Elektronik-Baugruppe
Die Erfindung betrifft eine Elektronik-Baugruppe sowie ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung dieser Elektronik-Baugruppe.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisie- rungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in
Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und
Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten,
Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck,
Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie unter Anderem Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem
Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Allgemein werden all diejenigen Geräte als Feldgeräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Daher werden im Zusammenhang mit der Erfindung unter Feldgeräten zusätzlich auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Speziell die elektronischen Baugruppen in Feldgeräten müssen aufgrund ihrer besonderen Einsatzbedingungen gekapselt werden. Dies dient einerseits dem Schutz der elektronischen Baugruppen vor Prozess-spezifischen
Umwelteinflüssen wie Staub, Temperatur oder korrosiver Atmosphäre.
Andererseits ist die Kapselung zwingend erforderlich, da das Feldgerät (und somit auch dessen elektronische Baugruppen) in explosionsgefährdeten Bereichen entsprechende Explosionsschutz-Vorschriften einhalten muss.
Aus dem Stand der Technik sind wirksame Explosionsschutz-Maßnahmen bereits bekannt. Entsprechende Vorschriften werden in Europa durch die Normenreihe EN 60079 festgelegt. Aus dieser geht hervor, dass zur explosionssicheren Kapselung von elektronischen Bauteilen unter anderem Druckkapselung und Vergusskapselung eingesetzt werden. Bei der
Verwendung eines Vergusses wird im Rahmen der Norm EN 60079-18 von der Explosionsschutzart„m" gesprochen. Im Fall von Druckfester Kapselung gemäß Explosionsschutzart„d" gilt die Norm EN 60079-1 . Darüber hinaus betreffen die aufgeführten Explosionsschutzvorschriften auch diejenigen elektrischen Schnittstellen der elektronischen Baugruppe, über die die Baugruppe durch die explosionssichere Kapselung hindurch nach außen kontaktierbar ist. Zur Einhaltung der Explosionsschutzbestimmungen ist es notwendig, diese Schnittstellen so auszulegen, dass über sie lediglich eine begrenzte Energie bzw. Leistung übertragebar ist. Dementsprechend ist auch die Datenübertragungs-Geschwindigkeit solch einer explosionssicheren Schnittstelle begrenzt. Bei der Fertigung der elektronischen Baugruppe ist dies jedoch insofern nachteilig, als dass sich der Fertigungsschritt des
Programmierens (auch als„flashen" bekannt) hierdurch deutlich verlangsamt: Während das Programmieren der elektronischen Baugruppe (oftmals basierend auf einem Microcontroller oder FPGA) beispielsweise über eine nicht-Explosionsschutz-geeignete JTAG- oder„Spy by Wire-" Schnittstelle innerhalb von Sekunden erfolgen kann, erfordert eine adäquate
Datenübertragung bspw. über eine explosionssichere digitale Schnittstelle bis zu über 10 Minuten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine sichere Elektronik- Baugruppe für ein Feldgerät bereitzustellen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine entsprechende Elektronik- Baugruppe. Diese umfasst erfindungsgemäß:
Zumindest ein elektronisches Bauteil,
zumindest eine elektrische Kontaktfläche zur elektrischen
Kontaktierung des zumindest einen elektronischen Bauteils,
- eine Kapselung (beispielsweise als Druckkapselung gemäß der Norm EN 60079-1 ausgelegt), die zumindest die zumindest eine elektrische Kontaktfläche kapselt. Dabei ist die Kapselung gemäß der Erfindung zumindest in einem Teilbereich derart ausgestaltet, dass die zumindest eine elektrische Kontaktfläche mittels zumindest eines elektrischen Kontaktstiftes, beispielsweise eines
Federkontaktstiftes, kontaktierbar ist. Weiterhin ist die Kapselung zumindest zwischen der zumindest einen Kontaktfläche und dem Teilbereich mit einem Weichverguss gefüllt.
Es wird somit die selbstheilende Eigenschaft des Weichvergusses genutzt. So verschließt sich die Einstichstelle eines Kontaktstiftes im Weichverguss nach Entfernen des Kontaktstiftes wieder selbstständig. Hiermit kann mittels der einen oder mehreren elektrische(n) Kontaktfläche(n) mindestens eine physikalische Schnittstelle zur Elektronik-Baumgruppe geschaffen werden, die nicht den Beschränkungen bezüglich der explosionsschutzbedingten Maximai- Übertragungsgeschwindigkeit unterworfen ist, die aber dennoch
Explosionsschutz bieten kann, weil sie eben durch den Weichverguss wiederverschlossen wird. Dabei kann als Weichverguss beispielsweise ein Elastomer, insbesondere SilGel® eingesetzt werden.
Eine sehr vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Elektronik- Baugruppe ist es von Vorteil, wenn die zumindest eine Kontaktfläche auf einer Leiterplatte angeordnet ist. Hierbei bietet es sich insbesondere an, wenn auch das elektronische Bauteil auf derselben Leiterplatte angeordnet ist. In diesem Fall kann die zumindest eine Kontaktfläche beispielsweise als
Leiterbahnstruktur ausgestaltet werden. Zur Verbesserung der
Kontaktierbarkeit durch den Kontaktstift bietet es sich in diesem Fall zudem an, die als Leiterbahn ausgestaltete Kontaktfläche durch Aufbringen eines
(Weich-)Lotes zu verstärken. Durch diese Verstärkung der Kontaktfläche wird es bei dessen Kontaktierung durch den Kontaktstift vermieden, dass dieser unerwünschter weise etwaige weitere elektrische Strukturen, die sich in der
Nähe der Kontaktflächen befinden, kontaktiert und somit gegebenenfalls mechanisch oder elektrisch schädigt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektronik- Baugruppe sieht vor, dass die Kapselung nicht nur die elektrische
Kontaktfläche, sondern auch das elektronische Bauteil kapselt. Die ist aus konstruktiver Sicht sehr praktikabel. Die Ausgestaltung des zumindest einen Teilbereichs der Kapselung ist im Rahmen der Erfindung auf verschiedene Arten möglich: Der Teilbereich kann nicht nur als Aussparung bzw. Loch ausgestaltet sein, damit die Kontaktfläche mittels des Kontaktstiftes
kontaktierbar ist. In dem zumindest einen Teilbereich kann auch eine
Membran angeordnet sein, die unter Aufwendung einer vordefinierten Kraft (F) auf den zumindest einen Kontaktstift durchstechbar ist. Um eine Schnittstelle bereitzustellen, über die die erfindungsgemäße
Elektronik-Baugruppe mittels eines schnellen JTAG-Protokolls kommunizieren kann, bietet es sich vorzugsweise an, wenn die Elektronik-Baugruppe hierfür JTAG-konform zumindest drei Kontaktflächen umfasst. Die Kontaktflächen sind in diesem Fall entsprechend mit dem elektronischen Bauteil (bei dem es sich um einen Microcontroller oder ein FPGA handeln kann) zu kontaktieren. Im Falle von nur einer einzigen vorhandenen Kontaktfläche, die als
explosionssichere und schnelle Schnittstelle der erfindungsgemäßen
Elektronik-Baugruppe dienen soll, wäre es indes möglich, die Masseleitung einer etwaig vorhandenen Explosionssicheren Schnittstelle der elektronischen Baugruppe mit zu nutzen.
Da unter anderem bei Feldgeräten bzw. deren Komponenten die
Notwendigkeit zur Einhaltung von Explosionsschutzvorgaben besteht, bietet es sich insbesondere an, die erfindungsgemäße Elektronik-Baugruppe in einem Feldgerät einzusetzen.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, wird korrespondierend zu der erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe zudem durch ein
entsprechendes Verfahren zur elektrischer Kontaktierung der elektronischen Baugruppe gelöst: Zur elektrischen Kontaktierung der Elektronik-Baugruppe in
einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen mittels zumindest eines elektrischen Kontaktstiftes umfasst das Verfahren zumindest den folgenden Verfahrensschritt: - Anpressen des zumindest einen elektrischen Kontaktstiftes auf den
Teilbereich mit einer vordefinierten Anpresskraft (F), wobei die
Anpresskraft derart gewählt ist, dass der Kontaktstift durch den
Weichverguss hindurch auf die Kontaktfläche gepresst wird. Hierdurch wird es ermöglicht, das elektronische Bauteil über den zumindest einen Kontaktstift zu kontaktieren bzw. zu programmieren, wobei der
Kontaktstift nach Ende des Programmierens über den Teilbereich wieder aus der Kapselung entfernt werden kann. Dabei verschließt sich der Weichverguss wieder entsprechend selbstheilend.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : Eine mittels eines Kontaktstiftes kontaktierbare Elektronik-Baugruppe. In Fig. 1 ist eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Elektronik-Baugruppe 1 gezeigt. Sie basiert im Kern auf einem elektronischen Bauteil 1 1 , dass auf einer Leiterplatte 15 angeordnet ist. Dabei kann es sich bei dem elektronischen Bauteil 1 1 beispielsweise um einen Microcontroller handeln. Die Elektronik-Baugruppe 1 ist durch eine (Druck-) Kapselung 1 3 gekapselt, wodurch die Elektronik-Baugruppe 1 bei entsprechender Auslegung dieser Kapselung 13 in einem explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kapselt die Kapselung 13 all diejenigen Bauteile 1 1 12, auf der Leiterplatte 15, die sich in Bezug zur Leiterplatte 15 auf der Seite des elektronischen Bauteils 1 1 befinden. Durch die Kapselung 13 ist die Elektronik-Baugruppe 1 somit z. B. für den Einsatz in einem Feldgerät prädestiniert.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Darstellung umfasst die Elektronik-Baugruppe 1 eine explosionssichere Schnittstelle 16, über die zumindest das elektronische
Bauteil 1 1 elektrisch kontaktierbar ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die explosionssichere Schnittstelle 16 auf derjenigen Seite der Leiterplatte 15 angeordnet, die dem elektronischen Bauteil 1 1 abgewandt ist. Da die explosionssichere Schnittstelle 16 aus dem Bereich der Elektronik-Baugruppe 1 , der von der Kapselung 13 gekapselt wird, herausführt, muss die
explosionssichere Schnittstelle 16 in ihrer maximal übertragbaren Leistung, und somit in ihrer maximalen Datenübertragungsrate begrenzt sein. Ein Programmieren (oder auch„flashen") des elektronischen Bauteils 1 1 , bspw. um die Elektronik-Baugruppe 1 später in einem Feldgerät einsetzen zu können, wäre somit über diese explosionssichere Schnittstelle 16
entsprechend zeitintensiv (z. B. weil über ein vergleichsweise langsames 4-20 mA Protokoll kommuniziert werden muss).
Erfindungsgemäß umfasst die Elektronik-Baugruppe 1 daher zusätzlich zumindest eine elektrische Kontaktfläche 12, die innerhalb der Kapselung 13 auf der Leiterplatte 15 angeordnet ist und mit dem elektronischen Bauteil 1 1 verbunden ist (aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in Fig. 1 nur eine einzige Kontaktfläche 12 dargestellt. In der Praxis ist die Anzahl an Kontaktflächen 12 jedoch insbesondere von dem verwendeten Schnittstellentyp abhängig zu machen). Die elektrische Kontaktfläche 12 kann dabei im einfachsten Fall als eine gegebenenfalls in ihrer Dicke verstärkte Leiterbahnstruktur auf der Leiterplatte 15 realisiert sein.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Kapselung 13 in einem Teilbereich 131 oberhalb der elektrischen Kontaktfläche 12 so ausgelegt, dass die
Kontaktfläche 12 mittels zumindest eines Kontaktstiftes 2, beispielsweise einem in der Elektrotechnik weit verbreiteten Federkontaktstift, kontaktierbar ist. Hierzu kann der entsprechende Teilbereich 131 der Kapselung 13, wie dargestellt, beispielsweise als komplette Aussparung ausgestaltet sein.
Denkbar wäre jedoch auch, dass in diesem Teilbereich 131 eine Membran (beispielsweise eine entsprechende Verdünnung der Kapselung 13) angeordnet ist, die bei Aufwendung einer entsprechenden Kraft F durch den Kontaktstift 2 durchstechbar ist.
Damit die Elektronik-Baugruppe 1 nach Entfernen des Kontaktstiftes 2 trotz des nun geöffneten Teilbereichs 131 einen geeigneten Explosionsschutz aufweist, ist erfindungsgemäß innerhalb der Kapselung 13 zusätzlich ein Weichverguss 14 vorgesehen, der zumindest die elektrische Kontaktfläche 12 (und im gezeigten Ausführungsbeispiel auch das elektronische Bauteil 1 1 ) kapselt. Hierdurch wird erfindungsgemäß der Effekt genutzt, dass sich der Weichverguss 14 nach Einstechen und anschließendem Herauszeihen des Kontaktstifts 2 selbstständig wieder verschließt, also quasi selbstheilend ist. Dies wiederum bewirkt bei entsprechender Auslegung des Weichvergusses 14 einen Explosionsschutz, beispielsweise gemäß der Norm EN 60079-1 1 (Vergusskapselung). Somit wird über die zumindest eine elektrische
Kontaktfläche 12 eine potentielle Schnittstelle für die elektronische Baugruppe 1 geschaffen, die bezüglich des elektrischen Leistungs- bzw. Datenvolumens nicht den Restriktionen etwaiger Explosionsschutzvorgaben unterliegt, den Explosionsschutzvorgaben aber dennoch entspricht.
Bezugszeichenliste
1 Elektronik-Baugruppe
2 Elektrischer Kontaktstift
1 1 Elektronisches Bauteil
12 Elektrische Kontaktfläche
13 Kapselung
14 Weichverguss
15 Leiterplatte
16 Explosionssichere Schnittstelle
131 Teilbereich
F An press kraft