DE10308642A1

DE10308642A1 - Leiterplattenanordnung

Info

Publication number: DE10308642A1
Application number: DE10308642A
Authority: DE
Inventors: Lyndon Shenton; Yoni Shevloff; Jürgen Wagner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten für ein elektrisches Gerät, insbesondere einer Leiterplattenanordnung von elektrischen Bauteilen in einem Gehäuse, beispielsweise für ein drehzahlgeregeltes Antriebsgerät. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: Bestücken einer einzigen Leiterplatte mit Bauelementen, wobei die Bauelemente mit ersten und zweiten Schaltungen verbunden sind; Löten/Anschließen der Bauteile an die Leiterplatte in einem oder mehreren Verfahrensschritten; Prüfen der Schaltungen und Trennen der Schaltungen, wodurch zwei oder mehr Leiterplatten hergestellt werden, die an verschiedenen Positionen innerhalb eines elektrischen Geräts angeordnet werden können. Somit vereinfacht sich das Herstellungsverfahren von Leiterplatten eines Umrichters für Antriebe geringer Leistung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten für elektrische Geräte, insbesondere einer Leiterplattenanordnung von elektrischen Bauteilen in einem Gehäuse, beispielsweise einem Gehäuse für ein drehzahlgeregeltes Antriebsgerät.
Viele elektrische Geräte und Anlagen umfassen eine Anzahl von mechanischen und elektrischen/elektronischen Bauteilen. Zum Beispiel umfasst ein Computer eine Anzahl von Leiterplatten, sogenannte PCBs (printed circuit boards), typischerweise in der Form von Leiterkarten, welche in Gestellen gehalten werden. Ein Elektromotor treibt einen Lüfter zum Kühlen der Bauteile an. Drehzahlgeregelte Antriebe, auch als VSD (variable speed drives) bezeichnet, wie sie in Steuerungssystemen verwendet werden, zum Beispiel in einer Fertigungsanlage, bestehen ebenfalls aus verschiedenen mechanischen und elektrischen/elektronischen Bauteilen. In den meisten Fällen umfasst ein drehzahlgeregelter Antrieb eine Wärmesenke, einen Rahmen, verschiedene Leiterplatten, Netzeinspeisungs- und Motorausgangsklemmen.
Bei der Herstellung eines neuen Gerätes berücksichtigt der Konstrukteur eine Reihe von Zielstellungen, von denen eine die Kosten betrifft. Ein typischer Konstruktionsweg besteht darin, die Anzahl der Bauteile und/oder der bei der Fertigung durchgeführten Verfahrensschritte zu minimieren.
Umrichter, wie sie in Antrieben geringer Leistung verwendet werden, sind typischerweise von geringer Größe. Um ein kleines Breiten-/Höhen-/Tiefen-Verhältnis im Inneren eines Gehäuses zu erreichen, ist eine Aufteilung der elektronischen Bauelemente auf mehrere Leiterplatten notwendig. Bei Umrichtern werden gewöhnlich sowohl mittels Oberflächenmontage-Technik, sogenannte SM (surface mount technology) als auch mittels Durchkontaktierungs-Technik montierte elektronische Bauelemente verwendet. Große Kondensatoren, Drosseln, Gleichrichter und Stromversorgungseinheit werden mittels herkömmlicher Durchkontaktierung befestigt, während anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, Zentraleinheiten, Gatter-Treiber usw. mit Oberflächenmontage-Verfahren befestigt sind. Dies verursacht ein Problem, dass darin besteht, dass beide Lötverfahren (Aufschmelzlöten und Oberflächenmontage-Aufschmelzen) in einem Fertigungsverfahren angewendet werden, wenn die mittels Oberflächenmontage und Durchkontaktierung zu montierende Bauelemente beiderseits der Leiterplatte verteilt sind. Indessen können das zweiseitige Oberflächenmontage-Löten und das einseitige Durchkontaktierungs-Löten durch einen intelligenten Leiterplattenentwurf mit Abständen zwischen Oberflächenmontage-Teilen und Durchkontaktierungs-Teilen erreicht werden, indem die Oberflächenmontage-Bauelemente abgedeckt werden. Stromversorgungseinheiten und Gleichrichter müssen in der Nähe nahe bei einer Wärmesenke angebracht werden, sie befinden sich unglücklicherweise auf der entgegengesetzten Seite wie die Kondensatoren, und dies führt zu der Forderung, dass auch eine zweiseitige Durchgangsbohrung vorhanden sein muss. Dies hat zur Folge, dass ein selektives Löten (Roboter, selektiv, manuelles Löten) durchgeführt wird, nachdem alle anderen Bauelemente auf der Leiterplatte gelötet wurden. Dies hat entweder hohe Arbeitskosten oder teure zusätzliche Produktionseinrichtungen und einen zusätzlichen Lötvorgang zur Folge. Ferner kann die Qualität von selektiven oder manuell gelöteten Verbindungen kaum mit der von Lötverbindungen verglichen werden, die mit einem automatischen Lötverfahren hergestellt wurden. Dies kann auch die nachfolgenden Prüfprozesse erschweren.
Bei der Produktion von Leiterplatten sollte jede Leiterplatte geprüft werden, bevor der Zusammenbau und der Einbau in eine Antriebseinheit oder elektrische Steuereinheit erfolgt. Es ist leicht einzusehen, dass dies zeitaufwendig sein kann und dementsprechend eine Erhöhung der Kosten des Fertigungsprozesses bewirkt, in Anbetracht dessen, dass viele elektrische Geräte mehrere Leiterplatten umfassen.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, einen verbesserten Entwurf von Leiterplatten bereitzustellen, wodurch sich das Herstellungsverfahren vereinfacht.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten für ein elektrisches Gerät bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bestücken einer einzigen Leiterplatte mit Bauelementen, wobei die Bauelemente mit ersten und zweiten Schaltungen verbunden sind;
Löten 1 Anschließen der Bauelemente an die Leiterplatte in einem oder mehreren Verfahrensschritten;
Prüfen der Schaltungen; und
Trennen der Schaltungen, wodurch zwei oder mehr Leiterplatten hergestellt werden, die an verschiedenen Positionen innerhalb eines elektrischen Geräts angeordnet werden können, um die Anbringung der zweiten Schaltungen zu ermöglichen. Falls die Schaltungen nicht ordnungsgemäß funktionieren, können Bauelemente ausgewechselt werden, und die Schaltungen können erneut geprüft werden.
Der Vorgang des Trennens kann ein Sägen oder Bohren durch die Leiterplatte umfassen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Platten einzukerben und dann zu biegen, bis sie entlang der Kerblinie zertrennt werden.
Die Schaltungen können während der Prüfung durch Lötlinien verbunden werden, und die Schaltungen können nach der Trennung durch Leitungen oder auf andere Weise verbunden werden. Günstigerweise können sowohl für die Datenübertragung als auch für die Stromversorgung Drahtleitungen, gleichgültig, ob Einleiterkabel, Koaxialkabel, Bandkabel oder andere, verwen det werden. Die elektrischen Leitungen können Steckverbinder umfassen, wodurch ein oder mehrere Schaltungen voneinander getrennt werden können. Entweder der Stecker oder die Steckerbuchse kann direkt an einer Leiterplatte angebracht sein. Die elektrischen Leitungen können Drähte umfassen, welche an die Leiterplatten angelötet oder auf andere Weise mit ihnen dauerhaft elektrisch verbunden sind. Die elektrischen Leitungen können Federverbinder umfassen, welche den elektrischen Durchgang durch Druckkontakt zwischen einer Leiterplatte und einer Feder erzielen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Leiterplatte für ein elektrisches Gerät bereitgestellt, welche in einem sich an die Platzierung der Bauelemente anschließenden Fertigungsschritt der Montageprüfung eine einzige Leiterplatte umfasst, die eine erste Schaltung und eine oder mehrere zweite Schaltungen aufweist, wobei die zweiten Schaltungen von der ersten Schaltung abgetrennt werden können, nachdem die Prüfung beendet ist, um dadurch die Anbringung der zweiten Schaltungen an anderen Positionen zu ermöglichen.
Die Schaltungen können sowohl für die Datenübertragung als auch für die Stromversorgung, je nachdem, was zutrifft, durch elektrische Leitungen verbunden werden. Die elektrischen Leitungen können Steckverbinder umfassen, wodurch eine oder mehrere Schaltungen voneinander getrennt werden können. Entweder der Stecker oder die Steckerbuchse kann direkt an einer Leiterplatte befestigt sein. Die elektrischen Leitungen können Drähte umfassen, welche an die Leiterplatten angelötet oder auf andere Weise mit ihnen dauerhaft elektrisch verbunden sind. Die elektrischen Leitungen können Federverbinder umfassen, welche den elektrischen Durchgang durch Druckkontakt zwischen einer Leiterplatte und einer Feder erzielen.
Bei einer anderen Anordnung können die Mittel, die zur Herstellung von Nachrichtenverbindungen verwendet werden können, optoelektronische Sender-Empfänger umfassen, die in der Lage sind, optische Nachrichtenverbindungen zwischen Leiterplatten zu ermöglichen. Bei einer weiteren Ausführungsform können die Mittel zur Herstellung von Nachrichtenverbindungen Mikrowellen-Sender-Empfänger umfassen, die in der Lage sind, Mikrowellen-Nachrichtenverbindungen zwischen Leiterplatten zu ermöglichen. In diesen Fällen ist nur eine Datenübertragung möglich, und zur Gewährleistung der Stromversorgung sind Leitungen oder andere Mittel erforderlich.
Die Erfindung wird beim Studium der nachfolgenden Beschreibung und bei der Betrachtung der Abbildungen auf den beigefügten Zeichnungsblättern besser verständlich, und verschiedene andere Aspekte und Merkmale der Erfindung können dabei offensichtlich werden, wobei:
1 eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 drei Leiterplatten zeigt, die aus der ersten Ausführungsform hergestellt wurden;
3 drei Leiterplatten zeigt, die auf eine erste Art und Weise miteinander verbunden sind;
4 drei Leiterplatten zeigt, die auf eine zweite Art und Weise miteinander verbunden sind; und
5 eine Teilschnittansicht eines elektrischen Geräts mit Leiterplatten gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Anhand eines Beispiels soll nun die von den Erfindern in Betracht gezogene beste Art der Ausführung der Erfindung beschrieben werden. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezielle Einzelheiten dargelegt, um ein. umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu gewährleisten. Für Fachleute wird jedoch offensichtlich werden, dass die vorliegende Erfindung mit Unterschieden in den spezifischen Einzelheiten in die Praxis umgesetzt werden kann.
Es wird nun auf 1 Bezug genommen; sie zeigt eine erste erfindungsgemäße Leiterplatte 10. Auf ihr sind drei getrennte Schaltungen 12, 14 und 16 ausgebildet. Die Schaltungen sind durch Grenzen 18, 20 voneinander getrennt, wobei jede Grenze eine Trennlinie für die Leiterplatte 10 zwischen zwei benachbarten Platten definiert. Obwohl zwei der drei Schaltungen in der Abbildung dieselben Abmessungen aufweisen, ist zu beachten, dass alle Schaltungen dieselbe Größe oder auch unterschiedliche Größen haben können, wie die 2 anhand eines Beispiels zeigt. Die Abmessungen der einzelnen Schaltungen werden im Allgemeinen durch die eventuelle Position bestimmt, welche sie in einem kompletten elektrischen Gerät einnehmen.
Bei der Herstellung der Leiterplatte wird die Leiterplatte den Arbeitsvorgängen der Lithographie, der Platzierung der Bauelemente und des Lötens unterzogen, wie bei einer normalen Leiterplatte. Die Schaltungen werden anschließend Prüfroutinen unterzogen, um sicherzustellen, dass Betriebsparameter dieser Schaltungen den Anforderungen des Entwurfs entsprechen.
Nach Abschluss der Prüfungen kann die Leiterplatte 10 dann in die entsprechende Anzahl von Teil-Leiterplatten zerschnitten werden. In dem beschriebenen speziellen Fall werden Teil-Leiterplatten 32, 34 und 36, welche Schaltungen 12, 14 bzw. 16 tragen, voneinander getrennt, wie in 2 dargestellt. Die Leiterplatte wird auf geeignete Weise entlang dieser Trennlinien angerissen, vorgebohrt, perforiert oder auf andere Weise bearbeitet, bevor die Bauelemente montiert werden. Dadurch verringert sich die Menge der Bruchstücke, die entstehen und möglicherweise die Leiterplatten verunreinigen, wenn die Leiterplatten durch Sägen, Laserschneiden, Abreißen oder auf andere Weise voneinander getrennt werden.
In den 3 und 4, in denen die Leiterplatten 32, 34 und 36 in einer Anordnung dargestellt sind, wie sie vorliegen würde, wenn sie im Inneren eines mechanischen Gehäuses befestigt wären, sind Steckerbuchsen 22, 24, 26 und 28 dargestellt, mit deren Hilfe die Leiterplatten über Leitungen 40, 42 und 46, 48 verbunden werden können. Es ist offensichtlich, dass, um sicherzustellen, dass die Leitungen möglichst kurz sind, die in 4 dargestellte Anordnung bei dem Prüfvorgang zu bevorzugen ist, wobei die Verbindungen, die zur Prüfung der Funktionsfähigkeit der Schaltungen 12–16 in ihrem Zusammenwirken verwendet werden, auch in dem kompletten elektrischen Gerät' verwendet werden. Dadurch werden mögliche Fehler infolge eines Trennens und erneuten Anschließens elektrischer Verbinder vermieden. Falls das Anschlussstück 22 schließlich über eine Leitung direkt mit dem Anschlussstück 20 verbunden wird, muss bei dem Prüfvorgang die Verbindungsleitung ausreichend lang sein, damit eine Prüfverbindung hergestellt werden kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass auf den Leiterplatten von den Anschlussbereichen ausgehende Leiterstrukturen vorhanden sind, so dass während der Prüfungen keine Leitungen notwendig sind – obwohl dies bedeutet, dass die Verbindungen zwischen den Leiterplatten fehlerbehaftet sein können und in einem einfachen, einstufigen Prüfverfahren nicht geprüft werden.
Die 5 zeigt eine Perspektivansicht einer Anordnung von Leiterplatten 32, 34 und 36 im Inneren eines elektrischen Gerätes 50, wie etwa einer Antriebssteuerung, wobei eine Seitenplatte nicht abgebildet ist. Ein zur Kühlung dienender elektrischer Lüfter ist mit der Bezugszahl 52 bezeichnet.
Bei einer anderen Ausführungsform sind die Steckerbuchsen 22, 24, 26 und 28 durch optoelektronische Sender-Empfänger-Module ersetzt, wodurch hohe Datenübertragungsgeschwindigkeiten möglich sind. Beim Prüfvorgang können Lichtwellenleiter-Verbindungen verwendet werden, während bei der tatsächlichen Ausführung Freiraumübertragungs-, Abdeckungs-, Lichtwellenleiter- oder andere Verbindungen verwendet werden können. Es ist offensichtlich, dass in den Fällen, in denen optoelektronische Schaltungen vorhanden sind, die Leiterplatten in gewissem Grade übereinander liegen müssen, oder zumindest so angeordnet sein müssen, dass Signale, welche von einer optoelektronischen Schaltung gesendet werden, von einer anderen optoelektronischen Schaltung empfangen werden können. Es ist ebenfalls klar, dass in den Fällen, in denen drei oder mehr optoelektronische Schaltungen vorhanden sind, die in der Mitte befindliche Leiterplatte optoelektronische Sender-Empfänger auf beiden Hauptseiten der Leiterplatte aufweisen muss.
Bei einer weiteren alternativ anwendbaren Anordnung können die Mittel zur Realisierung der Datenkommunikation zwischen den Leiterplatten in Form von Mikrowellen-Sender-Empfängern vorgesehen sein. Es können Freiraum- oder Hohlleiter-Übertragungswege verwendet werden. Bei diesen beiden alternativ anwendbaren Anordnungen benötigt der Sender-Empfänger eine Stromversorgung, welche entweder durch gesonderte elektrische Stromversorgungsleitungen/Verbindungen realisiert wird oder mit Hilfe anderer elektrischer Verbindungen, zum Beispiel in einer Gehäusewand, oder mittels gesonderter elektrischer Zellen, wie etwa Lithium-Stromversorgungszellen, erreicht wird. Wie im Falle optoelektronischer Schaltungen müssen auch die entsprechenden Mikrowellen-Sender-Empfänger in geeigneten Positionen angeordnet werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung von verschiedenen Leiterplatten auf eine kontrollierte Art und Weise. Die Bauelemente können so angeordnet werden, dass auf einer Seite Verfahren der Schwallbadlötung angewendet werden können, während auf einer anderen Seite Verfahren mit niedrigerem Standard angewendet werden können, ohne dass es erforderlich ist, teure und zeitaufwendige selektive Lötverfahren anzuwenden. Bei der "Faltungs"-Konzeption der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine kluge Aufteilung der Bauelemente auf zwei oder mehr Leiterplatten die Anwendung von einseitigen standardmäßigen Schwallbadlötverfahren. Hinzu kommt, dass die resultierende Anordnung in einem kompakten Raum untergebracht werden kann. Ferner sorgen infolge des Wegfalls eines selektiven manuellen Lötens die Vorteile gleichmäßiger mechanisierter Lötvorgänge für ein zuverlässiges Ergebnis.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten für ein elektrisches Gerät, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bestücken einer einzigen Leiterplatte mit Bauelementen, wobei die Bauelemente mit ersten und zweiten Schaltungen verbunden sind Anschließen der Bauelemente an die Leiterplatte in einem oder mehreren Verfahrensschritten; Prüfen der Schaltungen und Trennen der Schaltungen, wodurch zwei oder mehr Leiterplatten hergestellt werden, die an verschiedenen Positionen innerhalb eines elektrischen Geräts angeordnet werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorgang des Trennens der Leiterplatten den Schritt eines Sägens oder Bohrens durch die Leiterplatte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorgang des Trennens der Leiterplatten den Schritt eines Einkerbens und anschließenden Biegens der Leiterplatte umfasst, bis die Leiterplatte entlang der Kerblinie zertrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere Schaltungen während der Prüfung durch Lötlinien verbunden sind und die Schaltungen nach der Trennung beim Einbau in das elektrische Gerät durch Leitungen oder auf andere Weise verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere Schaltungen während der Prüfung auf eine funktionsfähige Weise durch Leitungen verbunden werden und die Schaltungen nach der Trennung durch dieselben Leitungen verbunden bleiben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere Schaltungen auf eine funktionsfähige Weise durch optoelektronische Sender-Empfänger verbunden werden, die in der Lage sind, optische Nachrichtenverbindungen zwischen Leiterplatten zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere Schaltungen auf eine funktionsfähige Weise durch Mikrowellen-Sender-Empfänger verbunden werden, die in der Lage sind, Mikrowellen-Nachrichtenverbindungen zwischen Leiterplatten zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schaltungen so beschaffen sind, dass sie miteinander gekuppelt sind, sobald sie in das elektrische Gerät eingebaut sind.
Leiterplatte für ein elektrisches Gerät, welche in einem sich an die Platzierung der Bauelemente anschließenden Fertigungsschritt der Montageprüfung eine einzige Leiterplatte umfasst, die eine erste Schaltung und eine oder mehrere zweite Schaltungen aufweist, wobei die zweiten Schaltungen von der ersten Schaltung abgetrennt werden können, nachdem die Prüfung beendet ist, um dadurch die separate Anbringung der zweiten Schaltungen innerhalb eines elektrischen Geräts zu ermöglichen, wobei die Schaltungen durch Nachrichtenverbindungen miteinander verbunden sind.
Leiterplatte nach Anspruch 9, wobei die Nachrichtenverbindungen elektrische Leitungen umfassen können, welche Steckverbinder aufweisen, wodurch eine oder mehrere Schaltungen voneinander getrennt werden können.
Leiterplatte nach Anspruch 10, wobei entweder der Stecker oder die Steckerbuchse direkt an einer Leiterplatte befestigt sein kann.
Leiterplatte nach Anspruch 9, wobei die Nachrichtenverbindungen Drähte umfassen können, welche an die Leiterplatten angelötet oder auf andere Weise mit ihnen dauerhaft elektrisch verbunden sind.
Leiterplatte nach Anspruch 9, wobei die Nachrichtenverbindungen Federverbinder umfassen, welche den elektrischen Durchgang durch Druckkontakt zwischen einer Leiterplatte und einer Feder erzielen.
Leiterplatte nach Anspruch 9, wobei die Mittel zur Herstellung von Nachrichtenverbindungen optoelektronische Sender-Empfänger umfassen, die so miteinander gekuppelt sind, dass sie optische Nachrichtenverbindungen zwischen Leiterplatten ermöglichen.
Leiterplatte nach Anspruch 9, wobei die Mittel zur Herstellung von Nachrichtenverbindungen Mikrowellen-Sender-Empfänger umfassen, die so miteinander gekuppelt sind, dass sie Mikrowellen-Nachrichtenverbindungen zwischen Leiterplatten ermöglichen.
Leiterplatte nach Anspruch 9, wobei die Schaltungen so beschaffen sind, dass sie miteinander gekuppelt sind, sobald sie in das elektrische Gerät eingebaut sind.