-
Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenverbindung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verbindungselement zur Verbindung einer ersten Leiterplatte mit einer zweiten Leiterplatte.
-
Ein elektronisches Gerät umfasst eine erste und eine zweite Leiterplatte, die jeweils auch Platine, PCB (printed circuit board) oder gedruckte Schaltung genannt werden kann. Um das Gerät fertig zu stellen, sollen die beiden Leiterplatten elektrisch und ggf. auch mechanisch miteinander verbunden werden. Dazu ist eine Reihe unterschiedlicher Steckverbinder bekannt, die eine lösbare Verbindung zwischen den Leiterplatten herstellt. Alternative Lösungen umfassen eine Lötverbindung beispielsweise mit einem Stift zur Durchsteckmontage, einer flexiblen Folie oder einem sogenannten Jumper oder einem Verbindungselement, das auf beiden Seiten eingepresst oder vernietet wird. Steckverbinder sind üblicherweise empfindlich hinsichtlich Montagetoleranzen und Vibrationen. Außerdem kann beim Öffnen oder Schließen des Steckkontakts die elektrische Verbindung geschädigt werden, etwa in Form von Reibkorrosion. Durchgesteckte Lötverbindungen können häufig nicht optimal im Rahmen eines automatisierten Fertigungsprozesses eingesetzt werden. Einige Lötverbindungen erfordern relativ hohe Temperaturen, die ein benachbartes elektronisches Bauteil an einer der Leiterplatten schädigen können. Außerdem kann an einer beidseitig verlöteten Verbindung zwischen den Leiterplatten eine temperaturbedingte mechanische Spannung auftreten, die die elektrische Verbindung langfristig gefährden kann. Pressverbindungen sind können im Rahmen einer industriellen Massenfertigung aufwändig oder schwierig zu kontrollieren sein.
-
DE 10 2011 004 527 A1 betrifft einen Befestigungsstift zur Anbringung einer Leiterplatte an einem Gehäuseelement. Der Befestigungsstift umfasst einen Kopfabschnitt und einen sich daran anschließenden Einpressabschnitt. Der Einpressabschnitt wird nach Art eines Nagels durch eine Aussparung in der Leiterplatte geführt und mit Presssitz in einer Aussparung des Gehäuseelements angebracht.
-
Eine Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Technik zur Verbindung zweier Leiterplatten. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
-
Ein Verbindungselement zur Verbindung einer ersten Leiterplatte mit einer zweiten Leiterplatte umfasst einen Mittenabschnitt, der sich entlang einer Längsachse erstreckt; einen Kopfabschnitt, der zur Oberflächenmontage an einer Oberfläche der ersten Leiterplatte eingerichtet ist; und einen Einpressabschnitt, der zum Einpressen in eine Aussparung der zweiten Leiterplatte eingerichtet ist. Dabei grenzen der Kopfabschnitt und der Einpressabschnitt an entgegengesetzten Enden an den Mittenabschnitt an.
-
Das Verbindungselement ist dazu eingerichtet, mit der ersten Leiterplatte stoffschlüssig, insbesondere mittels eines Lötprozesses, verbunden zu werden und mit der zweiten Leiterplatte kraftschlüssig mittels eines Einpressvorgangs. Dadurch können zwei unterschiedliche Aufbau- und Verbindungs-Technologien (AVT) vorteilhaft miteinander verbunden werden.
-
Das Verbindungselement kann einfach aufgebaut und leicht herstellbar sein. Insbesondere kann das Verbindungselement maschinell verarbeitet werden, um eine wenigstens teilweise automatisierte Herstellung miteinander verbundener Leiterplatten zu erlauben. Das Verbindungselement kann eine kompakte Verbindung herstellen, sodass gegenüber einer bekannten Lösung ein vergrößerter Bauraum beispielsweise für Bauelemente an einer der Leiterplatten zur Verfügung stehen kann. Insbesondere im Vergleich mit einem Steckverbinder kann das Verbindungselement kostengünstig hergestellt und montiert werden.
-
Der Kopfabschnitt kann dazu eingerichtet sein, mittels eines Reflow-Prozesses oder in einem Wellenlötbad an der Oberfläche verlötet zu werden. Hierzu kann der Kopfabschnitt relativ klein dimensioniert sein, um eine niedrige Wärmeenergie für die Verlötung zu erfordern. Der Kopfabschnitt kann eine Größe im Bereich von Lötabschnitten anderer Bauelemente aufweisen, die an der ersten Leiterplatte verbaut sein können. Die zweite Leiterplatte kann insbesondere eine Hochspannungs- oder Hochstrom-Baugruppe umfassen. Insbesondere kann die zweite Leiterplatte mehrschichtig aufgebaut sein oder eine ausgedehnte oder dicke Leiterbahn umfassen, die einen Lötprozess behindern kann.
-
Der Kopfabschnitt kann sich insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Längsachse des Mittenabschnitts erstrecken. Der Kopfabschnitt kann also gegenüber dem Mittenabschnitt verdickt sein. Der Kopfabschnitt kann auf einem dem Mittenabschnitt abgewandten Ende flach ausgeführt sein. Somit ist er plan auf die Oberfläche der ersten Leiterplatte anbringbar.
-
Der Kopfabschnitt kann insbesondere zur Oberflächenmontage an ein Verbindungsbereich auf der Oberfläche der ersten Leiterplatte ausgeführt sein, wobei dieser Verbindungsbereich senkrecht zur Längsachse des Mittenabschnitts liegt. Beispielsweise kann es sich bei dem Verbindungsbereich um ein Lötpad auf der Oberfläche der ersten Leiterplatte handeln. Dementsprechend kann der Kopfabschnitt zum Anbringen/Anlöten an ein solches Lötpad ausgeführt sein.
-
Alternativ oder zusätzlich kann der Kopfabschnitt eingerichtet sein, zumindest teilweise in eine Öffnung der ersten Leiterplatte, insbesondere eine Bohrung, insbesondere eine Durchgangsbohrung, eingefügt und dort angebracht zu werden.
-
Der Kopfabschnitt, der Mittenabschnitt und der Einpressabschnitt sind bevorzugt einstückig miteinander integriert ausgeführt. Das Verbindungselement kann so kostengünstig als Massenware in ausreichender Präzision gefertigt werden.
-
Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Verbindungselement ein leitfähiges Material umfasst, um einen elektrischen Strom zwischen der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte zu übertragen. Ein Querschnitt des Verbindungselements kann in Abhängigkeit des zu übertragenden elektrischen Stroms angepasst sein. Insbesondere ein minimaler Querschnitt des Verbindungselements entlang der ersten Längsachse ist bevorzugt so bemessen, dass der vorbestimmte Strom ohne nennenswerte Erwärmung des Verbindungselements übertragen werden kann.
-
Mindestens der Kopfabschnitt des Verbindungselements umfasst bevorzugt ein lötbares Material. Die Oberflächenmontage kann auch einen anderen Prozess als Löten umfassen, beispielsweise Schweißen oder Kleben. In jedem Fall ist eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kopfabschnitt und der ersten Leiterplatte bevorzugt. Es ist weiterhin bevorzugt, dass diese stoffschlüssige Verbindung auch elektrisch leitfähig ist. Ein Lötprozess ist dabei zu bevorzugen, da er üblicherweise im Rahmen der Bestückung der Leiterplatten mit Bauelementen bereits verwendet wird.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist das Verbindungselement aus einem ebenen Blech herstellbar. Das Herstellen kann insbesondere ein Biegen, Prägen oder Stanzen umfassen. In einer anderen Ausführungsform ist das Verbindungselement aus einem Draht herstellbar, beispielsweise durch Schneiden, Stauchen oder Biegen.
-
In noch einer weiteren Ausführungsform ist bevorzugt, dass der Einpressabschnitt an seinem Ende spitz zuläuft, um ein Einführen des Einpressabschnitts in die Aussparung der zweiten Leiterplatte zu erleichtern. Eine automatische Verarbeitung des Verbindungselements kann dadurch erleichtert sein. Auch eine manuelle Montage der beiden Leiterplatten aneinander, wenn das Verbindungselement an der ersten Leiterplatte bereits angebracht wurde, kann erleichtert sein. Toleranzen bei der Lage einer Aussparung bezüglich des Verbindungselements können vergrößert sein, ohne einen Montageerfolg zu gefährden.
-
In unterschiedlichen Varianten kann der Einpressabschnitt flexibel sein, um sich beim Einpressen in radialer Richtung zu verformen, oder starr, um seine Form beim Einpressen in die Aussparung beizubehalten. In der erstgenannten Variante kann die Verformung teilweise plastisch und teilweise elastisch sein. In dieser Variante wird das Verbindungselement bevorzugt aus einem ebenen Blech hergestellt, wobei das Blech um die Längsachse umgebogen oder aufgerollt werden kann. Das Verbindungselement kann im Bereich des Einpressabschnitts so verbessert eine radial wirkende Flankenspannung bereitstellen, um das Verbindungselement an der zweiten Leiterplatte zu halten.
-
Die zweitgenannte Variante des Verbindungselements kann im Bereich des Einpressabschnitts, oder auch vollständig, massiv ausgeführt sein. So kann eine verbesserte Steifigkeit erzielt werden. Dazu kann das Verbindungselement, oder wenigstens der Einpressabschnitt, insbesondere aus einem Draht herstellbar sein.
-
Ein System umfasst eine erste Leiterplatte mit einem an ihrer Oberfläche angebrachten ersten Kontaktelement; eine zweite Leiterplatte mit einer Aussparung, an deren radialer Oberfläche ein zweites Kontaktelement angebracht ist; und das oben beschriebene Verbindungselement. Dabei ist der Kopfabschnitt des Verbindungselements am ersten Kontaktelement oberflächenmontiert und der Einpressabschnitt des Verbindungselements am zweiten Kontaktelement eingepresst. In einer Ausführungsform ist die erste Leiterplatte dazu eingerichtet, eine mit vergleichsweise geringen Strömen oder Spannungen arbeitende Kontroll-, Mess- oder Steuereinrichtung zu tragen, und die zweite Leiterplatte eine mit vergleichsweise großen Strömen oder Spannungen arbeitende Treibereinrichtung. Das System kann beispielsweise zur Steuerung eines Aktors verwendet werden, wobei Stromventile für einen Elektromotor im Bereich der zweiten Leiterplatte und eine insbesondere mikroprozessorgesteuerte Verarbeitungseinrichtung im Bereich der ersten Leiterplatte liegen.
-
Ein erstes Verfahren zum Verbinden einer ersten Leiterplatte mit einer zweiten Leiterplatte umfasst Schritte des Oberflächenmontierens des Kopfabschnitts des oben beschriebenen Verbindungselements an einer Oberfläche der ersten Leiterplatte; und des anschließenden Einpressens des Einpressabschnitts des Verbindungselements in einer Aussparung der zweiten Leiterplatte.
-
Insbesondere das Oberflächenmontieren des Verbindungselements an der ersten Leiterplatte kann teilweise oder vollständig automatisiert erfolgen. Beispielsweise kann ein Bestückungsautomat in Verbindung mit einem Reflow-Ofen dazu verwendet werden, das Verbindungselement an der ersten Leiterplatte zu platzieren und zu verlöten. Das anschließende Einpressen des Verbindungselements an der zweiten Leiterplatte kann in unterschiedlichen Ausführungsformen beispielsweise manuell, teilautomatisiert oder automatisiert erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform wird nur das Einpressen automatisiert durchgeführt und das Oberflächenmontieren erfolgt teilweise oder vollständig manuell.
-
Ein zweites Verfahren zum Verbinden einer ersten Leiterplatte mit einer zweiten Leiterplatte umfasst Schritte des Einpressens des Einpressabschnitts des oben beschriebenen Verbindungselements in einer Aussparung der zweiten Leiterplatte und des anschließenden Oberflächenmontierens des Kopfabschnitts des Verbindungselements an einer Oberfläche der ersten Leiterplatte. Das Einpressen kann erfolgen, während die zweite Leiterplatte gut zugänglich ist. Auch hier können eine oder beide Verbindungsschritte teilweise oder vollständig automatisch durchgeführt werden.
-
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
-
1 ein Verbindungselement;
-
2 ein erstes Verfahren zur Verbindung zweier Leiterplatten mittels eines Verbindungselements; und
-
3 ein zweites Verfahren zur Verbindung zweier Leiterplatten mittels eines Verbindungselements
darstellt.
-
1 zeigt ein Verbindungselement 100 zur Verbindung einer ersten Leiterplatte 105 mit einer zweiten Leiterplatte 110. Eine beispielhafte Ausführungsform des Verbindungselements 100 ist in 1A in einer Seitenansicht, in 1B in einer weiteren Seitenansicht und in 1C in einer Ansicht entsprechend der von 1B montiert an den Leiterplatten 105 und 110 dargestellt.
-
Das Verbindungselement 100 erstreckt sich entlang einer Längsachse 115. Im Allgemeinen liegen die Leiterplatten 105 und 110 parallel zueinander, wobei ein Abstand zwischen ihnen entlang der Längsachse 115 bestimmt ist. Entlang der Längsachse 115 umfasst das Verbindungselement 100 drei Abschnitte, die in der dargestellten Ausführungsform ineinander übergehen. Ein Kopfabschnitt 120 und ein Einpressabschnitt 125 liegen bezüglich der Längsachse 115 auf entgegengesetzten Seiten eines Mittenabschnitts 130. Der Kopfabschnitt 120 ist dazu eingerichtet, stoffschlüssig an einer Oberfläche der ersten Leiterplatte 105, wie beispielsweise ein Lötpad, angebracht zu werden, die der zweiten Leiterplatte 110 zugewandt ist. Dazu kann sich der Kopfabschnitt 120 insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Längsachse 115 erstrecken. Ein dem Mittenabschnitts 130 gegenüberliegendes Ende des Kopfabschnitts ist flach ausgeführt. Der Kopfabschnitt 120 liegt so plan auf der Oberfläche der ersten Leiterplatte 105 auf. Alternativ oder zusätzlich kann der Kopfabschnitt 120 eingerichtet sein, zumindest teilweise in einer Öffnung in dieser Oberfläche der ersten Leiterplatte 105, insbesondere eine Bohrung, insbesondere eine Durchgangsbohrung, eingefügt und dort angebracht zu werden. Es ist bevorzugt, dass der Kopfabschnitt 120 ein lötbares Material wie Kupfer, Messing oder Zinn umfasst, um verlötet zu werden.
-
Der Einpressabschnitt 125 umfasst in der dargestellten Ausführungsform einen optionalen Einführabschnitt 135, der in einer Richtung vom Kopfabschnitt 120 weg spitz zuläuft, um ein Einführen des Einpressabschnitts 125 in eine Aussparung der zweiten Leiterplatte 110 zu erleichtern. In anderen Ausführungsformen ist auch beispielsweise ein abgerundetes oder asymmetrisch angespitztes Ende des Einführabschnitts 135 möglich.
-
Der Einpressabschnitt 125 weist bevorzugt einen gegenüber dem Mittenabschnitt 130 und ggf. auch dem Einführabschnitt 135 vergrößerten Durchmesser in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 115 auf. In einer ersten Variante ist der Einpressabschnitt 125 dazu eingerichtet, im Rahmen eines Einpressvorgangs an der zweiten Leiterplatte 110 deformiert zu werden, und in einer zweiten Variante ist er dazu eingerichtet, sich während des Einpressens nicht zu verformen. Der Einführabschnitt 135 kann in entsprechender oder abweichender Weise ausgeführt sein. Soll der Einpressabschnitt 125 beim Einpressen nicht deformiert werden, so kann das Verbindungselement 100 wenigstens im Bereich des Einpressabschnitts 125, bevorzugt auch im Bereich des Mittenabschnitts 130, massiv ausgeführt sein. Beispielsweise kann das Verbindungselement 100 aus einem Draht gearbeitet werden, der im Bereich des Einpressabschnitts 125 und/oder im Bereich des Kopfabschnitts 120 entsprechend gestaucht wird.
-
Insbesondere dann, wenn der Einpressabschnitt 125 dazu eingerichtet ist, beim Einpressen an der zweiten Leiterplatte 110 verformt zu werden, insbesondere in radialer Richtung kann das Verbindungselement 100 aus einem ebenen Blech hergestellt werden, insbesondere mittels Stanzen, Biegen oder Pressen. Seine Stabilität kann das Verbindungselement 100 dadurch erhalten, dass ein zunächst ebenes Element wenigstens teilweise um die Längsachse 115 gebogen oder gewickelt wird. Die in der dargestellten Ausführungsform dargestellte Aussparung 140 im Bereich des Einpressabschnitts 125 ist optional und kann eine elastische Verformung des Einpressabschnitts 125 beim Einpressen unterstützen.
-
In 1C umfasst die erste Leiterplatte 105 ein erstes Kontaktelement 145, das die an der Oberfläche der ersten Leiterplatte 105 angebracht ist und insbesondere in Form einer Leiterbahn ausgeführt sein kann. An der zweiten Leiterplatte 110 ist ein zweites Kontaktelement 150 im Bereich einer Aussparung 155 vorgesehen. Die Aussparung 155 verläuft bevorzugt durch die gesamte zweite Leiterplatte 110 und das zweite Kontaktelement 150 kann insbesondere als Durchkontaktierung ausgeführt sein. Die Durchkontaktierung kann beispielsweise galvanisch oder bevorzugt mittels einer Niete hergestellt sein. Da eine Pressverbindung zwischen dem Einpressabschnitt 125 des Verbindungselements 100 und der zweiten Leiterplatte 110 hauptsächlich in radialer Richtung im Bereich der Aussparung 155 erfolgt, ist es bevorzugt, dass das zweite Kontaktelement 150 in einem radialen Bereich leitfähig ist und die Kräfte, die beim axialen Einführen des Verbindungselements 100 in die Aussparung 155 auftreten, aufnehmen kann. Die erste Leiterplatte 105 ist bevorzugt mit noch weiteren Bauelementen bestückbar, die oberflächenmontiert sind. Elektrische Verbindungen zwischen den Bauelementen können beispielsweise mittels einer weiteren Durchkontaktierung 160 und/oder einer weiteren Leiterbahn 165 erfolgen, die in unterschiedlichen Ausführungsformen eingebettet ins Material der ersten Leiterplatte 105 oder an einer zweiten Oberfläche der Leiterplatte 105 angebracht sein kann.
-
2 zeigt ein erstes Verfahren 200 zur Verbindung der Leiterplatten 105 und 110 mittels eines Verbindungselements 100, beispielsweise in der Ausführungsform von 1. In einem ersten Schritt 205 wird das Verbindungselement 100 an der ersten Leiterplatte 105 angebracht und stoffschlüssig verbunden. Die Verbindung kann insbesondere mittels Löten erfolgen.
-
In einem weiteren Schritt 210 wird das an der ersten Leiterplatte 105 angebrachte Verbindungselement 100 mit seinem Einpressabschnitt 125 in die Aussparung 155 der zweiten Leiterplatte 110 eingeführt. Soll eine elektrische Verbindung zwischen den Leiterplatten 105 und 110 hergestellt werden, so ist bevorzugt, dass im Bereich der Aussparung 155 ein zweites Kontaktelement 150 angebracht ist. Durch Ausüben einer vorbestimmten Kompressionskraft zwischen den Leiterplatten 105 und 110 kann eine Pressverbindung zwischen dem Verbindungselement 100 im Bereich des Einpressabschnitts 125 und der zweiten Leiterplatte 110 im Bereich der Aussparung 155 hergestellt werden. In einem abschließenden Schritt 215 bilden die erste Leiterplatte 105, die zweite Leiterplatte 110 und das Verbindungselement 100 ein System 220.
-
Sowohl der Schritt 205 als auch der Schritt 210 können in unterschiedlichen Ausführungsformen manuell, automatisch unterstützt oder vollständig automatisch ablaufen.
-
3 zeigt ein zweites Verfahren 300 zur Verbindung zweier Leiterplatten 105 und 110 mittels eines Verbindungselements 100, beispielsweise nach der Ausführungsform von 1. Das Verfahren 300 entsteht im Wesentlichen durch Vertauschen der Schritte 205 und 210 im Verfahren 200.
-
In einem Schritt 305 wird das Verbindungselement 100 an der zweiten Leiterplatte 110 angebracht und mit ihr verbunden, indem der Einpressabschnitt 125 des Verbindungselements 100 in die Aussparung 155 der zweiten Leiterplatte 110 eingeführt und mit einer ausreichenden Kraft belastet wird, um die Pressverbindung herzustellen.
-
In einem Schritt 310 werden die Leiterplatten 105 und 110 derart gegeneinander positioniert, dass der Kopfabschnitt 120 des Verbindungselements 100 an einer gewünschten Stelle der ersten Leiterplatte 105 liegt. Dabei berührt der Kopfabschnitt 120 bevorzugt ein erstes Kontaktelement 145, das an der Oberfläche der ersten Leiterplatte 105 angebracht ist. Anschließend wird der Kopfabschnitt 120 stoffschlüssig mit der ersten Leiterplatte 105 verbunden, beispielsweise indem der Kopfabschnitt 120 mit dem ersten Kontaktelement 145 verlötet wird. Ein abschließender Schritt 315 zeigt ein fertiges System 320, das dem System 220 des Verfahrens 200 von 2 und der Darstellung von 1C entspricht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Verbindungselement
- 105
- erste Leiterplatte
- 110
- zweite Leiterplatte
- 115
- Längsachse
- 120
- Kopfabschnitt
- 125
- Einpressabschnitt
- 130
- Mittenabschnitt
- 135
- Einführabschnitt
- 140
- Aussparung
- 145
- erstes Kontaktelement (Leiterbahn)
- 150
- zweites Kontaktelement (Durchkontaktierung)
- 155
- Aussparung
- 160
- Durchkontaktierung
- 165
- Leiterbahn
- 200
- Verfahren
- 205
- Anbringen und Verbinden Verbindungselement an erster Leiterplatte
- 210
- Anbringen und Verpressen Verbindungselement an zweiter Leiterplatte
- 215
- Abschluss
- 220
- System
- 300
- Verfahren
- 305
- Anbringen und Verpressen Verbindungselement an zweiter Leiterplatte
- 310
- Anbringen und Verbinden Verbindungselement an erster Leiterplatte
- 315
- Abschluss
- 320
- System
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011004527 A1 [0003]
