DE102007005877B4 - Verbindungssystem für Leiterplatten - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verbindungssystem für Leiterplatten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbindungssystems, insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen in der Automobilindustrie.
- Stand der Technik
- Moderne Mechatroniken, das heißt insbesondere Steuerelektroniker, die direkt vor Ort beispielsweise in einem Getriebe oder in einem Motor eingesetzt werden, unterliegen einer Vielzahl von umgebungsabhängigen Anforderungen. Neben der Langzeitstabilität und Ausfallsicherheit der Steuerung stehen die erhöhten Betriebstemperaturen sowie die durch die ständige Vibrationsbelastung mechanisch anspruchsvolle Umgebung des Motors oder Getriebes im Vordergrund. Daher ist es unerlässlich, dass die empfindlichen Elektroniken und Leiterplatten (PCBs) soweit wie möglich vor diesen Einflüssen geschützt werden. Gerade die Konzeption der Befestigungs- und Verbindungsstellen der Leiterplatten stellt eine große Herausforderung dar.
- Es sind verschiedene Konzepte bekannt, die elektrische Kontaktierung zweier Leiterplatten oder zwischen Leiterplatte und den darauf montierten elektronischen Bauteilen beispielsweise in der Leadframe-Technik und durch andere Einpressverbindungen herzustellen. Unter diesen Verbindungssystemen spielen verstärkt die lötfreien Konzepte eine entscheidende Rolle, da die gesetzlichen Auflagen zur Umweltverträglichkeit und zum Recycling von elektronischen Komponenten in den letz ten Jahren eine Abkehr von gelöteten Verbindungen hervorgerufen haben.
- Die
DE 20 2006 008 439 U1 beschreibt ein Konzept zur elektrischen Kontaktierung einer Leiterplatte mit einem elektronischen Bauelement, in dem ein angelötetes Formteil aus Blech mit einer federnden Aufnahme für ein Steckteil zur Anbindung von leitenden Strukturen auf der Leiterplatte an Masse oder weiterführende Netzwerke vorgesehen ist. Auf diese Weise wird eine mechanisch und elektrisch haltbare Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem elektronischen Bauelement hergestellt. Bei diesem Konzept muss das Steckteil jedoch durch Löten mit der Leiterplatte verbunden werden. Daraus ergeben sich bereits die oben kurz dargestellten Nachteile in der Umweltverträglichkeit und der Recyclebarkeit der endgültigen elektronischen Bauteile. - Nachteilig ist zudem, dass sich dieses Konzept nur auf die speziellen Kontaktierungen mittels einer federnden Aufnahme aus Blech für das Steckteil anwenden lässt. Die Ausgestaltung der Leiterplatte mit einer federnden Aufnahme stellt jedoch einen weiteren, unerwünschten und teilweise nicht zu realisierenden Herstellungsaufwand dar.
- Darüber hinaus sind in der jüngsten Vergangenheit verschiedene Einpress-Stifte zur Kontaktierung an eine Leiterplatte entwickelt worden, bei denen die elektrische Kontaktierung in durchkontaktierten Löchern in der Leiterplatte mit federnd nachgiebigen Bereichen der Einpress-Stifte hergestellt und gesichert wird.
- So ist aus der
DE 10 2006 017 587 A1 eine Anordnung zur elektrischen Kontaktierung von Leiterplatten mittels eines Einpress-Stiftes bekannt, der im Bereich des Presspassungsbereichs eine Stufe aufweist. - Ein weiteres Beispiel für eine gattungsgemäße Kontaktierung wird in der
DE 20 2005 014 070 U1 beschrieben. Dort wird ein mäanderförmiger Presspassungsbereich für die Einpress-Stifte vorgeschlagen, um eine erhöhte Flexibilität bei der Montage bereit zu stellen. - Auch in der
DE 20 2004 012 466 U1 wird ein spezieller Einpress-Stift zur Kontaktierung von elektronischen Bauteilen oder weiteren Leiterplatten an eine erste Leiterplatte beschrieben. Die Einpress-Stifte weisen mindestens zwei mit Abstand übereinander liegende Einpresszonen auf, welche komplementär zu den entsprechenden unterschiedlichen Lochungen der Bauteile oder Leiterplatten dimensioniert sind. - Die
US 3,400,358 beschreibt einen Einsteckverbinder, der aus zwei nach außen gewölbten Drähten zusammengeschweißt ist. Der Einsteckverbinder kann dabei mehr als einen gewölbten Bereich aufweisen. Mit diesen mehreren gewölbten Bereichen kann der Einsteckverbinder durch mehrere Leiterplatten hindurch gesteckt werden und diese verbinden. Der Einsteckverbinder kann in eine metallisierte Öffnung einer ersten Leiterplatte oder eines Moduls mit einer gedruckten Schaltung eingesteckt werden und mittels einer Lötverbindung befestigt. - Die
US 6,305,949 B1 offenbart eine Verbindungsstruktur für Leiterplatten mit ein oder mehreren Einpress-Kontaktstiften, die zwei übereinander angeordnete Einpresszonen aufweisen. Mittels dieser Kontaktstifte werden eine isolierende Schutzvorrichtung, sowie zwei Leiterplatten miteinander verbunden. Die Kontaktstifte und die Einpresszonen, sowie der Abstand der Leiterplatten sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass der Eintritt der Einpresszonen in die Öffnungen der beiden Leiterplatten stufenweise erfolgt, so dass die notwendigen Einpresskräfte und die damit verbundene Gefahr des Verbiegens der Kontaktstifte vermindert werden. - Nachteilig an den bisherigen Weiterentwicklungen der Einpress-Stifte bleibt die Tatsache, dass sie jeweils einzeln aufgefädelt werden müssen, bevor sie mit der Leiterplatte verpresst werden. Dies spielt gerade bei Leiterplatten mit größeren Abmessungen eine wichtige Rolle, da hier eine umso höhere Genauigkeit erzielt werden muss, je mehr Kontaktstifte in einem Arbeitsgang einzufädeln sind.
- Aufgabenstellung
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verbindungssystem zur elektrischen Kontaktierung von Leiterplatten bereit zu stellen, das eine vereinfachte Montage erlaubt und gleichzeitig die Vorteile der Einpressverbindungen aufweist. Insbesondere sollen die Positionen der einzelnen Stifte auch bei größeren Abmessungen der Leiterplatte ohne zusätzliche Fädelhilfe sichergestellt werden können bei gleichzeitigem Toleranzausgleich.
- Dies wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung entsprechend des Patentanspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung gemäß Anspruch 8 erreicht.
- Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein Verbindungssystem für Leiterplatten zur Verfügung zu stellen, in dem auf einem separaten flexiblen Kontaktträger ein oder mehrere Kontaktstifte eingesteckt sind, der Kontaktträger mit einer ersten Leiterplatte mit aufgesetzten elektronischen Bauelementen und mindestens mit einer zweiten Leiterplatte mittels Einpressen verbindbar ist und dass die Einpress-Kontaktstifte mindestens zwei voneinander beabstandete Bereiche von Einpresszonen aufweisen, wobei an der Oberseite des Kontaktträgers zusätzliche Aufnahme-Halterungen vorgesehen sind, die an die elektronischen Bauelemente der ersten Leiterplatte angepasst sind und diese aufnehmen und stützen können.
- Das modulare Verbindungssystem der vorliegenden Erfindung weist gegenüber den bisher einzelnen eingefädelten und montierten Einpress-Stiften den entscheidenden Vorteil auf, dass es eine vereinfachte Montage auch vieler Kontaktstifte gleichzeitig erlaubt und zudem die Vorteile der Einpressverbindungen aufweist. Insbesondere können die Positionen der einzelnen Stifte auch bei größeren Abmessungen der Leiterplatte ohne zusätzliche Fädelhilfe sichergestellt werden bei gleichzeitigem Toleranzausgleich durch die Flexibilität des Kontaktträgers. Zusätzlich können die Aufnahme-Halterungen am Kontaktträger elektronische Bauelemente aufnehmen und stützen. Die Aufnahme-Halterung des Kontaktträgers kann außerdem die Leiterplatte und/oder die elektronischen Bauelemente zusätzlich gegen Relativbewegungen schützen.
- Es werden keine aufwendigen und teueren Werkzeuge zur Herstellung benötigt. Der modulare Aufbau aus mindestens einem Einpress-Kontaktstift und dem Kontaktträger erlaubt zudem eine kostengünstige und flexible Anpassung des Verbindungssystems an unterschiedliche Vorgaben beispielsweise zur Anzahl und Beabstandung der einzelnen Kontaktstifte.
- Die Kontaktstifte sind in der Regel aus elektrisch leitendem Metallblech oder Kunststoff gefertigt. Üblicherweise werden die Kontaktstifte in einer standardisierten Länge zwischen 20 und 40 mm verwendet. Spezielle Getriebe- oder Motorkonstruktionen können jedoch auch kürzere oder erheblich längere Kontaktstifte erfordern. Diese können leicht Abmessungen zwischen 60 mm und 70 mm aufweisen.
- Bevorzugt sind die metallischen Einpress-Kontaktstifte mit Gold oder Silber plattiert.
- Die Einpress-Kontaktstifte können jeweils im Bereich der Einpresszonen eine Schlitzöffnung aufweisen, so dass sie in diesem Bereich elastisch sind und die für die Einpressverbindung notwenigen Kräfte durch Verformung der Einpresszonen aufgebracht werden. Die Einpresszonen werden bei der Kontaktierung in den dazu vorgesehenen Durchgangsbohrungen der Leiterplatte, die bevorzugt mit metallischen Hülsen ausgekleidet sind, zur Anlage gebracht.
- Die Einpress-Kontaktstifte können in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mindestens zwei voneinander unterschiedlich dimensionierte Einpresszonen aufweisen. Auf diese Weise können auch Leiterplatten mit unterschiedlich groß dimensionierten Durchkontaktierungen miteinander verbunden werden, ohne dass es eines weiteren Kontakts oder Übergangs bedarf.
- So können Kriechströme vermieden und eine einwandfreie elektrische Kontaktierung sichergestellt werden.
- Gerade im Hinblick auf solche lötfreien Verbindungen mittels Durchkontaktierung, die erhöhten mechanischen Beanspruchungen durch Vibrationen ausgesetzt sind, wie sie beispielsweise bei Getrieben und in Motoren vorherrschen, wird neben der vereinfachten Montage ein langlebiger und sicherer Kontakt mit definiertem Abstand der Leiterplatten gewährleistet.
- Die Einpress-Kontaktstifte sind zur einfachen Montage bevorzugt mit einer Einpresswerkzeug-Aufnahme ausgestattet. Zusätzlich können sie unterhalb der Einpresswerkzeug-Aufnahme eine Schulter aufweisen. Diese bevorzugte Ausgestaltung ermöglicht wirksam, eine genaue Positionierung in Verbindung mit dem Montage-Werkzeug zu gewährleisten und stellt damit ein sicheres Einfädeln der Kontaktstifte im erfindungsgemäßen Verbindungssystem sicher.
- Der flexible Kontaktträger kann vorzugsweise aus einem Material gefertigt sein, das unter allen Betriebs- und Umgebungsbedingungen stabil bleibt und die entsprechenden Langzeitstabilitäten aufweist. Mit anderen Worten ist der Kontaktträger bevorzugt aus flexiblem Kunststoff gefertigt. Beispielsweise kann als Material PA 6.6 (Polyamid 6.6), PPS (Polyphenylensulfid) oder Polycarbonat eingesetzt werden.
- Aufgrund seiner Flexibilität kann der Kontaktträger gerade bei Leiterplatten mit großen Abmessungen vorteilhaft eingesetzt werden, denn er kann zugleich die Positionierung der einzelnen Kontaktstifte sichern und den Toleranzausgleich für ein vereinfachtes Einfädeln der Leiterplatten und damit für eine vereinfachte Montage insgesamt der beiden Leiterplatten herstellen. Auf diese Weise wird der Vorgang des Einfädelns der zweiten Leiterplatte vor allem bei vergleichsweise großen Leiterplatten erheblich erleichtert.
- In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können auf dem Kontaktträger beidseitig Einpress-Kontaktstifte angeordnet sein.
- Dadurch wird eine größere Flexibilität des modularen Aufbaus erreicht.
- Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verbindungssystem kann hergestellt werden, in dem ein flexibler Kontaktträger hergestellt wird, sich daran die Bestückung des Kontaktträgers mit einer vorgegebenen Anzahl von Einpress-Kontaktstiften anschließt und mit einer fertig mit elektronischen Bauteilen bestückten ersten Leiterplatte verpresst wird. Im letzten Schritt wird der so hergestellte Verbund aus erster Leiterplatte und Kontaktträger mit einer zweiten Leiterplatte verpresst.
- In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die erste Leiterplatte bereits fertig mit elektronischen Bauteilen bestückt sein.
- Darüber hinaus kann die Positionierung der ersten Leiterplatte zusätzlich mittels an den Schultern der Kontaktstifte vorgesehenen Nasen erfolgen. Die Nasen können als Anschlag vor allem beim nachfolgenden Einpress-Schritt der ersten Leiterplatte dienen. Sie fungieren zuverlässig als indikative Begrenzung des Einpressvorgangs.
- Ein erfindungsgemäßer Aufbau eines Verbindungssystems kann besonders bevorzugt als Bestandteil einer Mechatronik, insbesondere für Getriebe und/oder für Motoren, in der Automobilindustrie verwendet werden.
- Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von einer Ausführungsvariante in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert.
- In dieser zeigt:
-
1 eine perspektivische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kontaktträgers mit eingesteckten Kontaktstiften, -
2 in einer perspektivischen Ansicht einen Kontaktstift aus1 , -
3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems mit aufgesetzten Bauelementen, und -
4 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Verbindungssystems aus3 aufgesetzt auf eine Haupt-Leiterplatte. -
1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kontaktträgers2 mit mehreren eingesteckten Kontaktstiften3 . An der Oberseite des Kontaktträgers sind zusätzliche, beispielsweise U-förmige, Aufnahme-Halterungen12 vorgesehen, die an die elektronischen Bauelemente der ersten Leiterplatte9 angepasst sind und diese aufnehmen und stützen können. Der Kontaktträger kann aus Kunststoff, bevorzugt aus PA 6.6, PPS oder Polycarbonat, gefertigt sein. Die Kontaktstifte3 sind zu beiden Seiten des Kontaktträgers2 angeordnet und jeweils über eine Einsteckverbindung passgenau mit diesem verbunden. Hierdurch wird eine flexible Halterung der Kontaktstifte3 im Kontaktträger2 in einem definierten Abstand gewährleistet. Die Anzahl und die Beabstandung der Kontaktstifte kann vorteilhafterweise je nach Anforderung angepasst werden. Zur vereinfachten Montage sind die Einpress-Kontaktstifte3 mit einer Einpresswerkzeugaufnahme5 ausgestattet, die oberhalb der Einsteckverbindung mit dem Kontaktträger2 angeordnet ist. Unterhalb der Einsteckverbindung sind die Einpresszonen4 der Kontaktstifte2 zur Verbindung mit ein oder mehreren Leiterplatten angeordnet. Vorteilhafterweise kann so über die Einpress-Kontaktstifte3 eine lötfreie Verbindung mittels Durchkontaktierung und ein langlebiger und sicherer Kontakt mit der oder den Leiterplatten hergestellt werden. -
2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Kontaktstift3 aus1 . Der Kontaktstift weist an seinem oberen Ende eine Einpresswerkzeug-Aufnahme5 auf, die der einfachen Montage dienen kann. Unterhalb der Einpresswerkzeug-Aufnahme5 weist der Kontaktstift3 eine Schulter6 mit daraus hervorstehenden Nasen7 auf. Hierdurch kann wirksam eine Positio nierungshilfe in Form eines Anschlags für den nachfolgenden Einpressschritt der ersten Leiterplatte vorgegeben werden. Die beiden Einpresszonen4 sind unterschiedlich dimensioniert, wobei die obere, zur Einpresswerkzeug-Aufnahme5 gerichtete Einpresszone4 größer ist als die darunter liegende und zusätzlich eine größere Schlitzöffnung11 aufweist. Auf diese Weise können eine erste und eine zweite Leiterplatte9 ,10 mit unterschiedlich großen Durchkontaktierungen miteinander verbunden werden. -
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems1 mit einem Kontaktträger2 aus1 und einer ersten Leiterplatte9 mit aufgesetzten elektronischen Bauelementen8 . Der Kontaktträger2 ist auf eine erste Leiterplatte aufgesetzt und über die Einpress-Kontaktstifte3 mit dieser verbunden. An der Oberseite des Kontaktträgers sind zusätzliche, beispielsweise U-förmige, Aufnahme-Halterungen12 vorgesehen, die an die elektronischen Bauelemente der ersten Leiterplatte9 angepasst sind und diese aufnehmen und stützen können. Die Aufnahme-Halterung12 des Kontaktträgers2 kann die Leiterplatte9 und/oder die elektronischen Bauelemente8 zusätzlich gegen Relativbewegungen schützen. An der Unterseite des Kontaktträgers2 können zudem Steckstifte13 angeordnet sein, die zur Befestigung an einer oder mehreren weiteren Leiterplatten10 dienen können. Die Steckstifte13 können eine oder mehrere Stufen14 aufweisen, die dazu dienen die Beabstandung zu der jeweils nächsten Leiterplatte, beispielsweise der Haupt-Leiterplatte10 , sicher festzulegen. Die Stufe14 eines solchen Steckstifts13 kann im montierten Zustand auf der darunter liegenden Leiterplatte aufliegen. Dies hat zusätzlich den Vorteil, dass die Einpress-Kontaktstifte3 mechanisch entlastet werden und diese nicht das vollständige Gewicht der darüber liegenden Elemente des Verbindungssystems1 tragen müssen. Bei einer zweistufigen Montage der beiden Leiterplatten können die Steckstifte13 zudem zum Schutz der hervorragenden Kontaktstifte dienen, solange eine zweite Leiterplatte nicht montiert ist. -
4 zeigt eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Verbindungssystems1 aus3 aufgesetzt auf eine Haupt-Leiterplatte10 . - Zusammenfassend wird aufgrund des erfindungsgemäßen Verbindungssystems erstmals die Herstellung von einem Verbindungssystem für Leiterplatten mit Durchkontaktierung bereit gestellt, in dem auf einem separaten flexiblen Kontaktträger ein oder mehrere Kontaktstifte eingesteckt sind, der Kontaktträger mit einer ersten Leiterplatte und mindestens mit einer zweiten Leiterplatte mittels Einpressen verbindbar ist und die Einpress-Kontaktstifte mindestens zwei voneinander beabstandete Bereiche von Einpresszonen aufweisen, wobei der Kontaktträger zusätzliche Aufnahme-Halterungen für elektronische Bauelemente aufweist.
- Mit dem erfindungsgemäßen Verbindungssystem kann eine Standardisierung eingeführt werden, die vorteilhafterweise eine vorherige Fertigung von genau positionierten Einpress-Kontaktstiften für die nachfolgende Verpressung mit den Leiterplatten ermöglicht. Mit einem ebenfalls standardisierten Presswerkzeug ist so eine erheblich vereinfachte Montage der Einpress-Kontaktstifte zur elektrischen Kontaktierung gegeben.
- Durch einen standardisierten Aufbau kann weiterhin eine erleichterte Qualitätskontrolle und damit eine erhebliche Fehlerreduktion solcher Bauteile aufgrund von schadhaften Kontakten erzielt werden.
Claims (10)
- Verbindungssystem (
1 ) für Leiterplatten mit Durchkontaktierung dadurch gekennzeichnet, dass auf einem separaten flexiblen Kontaktträger (2 ) ein oder mehrere Kontaktstifte (3 ) eingesteckt sind, der Kontaktträger (2 ) mit einer ersten Leiterplatte (9 ) mit aufgesetzten elektronischen Bauelementen und mindestens mit einer zweiten Leiterplatte (10 ) mittels Einpressen verbindbar ist und dass die Einpress-Kontaktstifte (3 ) mindestens zwei voneinander beabstandete Bereiche von Einpresszonen (4 ) aufweisen, wobei an der Oberseite des Kontaktträgers (2 ) zusätzliche Aufnahme-Halterungen (12 ) vorgesehen sind, die an die elektronischen Bauelemente (8 ) der ersten Leiterplatte (9 ) angepasst sind und diese aufnehmen und stützen können. - Verbindungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktträger (
2 ) aus Kunststoff, bevorzugt aus PA 6.6, PPS oder Polycarbonat gefertigt ist. - Verbindungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kontaktträger (
2 ) beidseitig Einpress-Kontaktstifte (3 ) angeordnet sind. - Verbindungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpress-Kontaktstifte (
3 ) mindestens zwei voneinander unterschiedlich dimensionierte Einpresszonen (4 ) aufweisen. - Verbindungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpress-Kontaktstifte (
3 ) jeweils im Bereich der Einpresszonen (4 ) eine Schlitzöffnung (11 ) aufweisen. - Verbindungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpress- Kontaktstifte (
3 ) mit einer Einpresswerkzeug-Aufnahme (5 ) ausgestattet sind. - Verbindungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpress-Kontaktstifte (
3 ) zusätzlich unterhalb der Einpresswerkzeug-Aufnahme (5 ) eine Schulter (6 ) mit Nasen (7 ) aufweisen. - Verfahren zur Herstellung eines Verbindungssystems (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Schritte: – Herstellung eines flexiblen Kontaktträgers (2 ), – Bestückung des Kontaktträgers (2 ) mit einer vorgegebenen Anzahl von Einpress-Kontaktstiften (3 ), – Verpressen einer aufgesetzte elektronische Bauelemente aufweisenden ersten Leiterplatte (9 ) mit dem Kontaktträger (2 ), wobei an der Oberseite des Kontaktträgers (2 ) zusätzliche Aufnahme-Halterungen vorgesehen sind, die an die elektronischen Bauelemente (8 ) der ersten Leiterplatte angepasst sind und diese aufnehmen und stützen können, und – Verpressen des so hergestellten Verbunds aus erster Leiterplatte (9 ) und Kontaktträger (2 ) mit einer zweiten Leiterplatte (10 ). - Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte (
9 ) bereits fertig mit elektronischen Bauteilen (8 ) bestückt ist. - Verwendung eines Verbindungssystems (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Bestandteil einer Mechatronik, insbesondere für Getriebe und/oder für Motoren in der Automobilindustrie.
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