der Unterseite 27 der
Leiterplatte 2 mindestens ein Lotdepot als Kontaktfleck 25 in
der Kontaktzone der Leiterbahnstruktur 22 zur Ausbildung
mindestens einer Kontaktsteile 24 vorgesehen, der üblicherweise
während
der Heißluftverzinnung
bzw. zur Erhöhung
des Lotdepots in einem anschließenden
Lotpastendruck aufgebracht und in einem Reflowprozess aufgeschmolzen
wird; bsp. sind in der Kontaktzone der Leiterbahnstruktur 22 mehrere
Kontaktflecken 25 zur Ausbildung mehrerer Kontaktsteilen 24 vorgesehen.
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Die Leiterfolie 3 besteht
bsp. aus der als Trägerkörper fungierenden
ersten Isolationsfolie 33 als erster Isolationsschicht,
der als Abdeckung fungierenden zweiten Isolationsfolie 35 als
zweiter Isolationsschicht und der als Schaltungsträger fungierenden,
eine Leiterbahnstruktur 32 mit Leiterbahnen aus Kupfer
aufweisenden Schaltfolie 31, die zwischen der ersten Isolationsfolie 33 und
der zweiten Isolationsfolie 35 angeordnet ist.
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Die Bauteile 5 der elektronischen
Baugruppe 1 werden bsp. auf die Oberseite 21 der
Leiterplatte 2 aufgebracht und bsp. durch Reflowlöten mit
der Leiterbahnstruktur 22 der Leiterplatte 2 elektrisch
leitend verbunden, bsp. über
Anschlusspins 51.
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Zur elektrisch leitenden Verbindung
der Leiterbahnstruktur 32 der Leiterfolie 3 mit
der Leiterbahnstruktur 22 der Leiterplatte 2 wird
die erste Isolationsfolie 33 (der Trägerkörper) oder/und die zweite Isolationsfolie 35 (die
Abdeckung) partiell entfernt und somit die Leiterbahnstruktur 32 der
Schaltfolie 31 für
die Ausbildung der Kontaktsteilen 24 in einem bestimmten
Kontaktierungsbereich 34 einseitig freigelegt (1) oder beidseitig freigelegt.
Die Leiterfolie 3 wird nun so auf der Unterseite 27 der
Leiterplatte 2 positioniert, dass das Lotdepot der in der
Kontaktzone aufgebrachten Kontaktflecken 25 mit der Schaltfolie 31 der
Leiterfolie 3 im Kontaktierungsbereich 34 in Verbindung
gebracht wird.
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Hierzu sind Positionierhilfen vorgesehen,
die die Leiterfolie 3 relativ zu der Leiterplatte 2 fixierten und
positionieren. Darüber
hinaus sind Vorrichtungen in Gebrauch, die die Kontaktstellen gegeneinander drücken.
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Bsp. durch Laserlöten, d.h. durch Strahlungswärme mittels
eines fokussierten Laserstrahls, wird das Lotdepot der Kontaktflecken 25 selektiv
aufgeschmolzen, wodurch eine Materialverbindung (Verschmelzung)
des Materials des Lotdepots der Kontaktflecken 25 (bsp.
Kupfer mit Zinn-Auflage oder Kupfer mit Blei-Zinn-Auflage)mit dem
vorverzinnten Kupfer als Material der Leiterbahnstruktur 32 der Schaltfolie 31 der
Leiterfolie 3 stattfindet; bsp. wird das Laserlöten über eine
Zeit von 1.5 s bei einer Leistung von 30 W angewendet. Hierdurch
werden die die Leiterbahnstruktur 22 der Leiterplatte 2 mit
der Leiterbahnstruktur 32 der Schaltfolie 31 elektrisch
leitend verbindenden Kontaktstellen 24 ausgebildet. Diese
zuverlässigen
und gasdichten Kontaktsteilen 24 sind vor dem Eindringen
von Feuchtigkeit geschützt.
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Als elektronische Baugruppe 1 mit
dem Verbund aus Leiterplatte 2 und Leiterfolie 3 ist
bsp. ein in der Seitentüre
eines Kraftfahrzeugs integriertes Türsteuergerät 1 vorgesehen, das
bsp. u.a. für
die Ansteuerung der Fensterheber, Außenspiegel und Airbags des
Kraftfahrzeugs dient. Die Leiterplatte 2 als Trägerkörper für mehrere
elektronische Bauteile 5 besteht bsp. aus glasfaserverstärktem Epoxydharz (FR4) und
besitzt bsp. die Abmessungen von 60 mm × 70 mm × 1.6 mm. Die bsp. als Verdrahtungsträger dienende
Leiterfolie 3 besitzt bsp. die Abmessungen von 0.6 mm × 40 mm × 500 mm.
Durch die beschriebene Lötverbindung
werden mehrere Kontaktstellen 24 gebildet, an denen die
Leiterbahnstruktur 32 der Leiterfolie 3 mit der
Leiterbahnstruktur 22 der Leiterplatte 2 elektrisch
leitend verbunden wird. Durch die Leiterfolie 3 als Verdrahtungsträger wird
eine externe Anschlussmöglichkeit
für das
Türsteuergerät 1 bereitgestellt,
insbesondere durch Ausbildung von Anschlusskontakten auf der Leiterfolie 3,
bsp. durch Crimpen von Anschlusskontakten auf die Schaltfolie 31 der
Leiterfolie 3. Zur externen Kontaktierung des Türsteuergeräts 1 können bsp.
mehrere Anschlusskontakte zu einem Gehäuseanschluss zusammengefasst
werden, an dem bsp. ein Anschlussstecker zur Verbindung des Türsteuergeräts 1 mit
weiteren Bauteilen und/oder mit elektronischen Baugruppen und/oder
mit Spannungsquellen zur Spannungsversorgung angeschlossen werden
kann. Bsp. wird das Türsteuergerät 1 über einen
Anschlussstecker mit Bedienelementen des Kraftfahrzeugs verbunden.