DE202018101537U1

DE202018101537U1 - Elektronische Baugruppe mit automatischer Schutzfunktion gegen überhöhte Temperaturen

Info

Publication number: DE202018101537U1
Application number: DE202018101537.0U
Authority: DE
Original assignee: Tridonic Jennersdorf GmbH
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2028-03-21

Abstract

Elektronische Baugruppe umfassend eine Leiterplatte (2), wenigstens ein elektronisches Bauteil (3) oder untergeordnete Baugruppe, das/die zur Versorgung mit elektrischer Energie mit auf der Leiterplatte (2) vorgesehenen Leiterbahnen (4, 10) verbunden ist, wobei die elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen (4, 10) und dem Bauteil (3) oder der untergeordneten Baugruppe über Kontaktstellen (8, 9; 13) erfolgt, von denen wenigstens eine einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe, wobei die elektronische Baugruppe eine Leiterplatte umfasst, auf der ein elektronisches Bauteil oder eine untergeordnete Baugruppe angeordnet ist, wobei bei Auftreten einer erhöhten Temperatur eine automatische Schutzfunktion realisiert wird.
Bislang ist es bekannt, bei elektronischen Bauteilen oder elektronischen Unterbaugruppen eine Temperatur zur erfassen und abhängig von einer an diesen Bauteilen auftretenden Temperatur eine Reduzierung der zugeführten elektrischen Energie zu bewirken. Hierzu sind separate Bauelemente wie zum Beispiel PTCs oder NTCs in der Schaltung vorgesehen. Im Falle von LEDs, welche im Betrieb vor zu hohen und die LEDs gegebenenfalls zerstörenden Temperaturen von beispielsweise über 120°C geschützt werden sollen, ist der Treiber mit einer entsprechenden Regelung versehen. Diese reduziert die zugeführte elektrische Energie, sodass ein weiterer Temperaturanstieg in dem Bauteil vermieden wird. In der Regel wird hierzu die Temperatur gemessen und über einen Regelkreis Einfluss auf die Ansteuerung genommen.
Durch die zusätzlichen Bauteile sowie die separaten Regelalgorithmen entsteht jedoch ein erheblicher Entwicklungs- und Konstruktionsaufwand, der die Kosten für die fertige elektronische Baugruppe erhöht. Zudem, im Falle von erforderlichen separaten Bauteilen, wird Platz auf der Leiterplatte der elektronischen Baugruppe benötigt, wodurch in Folge wiederrum die Kosten steigen. Außerdem verhindern solche zusätzlichen Bauelemente eine Reduzierung der Gesamtgröße der elektronischen Schaltung.
Es ist daher wünschenswert, eine elektronische Baugruppe mit einem Schutzmechanismus für dessen elektronische Bauteile bzw. elektronische Unterbaugruppen zu schaffen, der eine aktive Regelung und/oder zusätzliche Bauelemente nicht benötigt und zuverlässig das Auftreten zu hoher Temperaturen unterbinden kann.
Die Aufgabe wird durch die elektronische Baugruppe nach Anspruch 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe ist eine Leiterplatte vorgesehen, auf der wenigstens ein elektronisches Bauteil oder eine untergeordnete elektronische Baugruppe angeordnet ist. Dieses elektronische Bauteil bzw. die gesamte elektronische Baugruppe soll vor dem Auftreten zu hoher lokaler Temperaturen geschützt werden. Das elektronische Bauteil bzw. die untergeordnete elektronische Baugruppe sind zur Versorgung mit elektrischer Energie mit auf der Leiterplatte vorgesehenen Leiterbahnen verbunden. Das elektronische Bauteil bzw. die untergeordnete elektronische Baugruppe werden mit den Leiterbahnen verlötet um die elektrische Verbindung herzustellen. Erfindungsgemäß ist nun die so erzeugte Kontaktstelle so ausgebildet, dass sie einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist. Das heißt, im Gegensatz zu den herkömmlichen Kontaktstellen bei denen eine Verbindung ausschließlich durch beispielsweise Lötzinn hergestellt wird, weist die Kontaktstelle Maßnahmen auf, die den Widerstand der Kontaktstelle temperaturabhängig verändern, insbesondere mit zunehmender Temperatur erhöhen. Durch die Änderung des Widerstands der Kontaktstelle wird die zugeführte elektrische Leistung beeinflusst, sodass die geänderte zugeführte elektrische Energie letztlich zu einem Vermeiden einer weiteren Temperaturerhöhung führt. Somit wird das elektronische Bauteil bzw. die untergeordnete Baugruppe, welches über die Kontaktstelle mit elektrischer Energie versorgt wird, zuverlässig vor Zerstörung durch überhöhte Temperaturen geschützt.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe definiert.
Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Kontaktstelle mit zunehmender Temperatur eine Erhöhung ihres Widerstands zeigt. Durch eine solche Erhöhung des Widerstands wird automatisch die elektrische Energie, die dem Bauteil zugeführt wird, reduziert, da der Stromfluss durch das elektronische Bauteil bzw. die untergeordnete elektronische Baugruppe reduziert wird. Dabei ist die Kontaktstelle so ausgebildet, dass sie im regulären Betrieb einen Widerstand im Bereich weniger mOhm aufweist, der dann, bei Überschreiten einer Grenztemperatur, die typischerweise 120°C beträgt, mit zunehmender Temperatur rasch ansteigt. Die Kontaktstelle kommt so in den Sperrzustand und verhindert das weitere Zuführen von Energie zu dem Bauteil bzw. der Baugruppe.
Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Kontaktstelle mittels eines Lots realisiert wird, dem eine Widerstandspaste beigemengt ist. An sich sind Widerstandspasten, bei denen ein Temperaturanstieg zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands führt (PTC) z. B. aus Heizelementen bekannt. Gemäß der Erfindung wird nun eine Mischung aus einem Lötzinn und einer solchen Widerstandspaste vorgesehen, um die Kontaktstelle zwischen dem elektronischen Bauteil bzw. der untergeordneten elektronischen Baugruppe und der elektrischen Energie zuführenden Leiterbahn der elektronischen Baugruppe auszubilden. Dies hat den Vorteil, dass gegebenenfalls zwar bei der Verarbeitung eines solchermaßen gemischten Lots Anpassungen hinsichtlich der Verarbeitungsgeschwindigkeit bzw. der Löttemperatur vorzunehmen sind, insgesamt jedoch kein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich ist. Insbesondere ist es nicht nötig, separate Bauteile vorzusehen oder aufwendig Regelalgorithmen entwickeln und implementieren zu müssen, welche den Schutz des Bauteils bewirken. Die Schutzfunktion ist völlig passiv und tritt automatisch bei Erhöhen der Temperatur am Bauteil über einen durch die Paste vorgegebenen Wert ein. Dabei ist der Effekt bei Verwendung von sogenannten PTC-Pasten wie sie beispielsweise von der Firma DuPont oder Electro-Science Laboratories hergestellt werden, reversibel. Das heißt, nach Rückgang einer Temperatur am Bauteil wird der Widerstand der Kontaktstelle sich wieder auf das ursprüngliche Niveau begeben.
Alternativ, jedoch mit denselben Effekten wie bei Verwendung einer Mischung eines herkömmlichen Lots mit einer Widerstandspaste, kann die Kontaktstelle als Schichtsystem ausgebildet sein. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn auf der Leiterplatte im Bereich zum Beispiel eines Lötpads die Widerstandspaste aufgebracht wird. Herkömmliche Leiterplatten benötigen eine Passivierung (sog. Finishing) der freistehenden Elektrodenflächen (beispielsweise Kupfer). Die Widerstandspaste könnte beispielsweise als notwendige Passivierungsschicht (Oxidationsschutz) aufgebracht werden. Nach Aufsetzen des elektronischen Bauteils bzw. der untergeordneten elektronischen Baugruppe wird dann die elektrische Verbindung zwischen dem Lötpad und dem entsprechenden Kontakt des elektronischen Bauteils bzw. der untergeordneten elektronischen Baugruppe hergestellt, indem auf die Schicht Widerstandspaste ein Lot aufgebracht wird, mittels derer das Bauteil elektrisch verbunden und gegebenenfalls auch befestigt wird.
Als Material wir vorzugsweise eine auf einem Polymer basierende Widerstandspaste mit Silberfüllung verwendet. Die Schichtdicke der Widerstandspaste liegt vorzugsweise zwischen einschließlich 5µm und 50µm, weiter bevorzugt zwischen 5µm und 20µm, noch weiter bevorzugt zwischen 5µm und 10µm.
Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn das elektronische Bauteil bzw. die untergeordnete elektronische Baugruppe ein LED-Die/Chip, ein LED-Package (SMD-LED) bzw. ein LED-Modul ist. Bei LEDs bzw. LED-Modulen ist ganz unmittelbar eine Schutzwirkung zu erreichen, indem der Stromfluss durch die LED bzw. die mehreren LEDs eines LED-Moduls reguliert wird. Der Zerstörung einer LED bzw. eines LED-Moduls kann somit in äußerst einfacher Weise entgegengetreten werden. Die Montage kann sowohl in face-up als auch in face-down Technik erfolgen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf 1 hinsichtlich ihrer Details erläutert. Es zeigt

1 eine Darstellung eines elektronischen Bauteils bzw. einer untergeordneten elektronischen Baugruppe, welches auf einer Leiterplatte angeordnet ist, wobei die Kontaktstelle in erfindungsgemäßer Weise ausgebildet ist, und
2 eine Darstellung eines elektronischen Bauteils bzw. einer untergeordneten elektronischen Baugruppe, welches „kopfüber“ auf der Leiterplatte montiert ist.

In der 1 ist eine erfindungsgemäße elektronische Baugruppe 1 dargestellt. Die erfindungsgemäße elektronische Baugruppe 1 ist selbstverständlich lediglich als Beispiel dargestellt und kann eine Mehrzahl elektronischer Komponenten, einzelne Bauteile oder untergeordnete Baugruppen umfassen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf der Leiterplatte 2 ein elektronisches Bauteil 3 stellvertretend dargestellt. Ein elektronisches Bauteil 3, bei dem die Erfindung bevorzugt zum Einsatz kommt, ist eine LED. In der 1 ist eine Anordnung gezeigt bei der eine solche LED als Bauelement in sogenannter face-up Montage auf der Leiterplatte 2 montiert ist. Auf der linken Seite der Darstellung ist gezeigt, dass das elektronische Bauteil 3 mit einer Leiterbahn 4, die in an sich bekannter Weise auf der Leiterplatte 2 ausgebildet ist, elektrisch leitend verbunden ist. Hierzu ist eine elektrische Verbindung zwischen der Leiterbahn 4 und einem Kontaktelement 6 des elektronischen Bauteils 3, beispielsweise einem Bauelementepin, ausgebildet. Das dargestellte Ausführungsbeispiel einer Kontaktstelle umfasst eine Schicht 8 einer Paste aus temperaturabhängigen Material, vorzugsweise einem Material, das bei Überschreiten einer bestimmten und über das Material einstellbaren Temperatur hochohmig wird. Das Kontaktelement 6 des elektronischen Bauteils 3 ist auf diese Schicht 8 aufgesetzt und wird mit dieser dauerhaft und stabil durch Aufbringen eines Lots 9 verbunden. Das Aufbringen eines solchen Lots 9 kann auf der Schicht 8 in herkömmlicher Weise erfolgen. In diesem Fall einer Kontaktstelle, die die Schicht 8 eines Materials mit temperaturabhängigem Widerstand aufweist, kann ein herkömmliches Lötzinn als Lot eingesetzt werden.
Die Paste zur Bildung der Schicht 8 kann ein an sich bekanntes, während der Bearbeitung flüssiges, druckbares PTC-Material sein, das anschließend ausgehärtet wird, bevor das Kontaktelement 6 aufgelötet wird. Selbstverständlich kann der Aufbau auch umgekehrt erfolgen, d.h. die Schicht aus dem temperaturabhängigen Widerstandsmaterial ist dann an dem Kontaktelement 6 ausgebildet und wird auf die Leiterbahn 4 bzw. eine dort ausgebildete Lötstelle aufgelötet.
Eine Alternative zeigt die rechte Hälfte der Darstellung der 1. Dort ist ein Lot 13 zur Ausbildung der Kontaktstelle verwendet, welches eine idealerweise homogene Mischung aus einer PTC-Paste und einem herkömmlichen Lot darstellt. Zur Anpassung der Eigenschaften dieser Mischung können aus einem herkömmlichen Lot und der PTC-Paste noch weitere Additive hinzugefügt werden, die beispielsweise die Verarbeitung vereinfachen, indem Viskosität oder andere physikalische Parameter eingestellt werden. In der rechten Hälfte der Darstellung der 1 ist die Kontaktstelle allein durch das Fixieren des Kontaktelements 11 auf der Leiterbahn 10 mittels des Lots realisiert. In diesem Fall vereinfacht sich die Herstellung weiter, da das separate Auftragen der Paste als Schicht 8 in der Kontaktstelle entfallen kann. Andererseits hat die linke Version den Vorteil, dass durch Einstellen einer bestimmten Schichtdicke der Schicht 8 genau die Eigenschaften und insbesondere die Übergangstemperatur ab der sich der Widerstand erhöht eingestellt werden kann.
Anstelle eines Lots kann in dem in der 1 rechts dargestellten Beispiel auch ein Kleber verwendet werden, der zur Ausbildung der Kontaktstelle mit einer PTC-Paste vermengt wird. Die elektrische Leitfähigkeit der Kontaktstelle wird dann direkt durch den PTC-Pastenanteil erreicht.
In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde stets davon ausgegangen, dass die Paste zum Erzeugen des temperaturabhängigen Verhaltens der Kontaktstelle PTC-Eigenschaften hat. Wie einleitend bereits erläutert wurde, kann im Einzelfall auch vorgesehen sein, dass die Paste NTC-Eigenschaften hat. Dabei bedeutet PTC „Positive Temperature Coefficient“, also ein zunehmender Widerstand mit steigender Temperatur, NTC dagegen „Negative Temperature Coefficient“, also fallender Widerstand mit zunehmender Temperatur. Die Auswahl erfolgt abhängig von dem jeweiligen Einsatzfall. Insbesondere ist es auch möglich, unterschiedliche Kontaktstellen zu einzelnen Bauelementen oder untergeordneten elektronischen Baugruppen mit unterschiedlichem Temperaturverhalten auszubilden. Insbesondere ist auch das Verwenden sowohl einer Kontaktstelle, welche ein Schichtsystem aufweist, als auch Kontaktstellen mit einem gemischten Lot denkbar.
Um eine ökonomische Herstellung zu erreichen, kann insbesondere auch nur eine einzelne Kontaktstelle eines Bauteils mit einem solchen temperaturabhängigen Verhalten gebildet werden.
Bei der vorstehenden Erläuterung wurde das elektronische Bauelement stellvertretend genannt. Selbstverständlich kann das elektronische Bauelement durch eine untergeordnete elektronische Baugruppe ersetzt werden, welche wiederrum ein einzelner Bestandteil der gesamten elektronischen Baugruppe ist.
In der 2 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem das Bauelement oder die Baugruppe „kopfüber“ montiert ist (sog. „face-down-mounting“). Insbesondere bei einem LED-Die kann dies eine bevorzugte Anordnung sein. Die Kontakte sind dann der Leiterplatte 2 zugewandt und Bonddrähte sind nicht erforderlich. Vielmehr werden die Kontaktelemente des Bauelements 3 bzw. der Baugruppe direkt mit z.B. dem gemischten Lot 13' der Kontaktstelle in Verbindung gebracht. Selbstverständlich ist auch hier ein Aufbau vergleichbar mit der Kontaktstelle wie in 1 links gezeigt möglich.
Bei der in der 2 gezeigten Anordnung können die Kontaktstellen 13 und 13' auch als Folie realisiert sein, die das temperaturempfindliche Material umfasst. Alternativ kann eine Folie auch einseitig oder beidseitig mit dem temperaturabhängigen Material beschichtet sein. Eine solche Folie kann auf die Leiterplatte 2 oder allgemeiner auf den Träger aufgeklebt oder laminiert sein.
Die Schichtdicke für den bezüglich des Widerstands temperaturabhängigen Teil der Kontaktstellen ist vorzugsweise 5 bis 50µm. Diese Schichtdicke wird also entweder durch die Schicht 8 oder aber das gemischte Lot 13, 13' gebildet. Dabei ist eine Grenztemperatur von 120°C vorgesehen, oberhalb derer der Widerstand sehr schnell ansteigt, um ein Zerstören der LEDs bzw. LED-Baugruppe zu vermeiden. Unterhalb dieser Grenztemperatur ist dagegen der Widerstand möglichst gering, idealerweise nur einige mOhm.
Eine geeignete Widerstandspaste ist DuPont 7292. Allerdings sind ebenso andere Widerstandspasten einsetzbar, die einen Schichtwiderstand im Bereich von 10.0 kΩ bis 18.0 kΩ und die einen Verstärkungsfaktor bei einer Temperaturerhöhung von 25°C auf 85°C von 8 bis 10 haben und die auf einer auf einem Polymer basierenden Widerstandspaste mit Silberfüllung beruhen.

Claims

Elektronische Baugruppe umfassend eine Leiterplatte (2), wenigstens ein elektronisches Bauteil (3) oder untergeordnete Baugruppe, das/die zur Versorgung mit elektrischer Energie mit auf der Leiterplatte (2) vorgesehenen Leiterbahnen (4, 10) verbunden ist, wobei die elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen (4, 10) und dem Bauteil (3) oder der untergeordneten Baugruppe über Kontaktstellen (8, 9; 13) erfolgt, von denen wenigstens eine einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist.
Elektronische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand der Kontaktstelle (8, 9; 13, 13') mit zunehmender Temperatur steigt, insbesondere nichtlinear steigt.
Elektronische Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstelle (13, 13') mittels eines Lots realisiert wird, dem eine Widerstandspaste beigemengt ist.
Elektronische Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstelle (8, 9) als Schichtsystem mit wenigstens einer Schicht (8) Widerstandspaste und einer Schicht (9) Lot realisiert ist.
Elektronische Baugruppe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (8) bzw. die Kontaktstelle (13') vorzugsweise Dicke aufweist, die zwischen einschließlich 5µm und einschließlich 50µm, weiter bevorzugt zwischen einschließlich 5µm und einschließlich 20µm, noch weiter bevorzugt zwischen einschließlich 5µm und einschließlich 10µm liegt
Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil (3) eine LED ist.
Elektronische Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die LED in face-up Technik auf der Leiterplatte (2) montiert ist.
Elektronische Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die LED in face-down Technik auf der Leiterplatte (2) montiert ist.
Elektronische Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die LED ein oberflächenmontiertes Bauelement ist.
Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die untergeordnete elektronische Baugruppe ein LED-Modul ist.