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Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement für eine gleichzeitige mechanische und elektrische Verbindung von mindestens zwei übereinander stabil zu stapelnden Leiterplatten.
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Es sind Anordnungen bekannt, bei denen mit elektronischen Bauelementen bestückte Leiterplatten übereinander stabil stapelbar sind und bei denen Verbindungselemente eingesetzt werden, mit deren Hilfe gleichzeitig eine mechanische und eine elektrische Verbindung zwischen den Leiterplatten herstellbar ist. So sieht die
WO 2005/020377 A1 eine Verbindungsanordnung mit mindestens zwei Schaltungsträgern vor, bei der jeder Schaltungsträger jeweils eine Seite mit elektrischen Kontaktflächen aufweist, mindestens eine Kontaktfläche des einen Schaltungsträgers mit mindestens einer Kontaktfläche des anderen Schaltungsträgers über ein Verbindungselement elektrisch leitend verbunden ist, das Verbindungselement die beiden Schaltungsträger zugleich miteinander mechanisch fest verbindet und die verbundenen Kontaktflächen der beiden Schaltungsträger so positioniert sind, daß die Schaltungsträger in einer vorgegebenen Relativlage zueinander fixiert sind. Diese grundsätzlich bekannte Verbindungsform wird durch verschiedene Verbindungselemente realisiert. Zum einen ein Verbindungselement als Hohlkörper, der zwischen zwei Kontaktflächen von zwei übereinander angeordneten Schaltungsträgern angelötet, verschweißt oder verklebt ist. Eine zweite Variante der Verbindungselemente sieht ein rohr- oder nietförmiges Verbindungselement vor bei dem zusätzlich ein Kontaktstift eingebracht ist, der mindestens einen Schaltungsträger nach außen durchdringt, um eine externe Verbindung nach außen z. B. mit Kontaktsteckern herzustellen. Eine dritte Variante wird durch eine Durchkontaktierung der Verbindungselemente durch die Schaltungsträger und die Kontaktflächen hergestellt. Bei dieser Variante müssen außerdem die Durchgangsöffnungen in den Schaltungsträgern leitfähig gestaltet werden. Der Kontaktstift kann nicht nur mechanisch sondern auch elektrisch durch Press- oder Quetschverbindung mit dem Verbindungselement verbunden werden. Weitere Ausführungsvarianten der Verbindungselemente in quadratischer oder rechteckiger Hohlprofilform oder in Form gebogener Flachbandelemente werden vorgeschlagen. Alle Verbindungselemente haben zwei gemeinsame Nachteile, zum einen ist für jede elektrische Verbindungsstelle von zwei Kontaktflächen auf zwei gegenüberliegenden Schaltungsträgern die Anordnung eines einzelnen Verbindungselements erforderlich und zum anderen unterliegen alle elektrischen Verbindungen bei Druck auf den Leiterplattenverbund einer Druckbelastung, die auch die Lötverbindungen belasten und zu deren Lösung führen kann. Außerdem erscheint die mechanische und elektrische Montage durch die Vielzahl der erforderlichen Einzelverbindungen sehr zeit- und materialaufwendig.
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In der
DE 1 059 988 wird eine elektrische Baugruppe aus in einem Abstand voneinander geschichteten, mit elektrischen Bauelementen und der zugehörigen Verdrahtung ausgestatteten Leiterplatten offenbart, wobei Abstandstücke gleichzeitig zur Verbindung von leitenden Flächen auf benachbarten Leiterplatten dienen, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Abstandstück mit einer Anzahl voneinander isolierter leitender Flächen versehen ist, die derart auf den angrenzenden Leiterplatten zugekehrten Seiten jedes Abstandstückes angebracht sind, daß sie ähnlich angeordnete leitende Flächen auf den Leiterplatten kontaktgebend berühren und daß je zwei Flächen auf verschiedenen Seiten des Abstandstückes durch einen über den Rand oder durch eine Öffnung des Abstandstückes verlaufenden Leiter verbunden sind. Schließlich müssen die Abstandstücke an zwei oder mehreren Rändern der Leiterplatten angeordnet sein. Die Abstandstücke und die Leiterplatten weisen in ihren Eck- und Mittelbereichen Durchgangslöcher auf. Die Abstandstücke zwischen jeweils zwei Leiterplatten werden übereinander gestapelt und mit Hilfe von durch die Durchgangslöcher aller Teile hindurch geführten Gewindebolzen und Mutter zu einem Modul mechanisch verschraubt, bevor die elektrischen Verbindungen herstellbar sind. Bei der Montage müssen die leitenden Flächen an den Rändern der Leiterplatten mit denen auf den Abstandstücken genau korrespondieren, damit sie später als Gesamtverbund mittels Tauchlötverfahren elektrisch zu verbinden sind.
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Die offenbarte Anordnung ist aufgrund der Vielzahl von erforderlichen Verbindungsteilen kompliziert und aufwendig, insbesondere bei der Montage. Da die elektrischen Leitungsführungen auf den Abstandstücken an den Außenflächen des Verbundes zwischen den Leiterplatten verlaufen, kann der elektrische Verbund nicht in jeder Ebene einzeln erfolgen. Wenn bei der Montage elektrische Verbindungsflächen der Abstandstücke und der Leiterplatten nicht genau aufeinander zu liegen kommen, und der Verbund tauchgelötet wird, kann die elektrische Verbindung gestört und der Fehler schwer gefunden oder gar beseitigt werden. Da die Leiterzüge auf den Außenflächen der Abstandstücke angeordnet sind, ist außerdem ein zusätzlicher Störfaktor von außen vorprogrammiert. Eine elektrische Abschirmung durch ein zusätzliches Gehäuse ist von Nöten, um elektromagnetische Störfaktoren von außen zu unterbinden.
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Es war daher Aufgabe der Erfindung ein Verbindungselement zu finden, daß einen wiederholt stapelbaren Verbund von Leiterplatten mit hoher mechanischer Stabilität, mit hoher Sicherheit gegen elektromagnetische Einflüsse aus der Umgebung und zwischen einzelnen Baugruppen einer Leiterplatte und einen Schutz gegen Verschmutzung zur Vermeidung von elektrischer Störanfälligkeit gewährleistet. Das Verbindungselement soll eine leicht herstellbare mechanische und elektrische Verbindung zwischen Leiterplatten ermöglichen, um eine kostengünstige Herstellung auch kleiner Serien mit gängigen Produktionsverfahren der Platinenfertigung zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Besonders hervorzuheben ist dabei, daß das plane Verbindungselement an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils einen einstückig angeformten unteren Zapfen und oberen Zapfen, eine untere und obere mechanische Auflagefläche, eine Innenfläche mit mehreren gegenseitig isolierten Leitungsführungen und jeweils mehreren verlötbaren Metallflächen an dem unteren und oberen Zapfen, eine komplett metallbeschichtete Außenfläche mit nach allen Seiten verlötbaren Metallflächen an den Rändern der Außenfläche aufweist. Darüber hinaus ist die Außenfläche zur Darstellung exakter Lötkanten im übrigen Bereich farbbeschichtet. Das Verbindungselement weist danach alle erforderlichen Teile und Formen auf, die für eine stabile mechanische und gleichzeitig elektrische Verbindung von zu stapelnden Leiterplatten notwendig sind. Es werden weder zur Montage noch zur elektrischen Verbindung zwischen den Leiterplatten und den Verbindungselementen zusätzliche Bauteile benötigt. Da das Verbindungselement mit einer metallbeschichteten Außenfläche versehen ist, übernimmt es außerdem die elektromagnetische Abschirmung nach außen.
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Vorteilhaft ist des weiteren, daß die Zapfen der Verbindungselemente jeweils in eine Öffnung einmünden, die an beliebig definierbarer Stelle von mindestens zwei übereinander gestapelten Leiterplatten fluchtend angeordnet sind, wobei über die Verzapfung der Verbindungselemente mit den Leiterplatten sowie deren Verlötung über die nach allen Seiten verlötbaren Metallflächen und die unteren und oberen mechanischen Auflageflächen der Verbund in jeder Ebene mechanisch fixierbar und stabil fest zu verbinden ist. Die Gestaltung der Innenfläche des Verbindungselements mit Metallflächen an den Zapfen und aufgebrachten Leitungsführungen, die mit den Metallflächen der Zapfen verbunden sind, können durch deren Verlötung die erforderlichen elektrischen Verbindungen zwischen den Leiterplatten hergestellt werden, die durch die unteren und oberen mechanischen Auflageflächen keinem mechanischen Druck ausgesetzt werden können. Darüber hinaus, sind die Breite des Verbindungselements, die Breite der Zapfen und sowie deren Abstand zueinander nach einem Maßstandard bestimmbar, um eine standardisierte mechanische Verbindung zwischen den Zapfen der Verbindungselemente und den Leiterplatten zu gewährleisten.
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Hervorzuheben ist auch, daß die Materialstärke des Verbindungselements einem Zehntel bis zum 10-fachen der Materialstärke der jeweiligen Leiterplatten entsprechen kann, die unteren und oberen mechanischen Auflageflächen jeweils in ihrer Summe eine Länge aufweisen, die mindestens 50% der Breite eines der Zapfens entspricht, die lichte Höhe des Verbindungselements beliebig wählbar und innerhalb einer Modulebene zwischen jeweils zwei Leiterplatten immer gleich ist. Damit wird der Abstand zwischen den Leiterplatten definiert, der mechanischen Verbindung wird ein erheblicher Versteifungsgrad und hohe Stabilität verliehen und die elektrischen Verbindungen werden keiner mechanischen Druckbelastung ausgesetzt.
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Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß bei der Verzapfung der Verbindungselemente der untere Zapfen bündig mit der Unterkante der unteren Leiterplatte eines Verbundes abschließt und der obere Zapfen über die Oberfläche der jeweils darüberliegenden Leiterplatte hinausragt, wodurch die elektrische und mechanische Verlötung der Verbindungselemente mit den Leiterplatten immer von einer Seite durchführbar ist. Der Arbeitszeitaufwand wird so reduziert, der Montageablauf vereinfacht und der Kostenaufwand erheblich reduziert.
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Hervorzuheben ist auch, daß mehrere Verbindungselemente an beliebig definierbaren Stellen zwischen mindestens zwei übereinander zu stapelnden Leiterplatten unmittelbar nebeneinander oder in einem erforderlichen Abstand zueinander über fluchtende Öffnungen in den Leiterplatten wiederholbar miteinander mechanisch fixierbar und stabil zu verbinden sind. Auf diese Weise können mehrere nebeneinander angeordnete und miteinander verlötete Verbindungselemente mit Hilfe ihrer einseitig angeordneten durchgehende Metallbeschichtung auf der Außenfläche als abschirmende Gehäusewand und als abschirmende Trennwand zwischen einem oder mehreren Sektoren untereinander auf einer Leiterplatte innerhalb eines Moduls eingesetzt werden.
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Als besonders vorteilhaft erweist es sich, daß die Verbindungselemente in ihren Abmessungen an die Größe, Form und Anzahl der zu einem Modul zu stapelnden Leiterplatten anpaßbar sind. So ist es möglich, daß in einer Ebene zwischen zwei Leiterplatten einheitlich Verbindungselemente einheitlicher Höhe und gleichzeitig in einer weiteren Ebene Verbindungselemente einer anderen, frei wählbaren einheitlichen Höhe einsetzbar sind, je nachdem welchen Platz die Höhe der Bauelemente auf der jeweiligen Ebene benötigen.
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Von Vorteil ist auch, daß die Anzahl der angeordneten Metallflächen an dem unteren und oberen Zapfen sowie die Anzahl der, diese verbindenden, Leitungsführungen auf der Innenfläche des Verbindungselements variabel ist.
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Es kann nach Bedarf eine, der zur Verfügung stehenden Fläche, angepaßte Anzahl von Leitungsverbindungen, von eins aufwärts, aufgebracht werden.
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Außerdem ist es für die Herstellung der Verbindungselemente und der Leiterplatten dienlich, daß die Öffnungen nach Zahl und Lage beliebig bestimmbar sind und die Breite und Länge der Öffnungen in den Leiterplatten, jeweils der Anzahl, Dicke und Breite der Zapfen am Verbindungselement entsprechen, wodurch die Variabilität der Anordnung von Bauelementen auf den Leiterplatten vergrößert und deren unmittelbare elektrische Verbindung erheblich vereinfacht wird.
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Schließlich ist es für die Herstellung und Fertigung von besonderem Vorteil, daß alle mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Verbindungselemente und der Leiterplatten mit bekannten Verfahren der Platinenfertigung durchführbar sind. Das unterstützt eine einfache und kostengünstige Herstellung.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden, das in den Zeichnungen näher dargestellt ist. Dabei zeigen:
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1 Vorderansicht eines Verbindungselements mit kleiner Höhe,
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2 Vorderansicht eines Verbindungselements mit gleichem Breitenraster wie 1 und größerer Höhe,
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3 vergrößerte Außenfläche eines Verbindungselements,
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4 vergrößerte Innenfläche eines Verbindungselements,
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5 Seitenansicht eines Leiterplattenverbundes,
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6 Draufsicht auf 5 mit angedeuteten Leitungsverbindungen und beliebig angeordneten Öffnungen,
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7 Schnittdarstellung A-A durch einen Leiterplattenverbund,
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8 Seitenansicht eines Leiterplattenverbundes mit hohen Verbindungselementen in einer Ebene und niedrigen Verbindungselementen in einer darunterliegenden Ebene eines Verbundes,
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9 Schnittdarstellung B-B durch die Verbindungselemente einer Ebene mit Verbindungselementen als abgeschirmte Gehäusewand an den Außenseiten und zwischen Sektoren einer Leiterplatte innerhalb eines Verbundes.
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Das erfindungsgemäße Verbindungselement 1, gemäß 1, besteht in einem Ausführungsbeispiel vorzugsweise aus einem herkömmlichen Platinenmaterial der Qualität FR4 mit einer beispielsweisen Materialstärke von 1,6 mm. Die Breite des Verbindungselements 1, gemäß 3 und 4 wurde beispielsweise nach dem Maßstandard Rack Unit festgelegt, wobei 1 RU = 1,75 Zoll entspricht. Die Breite des Verbindungselements 1 im Ausführungsbeispiel wurde danach vorzugsweise auf 1/2 RU und die lichte Höhe zwischen zwei Leiterplatten 2 beispielsweise auf 5 mm festgelegt. Die Höhe des in einer Ebene angeformten unteren Zapfens 3 entspricht vorzugsweise der Dicke der gewählten Materialstärke von 1,6 mm und die des in der gleichen Ebene angeformten oberen Zapfens 4 beträgt beispielsweise 3 mm. Der untere Zapfen 3 und der obere Zapfen 4 wurden auf der Innenfläche 1.1 des Verbindungselements 1 beispielsweise mit jeweils 4 verlötbaren Metallflächen 5 ausgestattet, wobei die parallelen Metallflächen 5 durch eine jeweils zugeordnete, ebenfalls auf der Innenfläche 1.1 angeordnete, Leitungsführung 6 miteinander verbunden sind. Dabei enden die verlötbaren Metallflächen 5 an der Unterkante des Zapfens 3 und die Metallflächen 5 auf dem oberen Zapfen 4 verlaufen bis zur Stirnkante des Zapfens 4. Die Außenfläche 1.2 des Verbindungselements 1 ist mit einer geschlossenen Metallbeschichtung versehen. Um exakte Lötkanten zur Stabilisierung der mechanischen Verbindung des Verbindungselements 1 mit den Leiterplatten 2 zu gewährleisten, sind die Ränder der Außenfläche 1.2 mit nach allen Seiten verlötbaren Metallflächen 7 ausgestattet und der übrige Bereich der Außenfläche 1.2 farbbeschichtet. Die jeweils beidseitig neben den Zapfen 3 und 4 des Verbindungselements 1 entstehenden oberen und unteren Stirnseiten dienen als obere mechanische Auflageflächen 1.3 und untere mechanische Auflageflächen 1.4 für jeweils zwei übereinander angeordnete Leiterplatten 2. Dabei verfügen die beiden äußeren oberen und unteren Auflageflächen 1.3 und 1.4 jeweils über eine Länge von beispielsweise 1,5 mm und die mittlere untere und obere Auflagefläche 1.3 und 1.4 weist jeweils eine Länge von 3 mm auf, weshalb die jeweils drei unteren und oberen Auflageflächen 1.3 und 1.4 vorzugsweise eine Gesamtlänge von 6 mm für die Auflage der Leiterplatten 2 zur Verfügung stellen. 5 zeigt einen beispielhaft gewählten Stapel von vier Leiterplatten 2, die zwischen den Ebenen jeweils mit einer Anzahl des oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verbindungselements 1 mechanisch und elektrisch verbunden sind. Gemäß 6 wurden auf allen vier übereinander gestapelten Leiterplatten 2 beispielsweise auf jeder der vier Plattenseiten je zwei Öffnungen 2.1 in die Leiterplatte 2 angeordnet. Dabei entspricht die Breite und Dicke der Öffnungen 2.1 der Breite und Dicke der Zapfen 3 und 4 am Verbindungselement 1 und der Abstand zwischen den jeweils zwei Öffnungen 2.1 entspricht beispielsweise dem Abstand der Zapfen 3 und 4 an dem gewählten Verbindungselement 1. Die Öffnungen 2.1 in einer Leiterplatte 2 fluchten zu den Öffnungen 2.1 in den übrigen Leiterplatten 2 und weisen an ihren gegenüberliegenden Längskanten verlötbare Metallflächen auf. Das trifft auch für die nicht mit Verbindungselementen 1 bestückten Öffnungen 2.1 zu. Vor der Montage werden zunächst die Leiterplatten 2 mit den, in den Zeichnungen nicht näher dargestellten, für den Anwendungsfall erforderlichen Bauelementen bestückt. Eine der bestückten Leiterplatten 2 dient als Grundplatte. Auf die Grundplatte wird beispielsweise an jeder Seite ein Verbindungselement 1 mit seinem unteren Zapfen 3 in die linke der beiden Öffnungen 2.1 der Grundplatte gesteckt. Dabei schließt der Zapfen 3 bündig mit der Unterkante der unteren Leiterplatte ab. Nun werden zunächst die verlötbaren Metallflächen 7 an der Außenfläche 1.2 der Verbindungselemente 1 mit den, an den Öffnungen 2.1 der Leiterplatte 2 angeordneten Metallflächen und die Metallflächen 5 am Zapfen 3 der Innenfläche 1.1 verlötet. Durch die Lötverbindungen werden die mechanischen Verbindungen zwischen der Grundleiterplatte 2 und den unteren Zapfen 3 mechanisch stabilisiert. Jetzt wird die zweite Leiterplatte 2 auf die oberen Zapfen 4 der Verbindungselemente 1 gesetzt, wobei die oberen Zapfen 4 in die rechten der beiden Öffnungen 2.1 der zweiten Leiterplatte 2 einrasten und über deren Oberfläche hinausragen. Danach werden die Metallflächen 5 und 7 der Verbindungselemente 1 mit den Metallflächen auf der zweiten Leiterplatte 2 an der Innenseite verlötet und so die elektrischen Verbindungen zwischen der ersten und zweiten Leiterplattenebene hergestellt. Nun wiederholt sich der Vorgang wie bei der Grundplatte. Die Verbindungselemente 1 werden mit ihren unteren Zapfen 3 in die linke der beiden Öffnungen 2.1 auf der zweiten Leiterplatte 2 gesteckt und die Metallflächen 7 und 5 der Verbindungselemente 1 mit denen auf der zweiten Leiterplatte 2 verlötet. Danach wird die dritte Leiterplatte 2 jeweils mit ihrer rechten der beiden Öffnungen 2.1 auf die oberen Zapfen 4 der Verbindungselemente 1 gesteckt und die Metallflächen 5 an der Innenfläche 1.1 und die Metallflächen 7 der Verbindungselemente 1 mit denen auf der dritten Leiterplatte 3 verlötet und somit die elektrische Verbindung hergestellt usw. In 6 ist zu erkennen, daß je nach Anwendungsfall und Bestückung der Leiterplatten 2 auch in der Flächenmitte der Leiterplatten 2 Öffnungen 2.1 zur Aufnahme von Verbindungselementen 1 anordenbar sind.
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Flächenmitte der Leiterplatten 2 Öffnungen 2.1 zur Aufnahme von Verbindungselementen 1 anordenbar sind.
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8 zeigt ein Beispiel für die erfindungsgemäßen Verbindungselemente 1 und deren vielfältige Einsatzmöglichkeiten. In diesem Beispiel wurden drei Leiterplatten 2 übereinander gestapelt. In einer Ebene wurde beispielsweise eine Vielzahl von Verbindungselementen 1 vorzugsweise in einer lichten Höhe von 5 mm am äußeren Rand einer Leiterplatte 2 nebeneinander angeordnet, jeweils mit ihrem unteren Zapfen 3 in die linke von zwei Öffnungen 2.1 der ersten Leiterplatte 2 gesteckt und über die verlötbaren Metallflächen 7 der Außenfläche 1.2 und die Metallflächen 5 an der Innenfläche 1.1 der Verbindungselemente verlötet. Außerdem wurden die aneinander liegenden Seitenkanten der Verbindungselemente 1 miteinander verlötet. Auf die oberen Zapfen 4 der Verbindungselemente 1 wurde die zweite Leiterplatte 2 aufgesteckt und die elektrischen Verbindungen auf der Innenfläche 1.1 und der Außenfläche 1.2 der Verbindungselemente 1 mit denen auf der zweiten Leiterplatte 2 hergestellt. Da auf der zweiten Leiterplatte 2, in den Zeichnungen nicht näher dargestellte, höhere Bauelemente und verschiedene Bauelementegruppen angeordnet sind, wurden auf der zweiten Leiterplatte 2 höhere Verbindungselemente 1, vorzugsweise mit einer lichten Höhe von 15 mm mit ihren unteren Zapfen 3 an den Rändern und in vorgegebenen Segmenten auf der Leiterplattenfläche in die linken Öffnungen 2.1 der zweiten Leiterplatte 2 gesteckt und mechanisch verlötet.
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9 zeigt einen Schnitt durch die aufgesteckten Verbindungselemente 1 und läßt die entstandenen Wandflächen am Rande der zweiten Leiterplatte 2 und an den Segmenten erkennen. Hier ist dargestellt, daß die Verbindungselemente 1 nicht nur für elektrische und mechanische Verbindungen in gestapelten Leiterplattenverbunden geeignet sind, sondern durch ihre komplett metallisierte Außenfläche 1.2 als elektrisch abschirmende Gehäuseverkleidungen und Segmentverkleidungen nutzbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Verbindungselement,
- 1.1
- Innenfläche,
- 1.2
- Außenfläche,
- 1.3
- obere Auflageflächen,
- 1.4
- untere Auflageflächen,
- 2.
- Leiterplatte,
- 2.1
- Öffnungen
- 3
- unterer Zapfen,
- 4
- oberer Zapfen,
- 5
- Metallflächen zur elektrischen Verbindung,
- 6
- Leitungsführungen,
- 7
- Metallflächen für mechanische Verbindungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2005/020377 A1 [0002]
- DE 1059988 [0003]
