DE102018213639A1 - Verfahren zum Anbringen wenigstens eines insbesondere stiftförmigen Kontaktelements auf einer Leiterbahn einer Leiterplatte, Stiftleiste zur Anbringung auf einer Leiterplatte, Verbindungsanordnung - Google Patents

Verfahren zum Anbringen wenigstens eines insbesondere stiftförmigen Kontaktelements auf einer Leiterbahn einer Leiterplatte, Stiftleiste zur Anbringung auf einer Leiterplatte, Verbindungsanordnung Download PDF

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Abstract

Gezeigt ist ein Verfahren zum Anbringen wenigstens eines insbesondere stiftförmigen Kontaktelements (10) auf einer Leiterbahn (21) einer Leiterplatte (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (10) mittels eines Laserstrahls (30) in Oberflächenmontage mit der Leiterbahn (21) verschweißt wird. Ferner offenbart ist eine Stiftleiste (100) zur Anbringung auf einer Leiterplatte(20), umfassend mindestens ein insbesondere stiftförmiges Kontaktelement (10), wobei das mindestens eine Kontaktelement (10) als oberflächenmontiertes Bauelement auf einer Oberfläche (22) einer Leiterbahn (21) der Leiterplatte (20) aufgeschweißt ist. Eine Verbindungsanordnung (200) umfasst eine erfindungsgemäße Stiftleiste (100) und eine Leiterplatte (20), wobei ein Kontaktelement (10) der Stiftleiste (100) als oberflächen montiertes Bauelement auf die Leiterbahn (21) der Leiterplatte (20) aufgeschweißt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen wenigstens eines insbesondere stiftförmigen Kontaktelements auf einer Leiterbahn einer Leiterplatte. Ferner betrifft die Erfindung eine Stiftleiste zur Anbringung auf einer Leiterplatte sowie eine Verbindungsanordnung.
  • Es existieren verschiedene Verfahren, wie ein Kontaktelement auf einer Leiterbahn einer Leiterplatte angebracht werden kann. Zum Beispiel kann das Kontaktelement durch Löten angebracht werden. Dazu ist es notwendig, Flussmittel zu verwenden, welches im weiteren Verlauf des Fertigungsverfahrens gegebenenfalls entfernt werden muss. Eine weitere Möglichkeit ist die Fertigung in Durchsteckmontage (Englisch: through-hole technology; THT). Dies erfordert jedoch das Bohren von Löchern. Die genannten Verfahren sind somit aufwendig.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung bereitzustellen, die weniger aufwendig ist.
  • Erfindungsgemäß wird dies gelöst durch ein Verfahren zum Anbringen wenigstens eines insbesondere stiftförmigen Kontaktelements auf einer Leiterbahn einer Leiterplatte, wobei das Kontaktelement mittels eines Laserstrahls in Oberflächenmontage mit der Leiterbahn verschweißt wird.
  • Eine erfindungsgemäße Stiftleiste zur Anbringung auf einer Leiterplatte umfasst mindestens ein insbesondere stiftförmiges Kontaktelement, wobei das mindestens eine Kontaktelement als oberflächenmontiertes Bauelement auf einer Oberfläche einer Leiterbahn der Leiterplatte aufgeschweißt ist.
  • Eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung umfasst eine erfindungsgemäße Stiftleiste und eine Leiterplatte, wobei ein Kontaktelement der Stiftleiste als oberflächenmontiertes Bauelement auf die Leiterbahn der Leiterbahn aufgeschweißt ist.
  • Bei der genannten Lösung ist es nicht notwendig, Flussmittel zu verwenden. Ferner kann auf das Bohren von Löchern verzichtet werden. Dadurch wird der Aufwand reduziert.
  • Die erfindungsgemäße Lösung kann mit den folgenden, jeweils für sich vorteilhaften und beliebig miteinander kombinierbaren Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen weiter verbessert werden.
  • Das Kontaktelement kann insbesondere auf der Oberfläche der Leiterbahn aufgeschweißt werden. Dadurch kann das Verfahren besonders einfach sein.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann auf das Bohren von Löchern vollständig verzichtet sein, um das Verfahren einfach zu halten. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung einer Verbindungsanordnung kann folglich kein Loch auf der Leiterplatte vorhanden sein. Sämtliche Bauteile können in Oberflächenmontage (Englisch: Surface Mount Technology; SMT) montiert sein.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann der Laser gepulst werden. Dies kann zu einer zeitlich und lokal begrenzten Aufwärmung führen, wobei angrenzende Bereiche, insbesondere die Leiterplatte wenig thermisch belastet werden.
  • Der Laserstrahl kann entlang eines spiralförmigen Pfads auf einer Oberfläche geführt werden. Bei einer solchen Strahlführung kann die Erwärmung entlang des Pfads gut verteilt werden. Natürlich sind auch andere Formen des Pfads möglich, etwa ein zeilenförmiges Rastern. Bei der Oberfläche kann sich insbesondere um eine Oberfläche des Kontaktelements handeln.
  • Um eine thermische Belastung gering zu halten, kann der Laserstrahl das Material nur lokal aufschmelzen. Beispielsweise kann der Laser das Material nur in einem Bereich mit einem Radius, der 3,0-mal der Breite des Laserstrahls entspricht, aufschmelzen. Vorteilhafterweise kann der Bereich auch kleiner sein, beispielsweise nur zweimal die Breite des Laserstrahls oder nur etwa die einfache Breite des Laserstrahls. Als Breite des Laserstrahls kann dabei zum Beispiel der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Punkten, an denen die Intensität auf 1/e2 abgefallen ist, definiert sein.
  • Der Laserstrahl kann auf einen Bereich fokussiert werden, der kleiner als ein Zehntel der Dicke des Kontaktelements groß ist. Danach kann die Erwärmung lokal begrenzt sein.
  • Um bei Verwendung von mehreren Kontaktelementen den Abstand zwischen den Kontaktelementen und somit den Isolationsabstand groß zu halten, kann das wenigstens eine insbesondere stiftförmige Kontaktelement Teil einer Stiftleiste mit mehreren insbesondere stiftförmigen Kontaktelementen sein, die in mehreren, zueinander versetzten Reihen angeordnet sind. Ein Winkel zwischen zwei Linien, die das Kontaktelement mit einem benachbarten Kontaktelement verbindet, kann ungleich 90 Grad sein, insbesondere ungefähr 60 Grad. Die Kontaktelemente können in einem hexagonalen Gitter angeordnet sein.
  • Um eine besonders gute Erwärmung beim Schweißvorgang zu ermöglichen, kann ein zu verschweißendes Ende des Kontaktelements vor dem Verschweißen abgeflacht werden. Dadurch kann das zu verschweißende Ende durch den Laserstrahl leicht aufgewärmt werden. Ein entsprechend geformtes Ende ist flach.
  • Beispielsweise kann das zu verschweißende Ende des Kontaktelements geprägt oder gewalzt werden. Eine solche Ausgestaltung kann besonders leicht umzusetzen sein.
  • Um eine besonders gute Verschweißung zwischen den beiden zu ermöglichen, kann das Verhältnis einer Dicke der Leiterbahn zu einer Dicke des Kontaktelements wenigstens 0,3 betragen. Das Verhältnis sollte maximal 2,0 sein. Die Dicke kann dabei insbesondere am abgeflachten Ende gemessen sein und dort die geringste Abmessung zwischen zwei flachen Seiten sein, beispielsweise einer Vorder- und einer Rückseite.
  • Das zu verschweißende erste Ende des Kontaktelements kann insbesondere scheibenförmig ausgestaltet sein, um eine einfache Erwärmung zu ermöglichen. Es kann sich beispielsweise um eine etwa kreisrunde Scheibe handeln.
  • Das zu verschweißende Ende kann im angebrachten Zustand parallel zu einer Oberfläche der Leiterplatte verlaufen, um eine einfache und großflächige Verschweißung zu ermöglichen.
  • Das Kontaktelement, insbesondere ein zu verschweißendes Ende des Kontaktelements, kann auf eine Leiterbahn oder entsprechend gestaltete Landefläche aufschweißbar sein.
  • Um eine einfache Kontaktierung mit einem Gegenstecker zu ermöglichen, kann ein zweites Ende des Kontaktelements zur Verbindung mit einem Gegenstecker ausgestaltet sein. Das zweite Ende kann dazu als vorstehender Stift oder als Buchse ausgestaltet sein, die mit einem entsprechenden Gegenelement zusammenfügbar ist. Dazu können die Kontaktelemente nach Unternehmensstandards oder nationalen oder internationalen Standards für Stecker geformt sein.
  • Die Stiftleiste kann mehrere Kontaktelemente aufweisen, die alle oberflächenmontiert sind. Dies erlaubt eine besonders einfache Montage.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausgestaltungen mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Die dabei dargestellten vorteilhaften Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind jeweils voneinander unabhängig und können beliebig miteinander kombiniert werden, je nach dem, wie dies im Anwendungsfall notwendig ist.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform einer Stiftleiste;
    • 2 eine schematische seitliche Querschnittsansicht eines Kontaktelements auf einer Leiterplatte;
    • 3 eine schematische Perspektivansicht eines Details einer Ausführungsform eines Kontaktelements;
    • 4 eine schematische Perspektivansicht eines Details eines Pfads;
    • 5 eine schematische Querschnittsansicht einer Anordnung von mehreren Kontaktelementen.
  • In 1 ist eine Stiftleiste 100 gezeigt. Eine solche Stiftleiste 100 ist auch bekannt als Header oder Pinheader. Sie wird auf einer Leiterplatte 20 angebracht, wobei die Stiftleiste 100 mehrere Kontaktelemente 10 aufweist, die mit Leiterbahnen 21 auf der Leiterplatte 20 verbunden werden. Auf der anderen Seite, die der Seite mit der Leiterplatte 20 gegenüberliegt, kann die Stiftleiste 100 ein Steckgesicht aufweisen, sodass sie mit einem Gegenstecker (nicht gezeigt) verbunden werden kann. Das Steckgesicht kann nach internen oder externen Standards ausgestaltet sein, sodass es mit einem Gegenstecker gemäß solchen Standards zusammengesteckt werden kann.
  • Die Kontaktelemente 10 sind in einem Gehäuse 90 angeordnet, das zum Beispiel aus einem isolierenden Kunststoff gefertigt sein kann.
  • Wie in den 1 und 5 zu sehen ist, sind die Kontaktelemente 10 in mehreren Reihen 105 angeordnet, wobei benachbarte Reihen 105 um einen Versatz 106 zueinander versetzt sind. Die einzelnen Kontaktelemente 10 sind in einem hexagonalen Gitter angeordnet, sodass ein zentrales Kontaktelement 10 von sechs weiteren Kontaktelementen 10 umgeben ist, von denen es jeweils den gleichen Abstand 130 aufweist. Drei Kontaktelemente bilden folglich jeweils ein gleichseitiges Dreieck. Ein Winkel 107, der zwischen drei Kontaktelementen mit einem Kontaktelement 10 als Basis gemessen wird, beträgt 60 Grad.
  • In anderen Ausgestaltungen kann der Winkel kleiner oder größer sein, je nach dem wie der Abstand zwischen den einzelnen Reihen 105 und der Abstand 130 zwischen den einzelnen Kontaktelementen 10 in einer Reihe 105 ist.
  • Insbesondere in den 2 und 3 ist zu sehen, dass ein zu verschweißendes, erstes Ende 11 des Kontaktelements 10 abgeflacht ist. In dem gezeigten Beispiel ist das erste Ende 11 als etwa kreisförmige Scheibe 51 ausgestaltet. Eine Dicke 111 des ersten Endes 11, gemessen in einer Dickenrichtung T, die senkrecht zur Ebene des flachen ersten Endes 11 und senkrecht zur Oberfläche 25 der Leiterplatte 20 gemessen wird, ist größenordnungsmäßig im Bereich einer Dicke 121 der Leiterbahn 21 auf der Leiterplatte 20. Dies ermöglicht ein gutes Verschweißen der beiden miteinander. Allgemein sollte das Verhältnis der Dicke 121 der Leiterbahn 21 zur Dicke 111 des Kontaktelements 10, insbesondere des ersten Endes 11, mindestens 0,3 betragen. Als maximales Verhältnis kann ein Wert von 2,0 angesehen werden, um ein gutes Schweißergebnis zu erhalten.
  • Das Abflachen kann zum Beispiel durch einen Stanz- oder Prägevorgang erzielt werden.
  • Ein Laserstrahl 30 wird benutzt, um das Kontaktelement 10 mit der Leiterbahn 21 zu verschweißen. Der Laserstrahl 30 wird dabei auf eine Rückseite 14 des flachen ersten Endes 11 des Kontaktelements 10 gerichtet, wobei die Rückseite 14 als die Seite anzusehen ist, die einer Vorderseite 13, die in Kontakt mit der Leiterbahn 21 ist, gegenüberliegt. Die Vorderseite 13 ist in Kontakt mit einer Oberfläche 22 der Leiterbahn 21 und wird mit dieser verschweißt bzw. auf diese aufgeschweißt.
  • Das Auftreffen des Laserstrahls 30 auf das Kontaktelement 10 bewirkt eine Erwärmung, insbesondere ein Schmelzen, sodass das Kontaktelement 10 mit der Leiterbahn 21 verschweißt bzw. auf die Leiterbahn 21 aufgeschweißt wird. Eine Breite 131 des Laserstrahls 30 und der Bereich 45, auf den der Laserstrahl 30 fokussiert ist, werden dabei so klein gewählt, dass der aufgeschmolzene Bereich 40 eine Breite 140 aufweist, die klein gegenüber einer Breite 110 des Kontaktelements 10, insbesondere des ersten Endes 11 ist. Dadurch werden der Energieeintrag und die Aufwärmung minimal gehalten, sodass die Leiterplatte 20, die hitzeempfindlich ist, keinen Schaden nimmt. Vorteilhafterweise sind die Breite 45, auf den der Laserstrahl 30 fokussiert wird, und/oder die Breite 140 des erwärmten Bereichs 40 um einen Faktor 10 oder mehr kleiner als die Breite 111 des Kontaktelements 10.
  • Um das lokale Aufschmelzen des Materials 60 noch weiter einzugrenzen, kann der Laser gepulst sein, sodass nur kurze intensive Laserpulse auf die Oberfläche 80 treffen.
  • Die gezeigten Kontaktelemente 10 sind im Wesentlichen stiftförmig, insbesondere in einem Mittelbereich 15, der zwischen dem ersten Ende 11 und dem zweiten Ende 12 liegt. Sie erstrecken sich entlang einer Längsrichtung L, die senkrecht zur Breitenrichtung W und senkrecht zur Dickenrichtung T ist, wobei die Dickenrichtung T wiederum senkrecht zur Breitenrichtung W ist.
  • Wie in 4 zu sehen ist, kann ein Pfad 70, entlang dem der Laserstrahl 30 geführt wird, spiralförmig sein. Dies kann zum Beispiel dazu führen, dass ein erwärmter Bereich 40 ausreichend Zeit hat abzukühlen, bevor der Laserstrahl 30 in einer weiteren Runde in seiner Nähe eine Erwärmung herbeiführt.
  • Die Stiftleiste 100 ist so ausgestaltet, dass alle der gezeigten Kontaktelemente 10 in Oberflächenmontage auf der Leiterplatte 20 montiert werden können. Insbesondere ist es nicht notwendig, Löcher in die Leiterplatte 20 zu bohren. Der Aufwand zur Herstellung ist deshalb reduziert. Durch die Verwendung eines gepulsten Lasers, der nur lokal in einem kleinen Bereich 40 eine Erwärmung erreicht, ist es trotzdem möglich, eine Verschweißung zwischen dem Kontaktelement 10 und der Leiterbahn 21 zu erzielen, ohne dass die Leiterplatte 21 zu hohen Temperaturen ausgesetzt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Kontaktelement
    11
    zu verschweißendes, erstes Ende
    12
    zweites Ende
    13
    Vorderseite
    14
    Rückseite
    15
    Mittelbereich
    20
    Leiterplatte
    21
    Leiterbahn
    25
    Oberfläche der Leiterplatte
    30
    Laserstrahl
    40
    Bereich
    45
    Bereich Fokus
    51
    Scheibe
    60
    Material
    70
    Pfad
    71
    spiralförmiger Pfad
    80
    Oberfläche
    90
    Gehäuse
    100
    Stiftleiste
    105
    Reihe
    106
    Versatz
    107
    Winkel
    110
    Breite Kontaktelement
    111
    Dicke erstes Ende
    121
    Dicke Leiterbahn
    130
    Abstand
    131
    Breite Laserstrahl
    140
    Breite des Bereichs
    200
    Verbindungsanordnung
    L
    Längsrichtung
    T
    Dickenrichtung
    W
    Breitenrichtung

Claims (15)

  1. Verfahren zum Anbringen wenigstens eines insbesondere stiftförmigen Kontaktelements (10) auf einer Leiterbahn (21) einer Leiterplatte (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (10) mittels eines Laserstrahls (30) in Oberflächenmontage mit der Leiterbahn (21) verschweißt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kontaktelement (10) auf der Oberfläche (22) der Leiterbahn (21) aufgeschweißt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Laser gepulst wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Laserstrahl (30) entlang eines spiralförmigen Pfads (70) auf einer Oberfläche (80) geführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Laserstrahl (30) das Material (60) nur lokal aufschmilzt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Laserstrahl (30) auf einen Bereich (45) fokussiert wird, der kleiner als ein Zehntel der Dicke (111) des Kontaktelements (10) groß ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das wenigstens eine insbesondere stiftförmige Kontaktelement (10) Teil einer Stiftleiste (100) mit mehreren insbesondere stiftförmigen Kontaktelementen (10) ist, die in mehreren, zueinander versetzten Reihen (105) angeordnet sind.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein zu verschweißendes Ende (11) des Kontaktelements (10) vor dem Verschweißen abgeflacht wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das zu verschweißende Ende (11) des Kontaktelements (10) geprägt oder gewalzt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verhältnis einer Dicke (121) der Leiterbahn (21) zu einer Dicke (111) des Kontaktelements (11) wenigstens 0,3 beträgt.
  11. Stiftleiste (100) zur Anbringung auf einer Leiterplatte (20), umfassend mindestens ein insbesondere stiftförmiges Kontaktelement (10), wobei das mindestens eine Kontaktelement (10) als oberflächenmontiertes Bauelement auf einer Oberfläche (22) einer Leiterbahn (21) der Leiterplatte (20) aufgeschweißt ist.
  12. Stiftleiste (100) nach Anspruch 11, wobei das erste Ende (11) des Kontaktelements (10) scheibenförmig ausgestaltet ist.
  13. Stiftleiste (100) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Stiftleiste (100) mehrere Reihen (105) von Kontaktelementen (10) aufweist und die Kontaktelemente (10) in benachbarten Reihen (105) zueinander versetzt sind.
  14. Verbindungsanordnung (200), umfassend eine Stiftleiste (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 und eine Leiterplatte (20), wobei ein Kontaktelement (10) der Stiftleiste (100) als oberflächenmontiertes Bauelement auf die Leiterbahn (21) der Leiterplatte (20) aufgeschweißt ist.
  15. Verbindungsanordnung (200) nach Anspruch 14, wobei die Stiftleiste mehrere Kontaktelemente aufweist, die alle oberflächenmontiert sind.
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