-
Die
Erfindung betrifft ein Verbindungselement für Leiterplatten gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und eine Anordnung mit Bauelementen gemäß Anspruch
14.
-
Leiterplatten
(Platinen) sind das am häufigsten
eingesetzte Verbindungselement für
elektronische Bauteile einer elektronischen Schaltung. Sie sind
gekennzeichnet durch elektrisch leitende, fest haftende Verbindungen
(Leiter), die in oder auf einem Isolierstoff ein- oder mehrschichtig auf- bzw. eingebracht
werden. Die Leiterplatte dient zugleich auch als Träger für Anzeige-,
Bedien- oder Stellglieder der elektronischen Schaltung, die für einen
Benutzer zugänglich
angeordnet sein müssen.
-
Der
Trend zu immer kleineren Abmessungen elektronischer Geräte hat u.
a. zur Entwicklung von Flachbaugruppen (FBG) mit oberflächenmontierbaren
Bauelementen (SMD) geführt,
die mittels einer speziellen Oberflächenmontagetechnik (SMT) in
Bestücklinien
auf den Oberflächen
der Leiterplatten aufgebracht werden. SMDs besitzen keine Drahtanschlüsse, sondern
Kontaktflächen
an ihren Anschlußenden
und damit eine relativ geringe Baugröße. Ferner ist eine beidseitige
Bestückung
der Leiterplatten möglich,
die – im
Gegensatz zur bedrahteten Technik (THT = Through Hole Technology) – nicht durchbohrt
werden müssen.
-
Sind
die räumlichen
Verhältnisse
für die
Unterbringung einer Leiterplatte nicht nur beengt, sondern auch
komplex, beispielsweise wenn ein Gehäuse in mehrere Bereiche unterteilt
ist oder wenn Anzeige- und/oder Bedienelemente in unterschiedlichen Raumrichtungen
anzuordnen sind, so werden die Bauteile der elektronischen Schaltung
meist auf mehrere Leiterplatten verteilt, die über separate Verbindungselemente,
z. B. mehrpolige Steckverbinder, Flachkabel oder flexible Flachleiterverbinder
(Jumper), miteinander verbunden sind. Auf diese Weise lassen sich
Verbindungen zwischen Baugruppen auf starren Leiterplatten realisieren,
die nicht auf zwei Dimensionen beschränkt sind. Die Formbarkeit der
flexiblen Verbindungselemente ermöglicht es vielmehr, starre
Leiterplatten aus der Ebene heraus in eine dritte Dimension zu führen.
-
Zur
Erleichterung und zur präziseren
Ausführung
des Biegevorganges sieht
DE
30 40 054 A1 vor dass die flexiblen Verbindungselemente
mit einer Sollbiegestelle in Form einer Sicke ausgestattet werden.
Dies erfordert jedoch in der Herstellung der Verbindungsteile einen
zusätzlichen
Verarbeitungsschritt, nämlich
das Einbringen der Sicke, was sich wiederum in Form von Material-
und Zeitkosten nachteilig bemerkbar macht.
-
Ebenfalls
zur Erleichterung des Biegevorganges sieht
DE 77 04 585 U1 drei ausgezeichnete Stellen
vor, an denen das Verbindungsteil verformbar ist. Von Nachteil ist
auch hier, dass die Bauteile in einem gesonderten Schritt bei der
Herstellung gefaltet werden müssen.
Somit sind auch diese Bauteile aufwendig und teuer. Überdies
steht das Material dieser Bauteile bereits vor der Bestückung an
den Sollbiegestellen unter großem
Stress. Dadurch ist die Gefahr eines Materialbruchs und damit der
Verlust der Verbindung bereits bei der ersten Verformung sehr hoch.
-
Sowohl
bei den in
DE 30 40
054 A1 als auch bei den in
DE 77 04 585 U1 vorgesehenen Verbindungsteilen
handelt es sich um THT-Bauteile. Ein weiterer Nachteil ist daher
in beiden Fällen,
dass die Verbindungselemente in gesonderten Fertigungsschritten
auf den Leiterplatten montiert werden müssen. Bei SMD-bestückten Leiterplatten
sind zudem im Randbereich der Leiterplatten separate Bohrungen einzubringen.
Dies ist nicht nur zeit- und kostenintensiv. Meist sind auch zusätzliche
Maschinen erforderlich, die in bereits vorhandene Bestücklinien
zu integrieren sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass Flachkabel
und flexible Flachleiterverbinder an ein vorgegebenes Raster und
eine feste Polzahl gebunden sind, was beim Design der Leiterplatten
bzw. des Schaltbildes zu berücksichtigen
ist.
-
Um
die gesonderte Montage separater Verbindungselemente zu vermeiden,
hat man sogenannte Starr-Flex-Leiterplatten entwickelt. Diese bestehen
im wesentlichen aus ein- oder mehrlagigen starren Leiterplatten,
die über
fest integrierte flexible Leiterplattenbereiche miteinander verbunden
sind, wobei auch die flexiblen Bereiche Bauelemente aufnehmen bzw.
tragen können.
-
Problematisch
hierbei ist, dass Starr-Flex-Leiterplatten in der Herstellung relativ
teuer sind, was nicht nur Klein- und Kleinstserien oft unwirtschaftlich
macht. Im Bereich der flexiblen Verbindungsbereiche können zudem
Delaminationen auftreten, insbesondere dann, wenn die räumlichen
Verhältnisse
enge Biegeradien erfordern.
-
Als
Alternative sieht
JP
2000-049434 A rechteckige biegbare Metallstreifen vor.
Die zu verbindenden Leiterplatten werden zunächst einteilig mit einem Rahmen
und in einer Eben liegend vorgefertigt. Dabei sind die Leiterplatten
untereinander und mit dem Rahmen durch Stege verbunden. Über den dazwischen
liegenden Lücken
werden die Metallstreifen derart angeordnet, dass sie mit dem einen Ende
auf der einen und mit dem anderen Ende auf der jeweils anderen Leiterplatte
aufliegen. Durch Reflow-Löten
werden sie dann auf dem Substrat befestigt. Anschließend müssen die
Stege zwischen den Leiterplatten mit einer Säge oder einem Messer weggeschnitten
werden. Nun erst ist es möglich,
die beiden Leiterplatten in den gewünschten Winkel zu bringen.
Dabei werden die Metallstreifen verbogen.
-
Nachteilig
hierbei ist, dass die Metallstreifen an mehr oder weniger willkürlichen
Positionen verbogen werden, was vom individuellen Geschick des Handhabenden
bzw. der präzisen
Ausrichtung in einer Maschine unterschiedlich beeinflusst werden kann.
Dabei können
durch Ungenauigkeiten in der vorherigen Positionierung oder beim
Biegen Scherkräfte
entstehen, die direkt auf die Lötpunkte
der Metallstreifen übertragen
werden. Es besteht mithin die Gefahr, dass sich die Metallstreifen
von den Leiterplatten ablösen
und so weder eine elektrische noch eine mechanische Verbindung gewährleistet
ist.
-
Ziel
der Erfindung ist es, diese und weitere Nachteile des Standes der
Technik zu überwinden und
ein Verbindungselement für
Leiterplatten zu schaffen, das eine dreidimensionale Leiterplatten- und/oder
Bauteile-Anordnung ermöglicht
und mit bereits vorhandenen Maschinen automatisch bestückbar ist.
Es soll ferner kostengünstig
herstellbar und flexibel einsetzbar sein. Insbesondere soll ein
reflow-fähiges
oberflächenmontierbares
Verbindungselement geschaffen werden, dessen Grundkörper präzise und
definiert verformbar ist und das eine dauerhaft stabile und zuverlässige elektrische
und mechanische Verbindung zwischen zwei Bauelementen ermöglicht.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
mit den Gegenständen
gemäß Anspruch
1 sowie dem nebengeordneten Anspruch 14. Ausgestaltungen sind Gegenstand
der Ansprüche
2 bis 13 und 15.
-
Bei
einem Verbindungselement für
Bauelemente elektronischer Schaltungen bestehend aus einem leitfähigen Grundkörper, der
im Wesentlichen rechteckig ausgebildet ist mit Längsseiten und einer Längsachse,
mit einem ersten Anbindungsbereich zum Festlegen des Verbindungselements
an einem ersten Bauelement und mit einem zweiten Anbindungsbereich
zum Festlegen des Verbindungselements an einem weiteren Bauelement,
wobei die Anbindungsbereiche im wesentlichen rechteckig ausgebildet
sind, wobei der Grundkörper
zwischen den Anbindungsbereichen zumindest abschnittsweise plastisch
verformbar ist, und wobei das Verbindungselement ein reflow-lötfähiges, oberflächenmontierbares Bauelement
(SMD) ist, sieht die Erfindung vor,
- • dass der
Grundkörper
an wenigstens einer vorgebbaren Stelle plastisch verformbar und
biegbar ist, wobei die wenigstens eine Stelle eine Sollknick- oder
Sollbiegestelle ist,
- • dass
die Sollknick- oder -biegestelle von einer Materialreduzierung im
Grundkörper
gebildet ist, wobei die Materialreduzierung seitlich in dem Grundkörper ausgebildet
ist und von einer in dem Grundkörper
eingebrachten Ausnehmung gebildet wird, und
- • dass
der Grundkörper
drei Sollknick- oder -biegestellen aufweist, wobei die Ausnehmungen
in äquidistanten
Abständen
in den Längsseiten
des Grundkörpers
eingebracht und senkrecht zur Längsachse
paarweise gegenüberliegend
angeordnet sind.
-
Darüber hinaus
sieht die Erfindung als Lösung
bei einer Anordnung mit Bauelementen und einem Verbindungselement
der Bauelemente vor, wobei das erste Bauelement eine Leiterplatte
ist und das zweite Bauelement eine Leiterplatte ist, und wobei die
Leiterplatten an einer Knicklinie in einem Winkel zueinander positionierbar
sind, und wobei die Knicklinie durch ein- oder beidseitiges Ritzen
erzeugt wird und eine Sollknicklinie ist. Das Verbindungselement
ist mit seiner Längsachse
senkrecht zur Knicklinie angeordnet, wobei zur Aufnahme der Anbindungsbereiche
Landepads dienen, die entlang der Knicklinie paarweise gegenüberliegend
auf den Bauelementen angeordnet sind, wobei der erste Anbindungsbereich
randseitig auf dem ersten Bauelement aufbringbar ist, während der
zweite Anbindungsbereich randseitig auf dem zweiten Bauelement aufliegt.
-
Dadurch
ist es möglich,
zwei benachbarte Bauelemente, insbesondere zwei starre Leiterplatten,
nicht nur elektrisch leitend miteinander zu verbinden. Die Leiterplatten
können
vielmehr im Bereich der Verbindungselemente in einem Winkel zueinander
angestellt, insbesondere dreidimensional positioniert werden, weil
sich der Grundkörper
aufgrund seiner plastischen Verformbarkeit der Winkelstellung der
Bauelemente anpassen kann. Da die Verbindungselemente (Jumper) zudem
Einzelelemente sind, ist man hinsichtlich der leitfähigen Verbindungen
an kein vorgegebenes Raster gebunden. Die Jumper sind vielmehr frei
bestückbar,
was sich weiter günstig
auf die Herstellkosten auswirkt. Insgesamt lassen sich die Vorteile
preisgünstiger
starrer Leiterplatten nutzen, die zudem dreidimensional angeordnet
werden können.
-
Der
Grundkörper
ist an wenigstens einer vorgebbaren Stelle plastisch verformbar,
insbesondere biegbar. Das Verbindungselement, das bevorzugt ein Jumper
ist, besitzt dadurch ein vorgebbares Biegeverhalten, so dass während dem
Positionieren der Bauelemente keine Kräfte auf die Lötstellen
des Verbindungselements einwirken können. Dazu trägt insbesondere
auch bei, wenn die wenigstens eine Stelle eine Sollknick- oder Sollbiegestelle
ist.
-
Die
Sollknick- oder -biegestelle wird bevorzugt von einer Materialreduzierung
im Grundkörper gebildet
ist, die zudem seitlich ausgebildet ist. Das Verbindungselement
lässt sich
dadurch äußerst kostengünstig herstellen,
beispielsweise als freifallendes Stanzteil.
-
Der
Grundkörper
des Verbindungselements weist drei Sollknick- oder -biegestellen
auf. Dadurch ist es möglich,
dass sich der Grundkörper
W-förmig faltet
bzw. einknickt, was sich besonders günstig auf das Biegeverhalten
auswirkt.
-
Fertigungstechnisch
ist es günstig,
wenn der Grundkörper
und die Anbindungsbereiche im wesentlichen rechteckig ausgebildet
sind. Oder man verwendet einen Grundkörper, der zumindest abschnittsweise
ein Hohlkörper
ist.
-
Anspruch
4 sieht vor, dass die Breite des Grundkörpers größer ist als dessen Höhe, wobei
die Dicke des Grundkörpers
laut Anspruch 5 kleiner ist als die Dicke der Anbindungsbereiche.
Letztere sind gemäß Anspruch
6 bevorzugt mit dem Grundkörper einstückig.
-
Die
Weiterbildung von Anspruch 7 sieht vor, dass der Grundkörper und
die Anbindungsbereiche aus Kupfermaterial gefertigt sind. Dies gewährleistet eine
stets gute Leitfähigkeit.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Verbindungselemente
mehrfach verformbar sind, d. h. die Bauelemente können ohne weiteres
auch mehrfach positioniert werden. Kupfer läßt sich ferner gut verlöten, was
sich weiter günstig auf
die Herstellkosten auswirkt.
-
Laut
Anspruch 8 weisen die Anbindungsbereiche und/oder der Grundkörper zumindest
abschnittsweise eine galvanisierte Oberfläche auf. Anspruch 9 sieht zudem
vor, dass die Anbindungsbereiche und/oder der Grundkörper zumindest
abschnittsweise verzinnt sind.
-
Besondere
Vorteile ergeben sich, da das Verbindungselement ein oberflächenmontierbares Bauelement
(SMD) ist, das zudem reflow-lötfähig ist. Damit
lassen sich die Vorteile starrer Leiterplatten nutzen. Zugleich
können
jedoch auch neue Funktionen und damit Mehrwerte in ein Produkt eingebracht werden,
ohne dass hohe Mehrkosten entstehen, denn die Leiterplatten müssen nicht
mehr gesondert gebohrt werden. Die Vorteile der kostengünstigen SMD-Technik
können
daher weiter voll ausgeschöpft und
zugleich mit zusätzlichem
Nutzen kombiniert werden. Die insgesamt kostengünstige und flexible Verbindungstechnik
ermöglicht
vielmehr ein 3D-Leiterplattendesign,
was bislang nur mit aufwendigen Verbindungselemente oder sogenannten Starr-Flex-Leiterplatten
möglich
war.
-
Anspruch
11 sieht vor, dass das erste Bauelement eine erste Leiterplatte
ist, während
das weitere Bauelement nach Anspruch 12 eine weitere Leiterplatte
ist. Anspruch 15 sieht hingegen vor, dass das weitere Bauelement
ein elektronisches Bauteil, ein Schaltelement, ein Sensor oder eine
Litze ist. Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus dem Wortlaut der Ansprüche
sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 eine
Draufsicht auf ein Verbindungselement,
-
2 eine
Seitenansicht des Verbindungselements von 1,
-
3 eine
Draufsicht auf eine Leiterplatten-Anordnung,
-
4 eine
Schnittansicht der Leiterplatten-Anordnung von 3,
-
5 eine
Schnittansicht der Leiterplatten-Anordnung von 3 in
dreidimensionaler Anordnung,
-
Das
in 1 allgemein mit 10 bezeichnete Verbindungselement
ist als Jumper ausgebildet. Dieser dient zur Herstellung einer leitfähigen und
gleichzeitig flexiblen Verbindung zwischen zwei starren Leiterplatten
T1, T2, die an einer Knicklinie K in einem Winkel α zueinander
positioniert werden (siehe 5).
-
Jede
Leiterplatte T1, T2 ist mit Leitern L versehen und mit (nicht gezeigten)
oberflächenmontierbaren
Bauelementen (SMD) bestückt,
die entsprechend einer vorgegebenen elektronischen Schaltung von
einem (nicht dargestellten) automatischen SMT-Bestückungssystem
aufgebracht und in einem (gleichfalls nicht gezeigten) Reflow-Ofen
verlötet werden.
-
Der
Jumper 10 hat einen im wesentlichen rechteckigen Grundkörper 20,
der an seinen Enden 21 mit je einem Anbindungsbereich 30, 40 versehen ist.
Diese weisen ebene Unterseiten 32, 42 auf, die flächig auf
den Leiterplatten T1, T2 verlötbar
sind. Dabei wird der erste Anbindungsbereich 30 randseitig
auf der ersten Leiterplatte T1 aufgebracht, während der zweite Anbindungsbereich 40 auf
dem benachbarten Seitenrand der zweiten Leiterplatte T2 aufliegt
(siehe 3). Zur Aufnahme der Anbindungsbereiche 30, 40 sind
beide Leiterplatten T1, T2 entlang der Knicklinie K mit sogenannten
Landepads P versehen, die – wie 3 weiter
zeigt – entsprechend
der Anzahl vorgesehener Jumper 10 senkrecht zur Knicklinie
K paarweise gegenüberliegend angeordnet
und über
Leiter L in die (nicht dargestellte) elektronischen Schaltung eingebunden
sind.
-
Der
Grundkörper 20 und
die Anbindungsbereiche 30, 40 sind bevorzugt einstückig und
aus Kupfer gefertigt, das mit einer galvanisierten Oberfläche versehen
sein kann. Für
die Herstellung der Lötverbindung
ist der gesamte Jumper 10 gleichmäßig mit Lötzinn überzogen.
-
Man
erkennt, dass der Jumper 10 ein oberflächenmontierbares Bauelement
(SMD) ist, das mittels SMT auf benachbarten Leiterplatten T1, T2
automatisch bestückt
und direkt verlötet
werden kann. Dadurch lassen sich nicht nur die Vorteile SMD-bestückter Leiterplatten
voll nutzen. Die Jumper können vielmehr
mit den bereits vorhandenen Maschinen automatisch bestückt und
im Reflow-Verfahren verlötet werden.
Eine Umstellung der Bestücklinien
ist ebensowenig erforderlich wie die Anschaffung zusätzlicher
oder spezieller Automaten. Es entstehen vielmehr nur geringe Mehrkosten,
weil die Jumper selbst äußerst kostengünstig herstellbar
und als Einzelelemente flexibel einsetzbar sind.
-
Weil
es sich bei den Jumpern 10 um automatisch bestückbare Einzelelemente
handelt, können diese
nahezu beliebig angeordnet werden, d. h. man ist beim Entwurf des
elektronischen Schaltbildes bzw. Leiterbildes an kein vorgegebenes
Raster oder eine bestimmte Polzahl gebunden. Die Jumper 10 können vielmehr
ganz nach Bedarf entlang der Knicklinie K positioniert werden. Das
verwendete Kupfermaterial sorgt hierbei für eine hohe Leitfähigkeit
und damit für
eine stets optimale Verbindung zwischen den Leiterplatten T1, T2.
-
Um
nicht nur eine leitfähige,
sondern auch eine flexible Verbindung zwischen den Leiterplatten T1,
T2 zu schaffen, sind in den Längsseiten 22 des Grundkörpers 20 in äquidistanten
Abständen
je drei halbkreisförmige
Ausnehmungen 52 eingebracht, die senkrecht zur Längsachse
A paarweise gegenüberliegen
und den Grundkörper 20 mitsamt
den Anbindungsbereichen 30, 40 in vier etwa gleich
große
Abschnitte 24 unterteilen.
-
Durch
die seitlich in den Grundkörper 20 als Materialreduzierungen
eingebrachten Ausnehmungen 52 entstehen entlang der Längsachse
A drei plastisch verformbare Bereiche 50, die dem Jumper 10 ein
vorgegebenes Biegeverhalten verleihen. Faltet man nämlich – wie in 5 dargestellt – die beiden
Leiterplatten T1, T2 an ihrer Knicklinie K um den Winkel α, so wird
der Grundkörper 20 des
Jumpers 10 in den Bereichen 50 W-förmig in
Knickrichtung nach innen gebogen, ohne dass sich der Jumper 10 von
den Landepads P lösen
kann. Der Grundkörper 20 wird
mithin in den Bereichen 50 plastisch verformt, die zwischen
den Abschnitten 24 Sollknick- bzw. Sollbiegestellen bilden.
-
Dadurch
ist es möglich,
mit herkömmlichen SMD-bestückten, starren
Leiterplatten T1, T2 ohne große
Mehrkosten eine dreidimensionale Leiterplatten-Anordnung zu schaffen.
Die fest mit den Landepads P verbundenen, automatisch bestückbaren Jumper 10 sorgen
für eine
stets zuverlässige
und gute leitfähige
Verbindung zwischen den Leiterplatten T1, T2, die in einem nahezu
beliebigen Winkel α angestellt
werden können.
Aufwendige Flachkabel oder flexible Flachleiterverbinder sind nicht
mehr erforderlich. Einzige Voraussetzung ist, dass die Jumper 10 mit
ihren Anbindungsbereichen 30, 40 parallel zur
Knicklinie K fluchtend auf einer Linie liegen, damit beim Falten
der Leiterplatten T1, T2 keine Scherkräfte in den Anbindungsbereichen 30, 40 entstehen
können.
-
Die
Breite B des Grundkörpers 20 ist
bevorzugt größer als
dessen Höhe
H, die der Dicke D der Anbindungsbereiche 30, 40 entspricht.
Die Dicke d des Grundkörpers
hingegen ist – wie 2 zeigt – bevorzugt
etwas kleiner als die Dicke D der Anbindungsbereiche 30, 40,
was sich zum einen günstig auf
das Lötverhalten
auswirkt und zum anderen die Biegeeigenschaften verbessert. Die
Ausnehmungen 52 müssen
nicht zwingend halbrund ausgebildet sein. Sie können auch eine andere Form
aufweisen, beispielsweise eine Trapez- oder Dreiecksform.
-
Die
Sollknickstelle (Knicklinie K) zwischen den Leiterplatten T1, T2
wird bevorzugt durch ein- oder beidseitiges Ritzen erzeugt. Man
kann die Leiterplatten T1, T2 aber auch ohne jegliche Verbindung nebeneinander
anordnen. Je nach Anzahl und Größe der Jumper 10,
deren Längsachsen
A bevorzugt senkrecht zur Knicklinie K liegen, reichen diese aus, um
eine biegbare aber dennoch stabile Verbindung zwischen den Leiterplatten
T1, T2 zu schaffen.
-
Die
Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern in vielfältiger
Weise abwandelbar. Wichtig ist, dass der Grundkörper 20 beim Falten
der Leiterplatten T1, T2 an vorgegebenen Stellen plastisch verformt
wird, damit sich die aufgelöteten
Anbindungsbereiche 30, 40 nicht von den Leiterplatten
T1, T2 bzw. den Landepads P lösen
können.
-
Der
Grundkörper 20 kann
alternativ als Hohlkörper
ausgebildet sein, was sich vorteilhaft auf das Biegeverhalten auswirken
kann. Insbesondere bietet sich hierdurch die Möglichkeit, die Leiterplatten
T1, T2 zumindest in Grenzen auch über einen Winkel α von 180° hinaus umbiegen
zu können,
in dem der Grundkörper 20 gestreckt
wird.
-
Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass anstellen einer weiteren Leiterplatte T2
ein elektronisches Bauteil, ein Schaltelement, ein Sensor oder eine
Litze mit dem Anbindungsbereich 40 des Jumpers 10 verbunden
wird.
-
- α
- Winkel
- A
- Längsachse
- B
- Breite
(Grundkörper)
- d
- Dicke
(Grundkörper)
- D
- Dicke
(Anbindungsbereich)
- H
- Höhe
- L
- Leiter
- P
- Landepads
- T1
- Bauelement/Leiterplatte
- T2
- Bauelement/Leiterplatte
- 10
- Verbindungselement
- 20
- Grundkörper
- 21
- Ende
- 22
- Längsseite
- 24
- Abschnitt
- 30
- Anbindungsbereich
- 32
- Unterseite
- 40
- Anbindungsbereich
- 42
- Unterseite
- 50
- Sollknickstelle/Sollbiegestelle
- 52
- Ausnehmung