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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Verbindungsvorrichtung für eine Leiterplatte mit einer ersten Kontakteinrichtung, welche eine Anschlussseite und eine der Anschlussseite gegenüberliegende Verbindungsseite aufweist, wobei die erste Kontakteinrichtung in einem Bereich der Anschlussseite ein Einpresselement aufweist, das zum Bereitstellen einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung mit der Leiterplatte in eine korrespondierende Öffnung der Leiterplatte einbringbar ist, und mit einer zweiten Kontakteinrichtung, welche eine Anschlussseite und eine der Anschlussseite gegenüberliegende Verbindungsseite aufweist, wobei die erste und die zweite Kontakteinrichtung im Bereich ihrer Verbindungsseiten miteinander verbunden sind. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein elektronisches Gerät für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Leiterplatte. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen elektronischen Gerät. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindungsvorrichtung.
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Das Interesse richtet sich vorliegend insbesondere auf elektrische Verbindungsvorrichtungen für Leiterplatten. Derartige elektrische Verbindungsvorrichtungen können beispielsweise in elektronischen Geräten von Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise Sensoreinrichtungen, Auswerteschaltungen oder Steuergeräten, verwendet werden. Aus dem Stand der Technik sind elektrische Verbindungsvorrichtungen bekannt, mit denen eine sogenannte „Pressfit“-Verbindung ermöglicht werden kann. Solche Verbindungsvorrichtungen weisen ein Einpresselement auf, das in eine korrespondierende Öffnung der Leiterplatte eingebracht werden kann. Auf diese Weise kann zwischen der elektrischen Verbindungsvorrichtung und der Leiterplatte eine formschlüssige und/oder eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt werden.
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Für die verschiedenen Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich sind verschiedene elektrische Verbindungsvorrichtungen im Einsatz. Diese elektrischen Verbindungsvorrichtungen unterscheiden sich in ihrer Form, da diese als Stecker oder als Buchse bzw. Hülse ausgebildet sein können. Darüber hinaus können sich die elektrischen Verbindungsvorrichtungen, die insbesondere aus Metall gefertigt sind, bezüglich des verwendeten Werkstoffs und ihrer Oberflächen bzw. Beschichtung unterscheiden. Diese Anforderungen werden teilweise von den Kunden vorgegeben. Für jede dieser elektrischen Verbindungsvorrichtungen ist von Seiten des Herstellers aber eine komplette Validierung bzw. Qualifizierung notwendig.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
US 4,755,148 A eine elektrische Verbindungsvorrichtung, die mit einer Leiterplatte verbunden werden kann. Die elektrische Verbindungsvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Kontaktelementen, die in korrespondierende Öffnungen der Leiterplatte eingebracht werden können, um eine jeweilige Pressfit-Verbindung bereitzustellen. Darüber hinaus umfasst die elektrische Verbindungsvorrichtung eine Mehrzahl von metallischen Elementen, die in einen Isolator eingebracht sind. Die metallischen Elemente können entweder als Stecker oder als Buchse ausgebildet sein. Dabei können Kontaktelemente passend zu den Metallelementen ausgebildet sein.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie der Herstellungsaufwand beim Herstellen einer elektrischen Verbindungsvorrichtung der eingangs genannten Gattung im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden kann und hierbei insbesondere eine zuverlässige elektrische Verbindung bereitgestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Verbindungsvorrichtung, ein elektronisches Gerät, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Eine elektrische Verbindungsvorrichtung für eine Leiterplatte umfasst eine erste Kontakteinrichtung, welche eine Anschlussseite und eine der Anschlussseite gegenüberliegende Verbindungsseite aufweist, wobei die erste Kontakteinrichtung in einem Bereich der Anschlussseite ein Einpresselement aufweist, das zum Bereitstellen einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung mit der Leiterplatte in eine korrespondierende Öffnung der Leiterplatte einbringbar ist, und eine zweite Kontakteinrichtung, welche eine Anschlussseite und eine der Anschlussseite gegenüberliegende Verbindungsseite aufweist, wobei die erste und die zweite Kontakteinrichtung in einem Bereich ihrer Verbindungsseiten miteinander verbunden sind, und wobei die erste und die zweite Kontakteinrichtung in dem Bereich ihrer Verbindungsseiten stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
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Die erfindungsgemäße elektrische Verbindungsvorrichtung umfasst also zwei Kontakteinrichtungen, die jeweils unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Die erste Kontakteinrichtung kann mit ihrer Anschlussseite elektrisch und mechanisch mit der Leiterplatte verbunden werden. Zu diesem Zweck umfasst die erste Kontakteinrichtung ein Einpresselement, das in eine korrespondierende Öffnung der Platine bzw. Leiterplatte eingebracht werden kann. Auf diese Weise kann insbesondere eine formschlüssige Verbindung mit der Leiterplatte bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine kraftschlüssige Verbindung mit der Leiterplatte bereitgestellt werden. Eine derartige Verbindung zwischen einer elektrischen Verbindungsvorrichtung bzw. der ersten Kontakteinrichtung kann auch als „Pressfit“-Verbindung bezeichnet werden.
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Die zweite Kontakteinrichtung kann nach den Vorgaben des Kunden ausgestaltet sein. Die erste Kontakteinrichtung kann nach einem Standard des Herstellers gefertigt sein. Somit ist es ausreichend, wenn die erste Kontakteinrichtung einmal qualifiziert wird. Somit kann insbesondere bei der Qualifizierung der ersten Kontakteinrichtung, die das Einpresselement aufweist, mit der eine mechanische und/oder elektrische Verbindung zu der Leiterplatte hergestellt wird, schneller und kostengünstiger qualifiziert werden. Eine derartige Qualifizierung kann beispielsweise eine Lebensdauerprüfung umfassen, die üblicherweise mehrere Monate dauert. Durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Kontakteinrichtung kann eine zuverlässige mechanische und elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontakteinrichtungen ermöglicht werden.
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Bevorzugt sind die erste und die zweite Kontakteinrichtung durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden. Mittels Elektronenstrahlschweißen können verschiedene Metalle miteinander stoffschlüssig verbunden werden, die verschiedene Zustände, Dicken und Eigenschaften aufweisen. Dadurch lassen sich Materialkosten sowie nachfolgende Arbeitsschritte einsparen. Zudem erlaubt das Elektronenstrahlschweißen eine hohe Schweißgeschwindigkeit.
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Bevorzugt sind die erste Kontakteinrichtung aus einem ersten metallischen Werkstoff und die zweite Kontakteinrichtung aus einem zweiten metallischen Werkstoff gefertigt. Insbesondere sind die erste Kontakteinrichtung aus einer ersten Metalllegierung und die zweite Kontakteinrichtung aus einer zweiten Metalllegierung gefertigt. Bevorzugt enthalten das erste metallische Material und das zweite metallische Material kein Zink. Der Grund hierfür ist, dass zinkhaltige Wertstoffe nicht durch Elektronenstrahlschweißen stoffschlüssig miteinander verbunden werden können.
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Darüber hinaus hat es sich vorteilhaft gezeigt, wenn der erste metallische Werkstoff Kupfer und Zinn umfasst. Beispielsweise kann die erste Kontakteinrichtung aus einer Metalllegierung gefertigt sein, welche Kupfer und Zinn umfasst. Beispielsweise kann eine Legierung verwendet werden, die als CuSn 400 bezeichnet wird. Auch das zweite metallische Material kann Kupfer und Zinn umfassen. Die zweite Kontakteinrichtung kann beispielsweise aus einer Metalllegierung gefertigt sein, die Kupfer und Zinn umfasst und die als CuSn 500 bezeichnet wird. Alternativ dazu kann die zweite Kontakteinrichtung aus einer Metalllegierung gefertigt sein, die Kupfer und Nickel umfasst.
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Bevorzugt weist die erste Kontakteinrichtung im Vergleich zur zweiten Kontakteinrichtung eine geringere mechanische Festigkeit auf. Mit anderen Worten wird für die erste Kontakteinrichtung im Vergleich zur zweiten Kontakteinrichtung ein weicheres Material verwendet. Beim Einbringen des Einpresselements der ersten Kontakteinrichtung in die korrespondierende Öffnung der Leiterplatte wird das Einpresselement elastisch und/oder plastisch verformt. Insbesondere verformt sich das Einpresselement beim Einbringen in die entsprechende Öffnung der Leiterplatte elastisch. Das Einpresselement kann beim Einbringen der ersten Kontakteinrichtung in die Öffnung ausgehend von einer Ausgangsstellung elastisch verformt werden. Wenn die erste Kontakteinrichtung in die Öffnung eingebracht ist, kann das Einpresselement wieder seine Ausgangsposition einnehmen. Somit kann auf einfache und kostengünstige Weise eine mechanische Verbindung zwischen der elektrischen Verbindungsvorrichtung und einer Leiterplatte hergestellt werden.
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Das erfindungsgemäße elektronische Gerät für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Leiterplatte und zumindest eine erfindungsgemäße elektrische Verbindungsvorrichtung, wobei die zumindest eine elektrische Verbindungsvorrichtung in eine korrespondierende Öffnung der Leiterplatte eingebracht ist. Das elektronische Gerät für Sensoren des Kraftfahrzeugs verwendet werden. Beispielsweise kann das elektronische Gerät in einem Modul verwendet werden, dass im Bereich der Lenksäule angeordnet ist und mit dem der Lenkwinkel erfasst werden kann. Darüber hinaus kann das elektronische Gerät zum Auswerten von Sensordaten verwendet werden. Das elektronische Gerät kann auch als Steuergerät des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst das erfindungsgemäße elektronische Gerät. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen elektronischen Verbindungsvorrichtung umfasst das Bereitstellen eines ersten metallischen Werkstoffs für die erste Kontakteinrichtung der Verbindungsvorrichtung, das Bereitstellen eines zweiten metallischen Werkstoffs für die zweite Kontakteinrichtung der Verbindungsvorrichtung, das stoffschlüssige Verbinden des ersten und des zweiten metallischen Werkstoffs zu einem Metallverbund und das Stanzen des Metallverbunds zum Bereitstellen der Verbindungsvorrichtung.
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Aus dem ersten metallischen Werkstoff kann die erste Kontakteinrichtung und aus dem zweiten metallischen Werkstoff die zweite Kontakteinrichtung gefertigt werden. Das erste und das zweite Material werden durch Schweißen, insbesondere Elektronenstrahlschweißen, stoffschlüssig miteinander verbunden. Anschließend wird die elektrische Verbindungsvorrichtung bzw. ein Vorprodukt durch Stanzen des Verbundmaterials herausgetrennt. Somit können elektrische Verbindungsvorrichtungen einfach und schnell gefertigt werden.
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Bevorzugt wird als der erste metallische Werkstoff und/oder als der zweite metallische Werkstoff ein Metallblech bereitgestellt. Das erste und/oder das zweite Material können unterschiedliche Metalllegierungen sein, die jeweils als Metallblech vorliegen. Derartige Metallbleche können einfach und kostengünstig durch Elektronenstrahlschweißen stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
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Weiterhin hat es sich vorteilhaft gezeigt, wenn der gestanzte Metallverbund zum Bereitstellen der Verbindungsvorrichtung umgeformt wird. Beispielsweise kann der gestanzte Metallverbund, das die Grundform für die elektrische Verbindungsvorrichtung bereitstellt, gebogen werden.
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Bevorzugt wird zum Bereitstellen der Verbindungsvorrichtung auf eine Oberfläche des gestanzten Verbundmaterials im Bereich der ersten Kontakteinrichtung und/oder im Bereich der zweiten Kontakteinrichtung eine Beschichtung aufgebracht. Dabei kann es vorgesehen sein, dass sowohl die erste Kontakteinrichtung als auch die zweiten Kontakteinrichtung beschichtet werden bzw. einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Alternativ dazu kann nur die erste Kontakteinrichtung oder nur die zweite Kontakteinrichtung beschichtet werden. Beispielsweise kann eine der Kontakteinrichtungen vergoldet oder verzinkt werden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen sowie in Alleinstellung anwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 in schematischer Perspektivdarstellung eine elektrische Verbindungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
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2 in schematischer Darstellung einen Elektronenschweißvorgang eines ersten und eines zweiten Metalls, die eine erste und eine zweite Kontakteinrichtung der Verbindungsvorrichtung bilden.
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivdarstellung eine elektrische Verbindungsvorrichtung 1. Die elektrische Verbindungsvorrichtung 1 dient zur elektrischen Kontaktierung einer Leiterplatte bzw. einer Platine. Eine derartige Leiterplatte kann insbesondere in einem elektronischen Gerät eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, verwendet werden. Das elektronische Gerät kann eine Sensorvorrichtung des Kraftfahrzeugs sein. So kann beispielsweise die Platine eine entsprechende Auswerteelektronik für die Sensoren des Kraftfahrzeugs umfassen. Solche Sensoren können beispielsweise Lenkwinkelsensoren sein. Alternativ dazu kann das elektronische Gerät dazu dienen, Sensordaten von Umfeldsensoren des Kraftfahrzeugs auszuwerten. Solche Umfeldsensoren können beispielsweise Kameras, Ultraschallsensoren, Radarsensoren, Laserscanner oder dergleichen sein.
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Die elektrische Verbindungsvorrichtung 1 umfasst eine erste Kontakteinrichtung 2 und eine zweite Kontakteinrichtung 3. Die erste Kontakteinrichtung 2 umfasst eine Anschlussseite 4 und eine der Anschlussseite 4 gegenüberliegende Verbindungsseite 5. Die zweite Kontakteinrichtung 3 umfasst ebenfalls eine Anschlussseite 6 und eine der Anschlussseite 6 gegenüberliegende Verbindungsseite 7.
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Die erste Kontakteinrichtung 2 umfasst im Bereich ihrer Anschlussseite 4 ein Einpresselement 8. Dieses Einpresselement 8 kann in eine korrespondierende Öffnung bzw. Aussparung der Leiterplatte eingebracht werden, um eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung mit der Leiterplatte herzustellen. Eine derartige Verbindung kann auch als Pressfit-Verbindung bezeichnet werden. Das Einpresselement 8 umfasst eine entsprechende Durchgangsöffnung 10, die in die erste Kontakteinrichtung eingebracht ist. Vorliegend ist das Einpresselement 8 in seiner Ausgangsposition gezeigt. Wenn die elektrische Verbindungsvorrichtung 1 bzw. die erste Kontakteinrichtung 2 im Bereich ihrer Anschlussseite 4 in die korrespondierende Öffnung einer Leiterplatte eingebracht wird, wird das Einpresselement 8 elastisch und/oder plastisch verformt. Insbesondere werden die beiden Stege der ersten Kontakteinrichtung 2, die die Durchgangsöffnung 10 begrenzen, derart elastisch verformt, dass sie sich auf einander zu bewegen. Wenn die erste Kontakteinrichtung 2 im Bereich ihrer Anschlussseite 4 in die korrespondierende Öffnung der Leiterplatte eingebracht ist, bewegt sich das Einpresselement 8 wieder in seine Ausgangslage zurück.
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Darüber hinaus ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Begrenzungselement 17 vorgesehen, welches die Bewegung beim Einbringen der ersten Kontakteinrichtung 2 in die Öffnung der Leiterplatte begrenzt. Das Begrenzungselement 17 liegt dann auf einer Oberseite der Leiterplatte auf. Zudem kann die elektrische Verbindungsvorrichtung 1 und/oder die Leiterplatte so ausgebildet sein, das nach dem Einbringen des Einpresselements 8 in die Öffnung eine elektrische Verbindung zwischen der elektrischen Verbindungsvorrichtung 1 und der Leiterplatte besteht.
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Die zweite Kontakteinrichtung 3 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich ihrer Anschlussseite 6 als Kontaktstift bzw. als Stecker ausgebildet. An die zweite Kontakteinrichtung 3 kann beispielsweise eine entsprechende Buchse angebracht werden. Die Ausführungsform gemäß 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der elektrischen Verbindungsvorrichtung 1 bzw. der zweiten Kontakteinrichtung 3. Die zweite Kontakteinrichtung 3 kann im Bereich der Anschlussseite 6 eine beliebige Formgebung aufweisen. So sind beispielsweise andere Steckerformen denkbar. Ebenso kann die zweite Kontakteinrichtung 3 im Bereich ihrer Anschlussseite 6 als Buchse ausgebildet sein.
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Die erste Kontakteinrichtung 2 und die zweite Kontakteinrichtung 3 sind im Bereich ihrer Verbindungsseiten 5, 6 stoffschlüssig miteinander verbunden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die erste Kontakteinrichtung 2 und die zweite Kontakteinrichtung 3 im Bereich ihrer Verbindungsseiten 5, 6 durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden.
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2 zeigt in schematischer Darstellung einen Schritt des Herstellungsverfahrens der elektrischen Verbindungsvorrichtung 1. Hierzu wird ein erster metallischer Werkstoff 11 bzw. ein erstes Metall und ein zweiter metallischer Werkstoff 12 bzw. ein zweites Metall bereitgestellt. Der erste metallische Werkstoff 11 bildet nach Abschluss des Herstellungsverfahrens die erste Kontakteinrichtung 2. Der zweite metallische Werkstoff 12 bildet nach Abschluss des Herstellungsverfahrens die zweite Kontakteinrichtung 3. Der erste metallische Werkstoff 11 ist eine Metalllegierung, die beispielsweise Kupfer und Zinn umfasst. Der zweite metallische Werkstoff 12 ist eine von dem ersten metallische Werkstoff 11 verschiedene Metalllegierung. Diese Metalllegierung kann ebenfalls Kupfer und Zinn umfassen. Alternativ dazu kann diese Metalllegierung Kupfer und Nickel umfassen. Für den ersten metallische Werkstoff 11 und den zweiten metallische Werkstoff 12 sind grundsätzlich alle Metalllegierungen denkbar, die kein Zink enthalten, da derartige Materialien nicht durch Elektronenstrahlschweißen miteinander stoffschlüssig verbunden werden können.
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Der erste metallische Werkstoff 11 und der zweite metallische Werkstoff 12 liegen vorliegend als Metallbleche vor, die entsprechend aufgerollt sind. Die beiden Metallbleche werden durch eine hier nicht dargestellte Fördereinrichtung in Richtung des Pfeils 13 bewegt. An einer Kathode 14 werden durch thermische Emission Elektroden freigesetzt, die auf eine Fügestelle zwischen dem ersten Material 11 und dem zweiten Material 12 treffen. Eine Anode und eine entsprechende Steuerelektrode der Schweißeinrichtung sind vorliegend der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Durch den Elektronenstrahl 15 werden der erste metallische Werkstoff 11 und der zweite metallische Werkstoff 12 aufgeschmolzen und somit stoffschlüssig miteinander verbunden. Der daraus entstehende Metallverbund 16 kann entsprechend aufgerollt werden.
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Anschließend kann die elektrische Verbindungsvorrichtung 1 bzw. eine Grundform für die elektrische Verbindungsvorrichtung 1 aus dem Metallverbund 16 herausgetrennt werden. Dies erfolgt insbesondere durch Stanzen. Anschließend kann der gestanzte Metallverbund 16 entsprechend umgeformt werden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die elektrische Verbindungsvorrichtung 1 im Bereich der ersten Kontakteinrichtung 2 entsprechend gebogen. Vorliegend ist die erste Kontakteinrichtung 2 derart gebogen, dass der der Anschlussseite 4 zugeordnete Bereich im Wesentlichen senkrecht zu dem der Verbindungsseite 5 zugeordneten Bereich verläuft.
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Nach dem Stanzen des Metallverbunds 16 bzw. nach dem optionalen Umformen kann eine Oberflächenbehandlung erfolgen. Dabei kann die Oberfläche der elektrischen Verbindungsvorrichtung 1 komplett beschichtet werden. Dabei ist es auch denkbar, dass nur die erste Kontakteinrichtung 2 oder die zweite Kontakteinrichtung 3 beschichtet bzw. galvanisiert werden. Beispielsweise kann nur die zweite Kontakteinrichtung 3 vergoldet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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