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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Verbindungselement zur Verbindung einer Leiterplatte mit einem elektrischen Bauteil sowie eine elektrische Baugruppe mit einer Leiterplatte und dem elektrischen Verbindungselement.
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Zur elektrischen Kontaktierung einer Leiterplatte werden Verbindungselemente benötigt. Diese Verbindungselemente können mittels Einpressen, SMD- oder THT-Technologie auf die Leiterplatte aufgebracht werden. Bei der Verwendung zweier Leiterplatten ist ein Verbindungselement im gewünschten Winkel notwendig. Verbindungselemente können an kritischen Querschnitten nur eingeschränkt erwärmt werden. Des Weiteren weisen Verbindungselemente nach dem Stand der Technik aufgrund thermischer Limitierungen eine eingeschränkte Stromtragfähigkeit auf. Herkömmliche Verbindungselemente weisen des Weiteren eine eingeschränkte Kraftaufnahme in Steckrichtung auf oder benötigen einen zusätzlichen Gehäusekörper. Es wäre wünschenswert, ein elektrisches Verbindungselement zu besitzen, welches bei einfacher und kostengünstiger Herstellbarkeit eine zuverlässige Verbindung einer Leiterplatte mit einem elektrischen Bauteil ermöglicht. Insbesondere soll das elektrische Verbindungselement eine Optimierung des Bauraums ermöglichen und durch eine verbesserte Kühlung den Wirkungsgrad steigern.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße elektrische Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass bei einer einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit eine zuverlässige Verbindung von einer Leiterplatte mit einem elektrischen Bauteil ermöglicht wird. Dabei kann das elektrische Verbindungselement zu einer Optimierung des Bauraums beitragen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das elektrische Verbindungselement einen Grundkörper an einem ersten Ende des elektrischen Verbindungselements und einen Kontaktbereich an einem zweiten Ende des elektrischen Verbindungselements umfasst. Dabei erstreckt sich das elektrische Verbindungselement parallel zu einer Längsebene. Das elektrische Verbindungselement ist senkrecht zu der Längsebene in einem Fügebereich einer Leiterplatte einbringbar, so dass die Längsebene komplanar zu einer Leiterplattenebene der Leiterplatte angeordnet ist, um eine feste Verbindung mit der Leiterplatte auszubilden. Der Kontaktbereich des elektrischen Verbindungselements ist eingerichtet, ein elektrisches Bauteil zu kontaktieren, um die Leiterplatte elektrisch und mechanisch mit dem elektrischen Bauteil zu verbinden. Die Leiterplattenebene verläuft insbesondere mittig durch die Leiterplatte. Durch die flache Ausführung des elektrischen Verbindungselements, welches sich entlang der Längsebene erstreckt, sowie der Fähigkeit, senkrecht zu der Längsebene in einen Fügebereich der Leiterplatte eingebracht zu werden, kann eine zuverlässige Verbindung zwischen dem elektrischen Verbindungselement und der Leiterplatte ausgebildet werden. Dabei kann das elektrische Verbindungselement mittels des Kontaktbereichs an dem zweiten Ende des elektrischen Verbindungselements zuverlässig eine elektrische und mechanische Verbindung mit dem elektrischen Bauteil ausbilden. Durch die flache Ausführung des elektrischen Verbindungselements kann dieses einfach und kostengünstig hergestellt werden. Ferner ermöglicht die Einbringbarkeit des elektrischen Verbindungselements in die Leiterplatte, wobei die Längsebene und die Leiterplattenebene komplanar zueinander ausgerichtet sind, eine hohe Kraftaufnahme des elektrischen Verbindungselements in Steckrichtung.
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Das elektrische Bauteil ist vorzugsweise eine weitere Leiterplatte. Weiter bevorzugt grenzt der Grundkörper an den Kontaktbereich an.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise umfasst der Grundkörper einen Kopfbereich mit einem ersten Durchmesser und einen Halsbereich mit einem zweiten Durchmesser. Dabei ist der Kopfbereich an dem ersten Ende und der Halsbereich in Richtung des Kontaktbereichs angeordnet. Der erste Durchmesser ist größer als der zweite Durchmesser, so dass entlang der Leiterplattenebene eine formschlüssige Verbindung mit der Leiterplatte ausbildbar ist. Somit ist das elektrische Verbindungselement eingerichtet, in eine Hinterschneidung in der Leiterplatte einzugreifen, um die formschlüssige Verbindung auszubilden. Hierdurch können zuverlässig hohe Kräfte von dem elektrischen Verbindungselement auf die Leiterplatte übertragen werden, ohne dass das elektrische Verbindungselement aus der Leiterplatte ausbricht.
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Weiter bevorzugt weist der Kopfbereich entlang der Längsebene einen kreisförmigen Querschnitt auf. Der kreisförmige Querschnitt kann die Kraftübertragung von dem elektrischen Verbindungselement auf die Leiterplatte verbessern und Spannungsspitzen reduzieren.
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Des Weiteren weist der Grundkörper vorzugsweise Kontaktnasen auf, die eingerichtet sind, die Leiterplatte zu kontaktieren, um eine Pressverbindung mit der Leiterplatte auszubilden. Hierdurch kann zuverlässig eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem elektrischen Verbindungselement und der Leiterplatte ausgebildet werden. Die Kontaktnasen erstrecken sich vorzugsweise senkrecht zur Längsebene.
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Weiter bevorzugt ist das elektrische Verbindungselement ein Stanzprägebauteil. Durch die flache Ausführung des elektrischen Verbindungselements entlang einer Längsebene kann dieses zuverlässig und kostengünstig als Stanzprägebauteil ausgeführt werden. Zusätzlich kann das elektrische Verbindungselement vorzugsweise spanend bearbeitet werden. Des Weiteren kann das elektrische Verbindungselement zusätzlich passiviert werden.
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Der Kontaktbereich des elektrischen Verbindungselements bildet vorzugsweise ein Lötpin oder einen Einpresspin aus. Hierdurch kann eine zuverlässige Verbindung der Leiterplatte mittels des elektrischen Verbindungselements mit dem elektrischen Bauteil ermöglicht werden. Die Kontaktierung mittels eines Lötpins oder eines Einpresspins kann einfach in den Herstellungsprozess integriert werden.
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Der Grundkörper weist vorzugsweise eine größere Höhe senkrecht zur Längsebene auf als der Kontaktbereich. Somit kann der Grundkörper zuverlässig in der Leiterplatte fixiert werden und der Kontaktbereich mit reduzierter Kraft mit dem elektrischen Bauteil verbunden werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Baugruppe, umfassend eine Leiterplatte und ein zuvor beschriebenes elektrisches Verbindungselement. Dabei bildet das elektrische Verbindungselement mit einem Fügebereich der Leiterplatte eine feste Verbindung aus, wobei die Längsebene des elektrischen Verbindungselements komplanar zu einer Leiterplattenebene der Leiterplatte angeordnet ist. Hierdurch kann eine zuverlässige Verbindung der elektrischen Baugruppe mittels des elektrischen Verbindungselements mit einem elektrischen Bauteil ermöglicht werden. Das elektrische Verbindungselement kann mittels des Fügebereichs an die stromführenden Lagen der Leiterplatte angebunden werden, so dass eine optimale Stromführung von der Leiterplatte zu dem elektrischen Bauteil ermöglicht werden kann. Der Fügebereich hat einen geringen Platzbedarf auf der Leiterplatte, so dass mittels der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe der Bauraum optimiert werden kann und die Layoutfläche auf der Leiterplatte vergrößert werden kann.
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Vorzugsweise ist das elektrische Verbindungselement mittels einer Lotschicht mit der Leiterplatte verbunden. Hierdurch können die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Verbindung zwischen dem elektrischen Verbindungselement und der Leiterplatte verbessert werden. Die Lotschicht wird vorzugsweise mittels einer Lotpaste zwischen das elektrische Verbindungselement und die Leiterplatte eingebracht und in einem Reflow-Lötverfahren ausgebildet.
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Weiter bevorzugt ist am Fügebereich der Leiterplatte ein Kühler angeordnet. Der Kühler ist insbesondere mittels eines isolierenden Wärmeleitmediums am Fügebereich angeordnet. Mittels des Kühlers kann zuverlässig Wärme von dem elektrischen Verbindungselement abgeführt werden, wodurch die Lebensdauer und der Wirkungsgrad der elektrischen Baugruppe verbessert werden kann. Des Weiteren kann durch die Kühlung die Stromtragefähigkeit der elektrischen Baugruppe und des elektrischen Verbindungselements erhöht werden oder die Temperaturklasse der Leiterplatte reduziert werden. Die Kontaktfläche zwischen Kühler und elektrischer Baugruppe erstreckt sich vorzugsweise parallel zur Leiterplattenebene.
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Der Fügebereich weist vorzugsweise eine Ausnehmung in einem Randbereich der Leiterplatte zur Aufnahme des elektrischen Verbindungselements auf. Hierdurch kann das elektrische Verbindungselement platzsparend im Randbereich der Leiterplatte angeordnet werden.
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Der Fügebereich der Leiterplatte weist vorzugsweise eine metallische Beschichtung auf. Weiter bevorzugt ist die metallische Beschichtung passiviert. Mittels der metallischen Beschichtung kann zuverlässig eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem elektrischen Verbindungselement und der Leiterplatte ausgebildet werden.
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Der Grundkörper und der Kontaktbereich des elektrischen Verbindungselements erstrecken sich vorzugsweise entlang einer Längsachse. Hierdurch kann die Kraftaufnahme in Steckrichtung verbessert werden.
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Alternativ ist der Grundkörper vorzugsweise in einem Winkel zum Kontaktbereich angeordnet. Durch die Winkelanordnung kann die Leiterplatte und das elektrische Bauteil mittels des elektrischen Verbindungselements flexibel und bauraumoptimiert angeordnet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Baugruppe aus einer Leiterplatte und einem elektrischen Verbindungselement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische perspektivische Ansicht des elektrischen Verbindungselements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische perspektivische Ansicht der Leiterplatte gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 4 eine schematische perspektivische Ansicht einer elektrischen Baugruppe mit einer Leiterplatte und einem elektrischen Verbindungselement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Bevorzugt sind alle gleichen Bauteile, Elemente und/oder Einheiten in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein elektrisches Verbindungselement 1 und eine elektrische Baugruppe 100 mit einer Leiterplatte 2 und dem elektrischen Verbindungselement 1 im Detail beschrieben.
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1 zeigt die elektrische Baugruppe 100, welche die Leiterplatte 2 und drei elektrische Verbindungselemente 1 umfasst. Dabei bilden die elektrischen Verbindungselemente 1 eine feste Verbindung mit der Leiterplatte 2 aus.
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Die elektrischen Verbindungselemente1 umfassen einen Grundkörper 10 und einen Kontaktbereich 13. Dabei ist der Grundkörper 10 an einem ersten Ende 11 und der Kontaktbereich 13 an einem zweiten Ende 12 des elektrischen Verbindungselements 1 angeordnet. Das elektrische Verbindungselement 1 erstreckt sich parallel zu einer Längsebene, welche komplanar zu einer Leiterplattenebene der Leiterplatte 2 angeordnet ist.
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Die Längsebene liegt vorzugsweise auf einer Längsachse des elektrischen Verbindungselements 1.
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Die Leiterplattenebene erstreckt sich vorzugsweise entlang einer Haupterstreckungsrichtung der Leiterplatte 2 und ist mittig in der Leiterplatte 2 angeordnet.
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Der Grundkörper 10 weist einen Kopfbereich 14 mit einem ersten Durchmesser d1 und einen Halsbereich 15 mit einem zweiten Durchmesser d2 auf. Dabei ist der Kopfbereich 14 an dem ersten Ende 11 angeordnet und der Halsbereich 15 in Richtung des Kontaktbereichs 13 angeordnet. Der Kopfbereich 14 weist entlang der Längsebene einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Dabei ist der erste Durchmesser d1 des Kopfbereichs 14 größer als der zweite Durchmesser d2 des Halsbereichs 15. Somit kann das elektrische Verbindungselement 1 mit einer Hinterschneidung in einem Fügebereich 30 der Leiterplatte 2 eine formschlüssige Verbindung ausbilden.
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Der Grundkörper 10 weist umfangseitig sieben Kontaktnasen 16 auf, welche sich senkrecht zur Längsebene erstrecken und den Fügebereich 30 der Leiterplatte 2 kontaktieren. Dabei liegt zwischen den Kontaktnasen 16 und dem Fügebereich 30 vorzugsweise eine Übermaßpassung vor, so dass mittels der Kontaktnasen 16 eine Pressverbindung zwischen dem elektrischen Verbindungselement 1 und der Leiterplatte 2 ausgebildet werden kann.
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Das elektrische Verbindungselement 1 ist ein Stanzprägebauteil, welches vorzugsweise aus einem Metallblech hergestellt wird. Dabei wird das elektrische Verbindungselement 1 in einem ersten Schritt aus dem Metallblech herausgestanzt. Anschließend kann eine Formgebung des elektrischen Verbindungselements 1 mittels eines Prägeprozesses stattfinden.
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Der Kontaktbereich 13 des elektrischen Verbindungselements 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Einpresspin 21 ausgebildet. Mittels des Einpresspins 21 kann eine zuverlässige elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem elektrischen Verbindungselement 1 und einem elektrischen Bauteil ausgebildet werden. Dabei bricht der Einpresspin 21 vorzugsweise eine Oberfläche des elektrischen Bauteils auf, so dass eine gasdichte Verbindung zwischen dem elektrischen Bauteil und dem elektrischen Verbindungselement 1 entstehen kann.
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Der Fügebereich 30 der Leiterplatte 2 weist eine metallische Beschichtung 31 auf, welche als gleichmäßige Schicht zwischen der Leiterplatte 2 und dem elektrischen Verbindungselement 1 ausgebildet ist.
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Die Form des Fügebereichs 30 entspricht der Form des Grundkörpers 10 des elektrischen Verbindungselements 1. Dabei weist der Fügebereich 30, angrenzend an den Randbereich 32 der Leiterplatte 2, einen quaderförmigen Halsbereich auf, welcher eingerichtet ist, den Halsbereich 15 des elektrischen Verbindungselements 1 zu kontaktieren. Daran angrenzend weist der Fügebereich 30 einen kreisförmigen Bereich auf, welcher eingerichtet ist, den Kopfbereich 14 des elektrischen Verbindungselements 1 zu kontaktieren. Somit bildet der Fügebereich 30 eine Hinterschneidung, mittels welcher das elektrische Verbindungselement 1 eine formschlüssige Verbindung mit der Leiterplatte 2 ausbilden kann.
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Das elektrische Verbindungselement 1 wurde senkrecht zu der Längsebene in den Fügebereich 30 der Leiterplatte 2 eingebracht. Insbesondere wurde das elektrische Verbindungselement 1 in den Fügebereich 30 eingepresst. Zusätzlich kann die elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem elektrischen Verbindungselement 1 und der Leiterplatte 2 mittels einer Lotschicht verbessert werden.
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In 2 ist das elektrische Verbindungselement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aus 1 perspektivisch dargestellt. Der Grundkörper 10 des elektrischen Verbindungselements 1 erstreckt sich linear senkrecht zur Längsebene. Hierdurch kann das elektrische Verbindungselement 1 besonders einfach mittels eines Stanzprozesses aus einem Metallblech hergestellt werden.
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Der Kontaktbereich 13 weist senkrecht zur Längsebene eine geringere Höhe auf als der Grundkörper 10.
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Insbesondere der Einpresspin 21 des Kontaktbereichs 13 wird mittels eines Prägeschritts hergestellt.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Leiterplatte 2 aus 1. Die Leiterplatte 2 weist sieben Fügebereiche 30 mit einer gleichen Geometrie auf. Die Fügebereiche 30 sind mit einem konstanten Abstand zueinander an einen Randbereich 32 der Leiterplatte 2 angeordnet. Somit bilden die Fügebereiche 30 Einbuchtungen, in welche die elektrischen Verbindungselemente 1 eingebracht werden können.
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Alle Fügebereiche 30 weisen vorzugsweise eine metallische Beschichtung 31 auf. Die Fügebereiche 30 gleichen von der Form her den Grundkörpern 10 der elektrischen Verbindungselemente 1, so dass zwischen den elektrischen Verbindungselementen 1 und den Fügebereichen 30 eine kraft- und formschlüssige Verbindung hergestellt werden kann.
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4 zeigt die elektrische Baugruppe 100 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel ähnelt dem ersten Ausführungsbeispiel und unterscheidet sich insbesondere durch die Ausbildung des Kontaktbereichs 13 des elektrischen Verbindungselements 1 von dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Der Kontaktbereich 13 ist im zweiten Ausführungsbeispiel als Lötpin 20 ausgebildet. Somit lässt sich das elektrische Verbindungselement 1 mittels des Lötpins 20 in eine Öffnung in ein elektrisches Bauteil einbringen. Anschließend kann der Lötpin 20 des elektrischen Verbindungselements 1 mit dem elektrischen Bauteil verlötet werden, um eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem elektrischen Verbindungselement 1 und dem elektrischen Bauteil herzustellen. Der Lötpin 20 kann zur SMD- oder THT-Kontaktierung des elektrischen Bauteils ausgeführt sein.
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Im Fügebereich 30 der Leiterplatte 2 und an die Grundkörper 10 des elektrischen Verbindungselements 1 angrenzend kann vorzugsweise ein Kühler angeordnet sein. Hierdurch kann Wärme vom elektrischen Verbindungselement 1 abgeführt werden. Zwischen dem Kühler und dem elektrischen Verbindungselement 1 ist vorzugsweise ein isolierendes Wärmeleitmedium angeordnet, so dass ein Stromfluss zwischen den elektrischen Verbindungselementen 1 verhindert werden kann.
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Der Grundkörper 10 und der Kontaktbereich 13 des elektrischen Verbindungselements 1 sind entlang einer gemeinsamen Längsachse angeordnet. Alternativ kann der Kontaktbereich 13 des elektrischen Verbindungselements 1 auch in einem Winkel zum Grundkörper 10 angeordnet sein.
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Somit kann mittels des elektrischen Verbindungselements 1 eine zuverlässige Verbindung zwischen der Leiterplatte 2 und dem elektrischen Bauteil hergestellt werden. Dabei ist das elektrische Verbindungselement 1 einfach und kostengünstig in der Herstellung. Durch die kompakte Bauweise des elektrischen Verbindungselements 1 kann die Layoutfläche auf der Leiterplatte 2 optimiert werden. Des Weiteren kann durch die flexible Gestaltbarkeit des Kontaktbereichs 13 das elektrische Bauteil bauraumoptimiert kontaktiert werden.