-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine
elektrische Kontaktstruktur zum Kontaktieren wenigstens eines elektrischen
Leiters mit einem elektrischen Kontaktbereich einer elektrischen
Leiterbahnstruktur, die auf einer, aus elektrisch nicht leitendem
Material bestehenden Trägerstruktur
aufgebracht ist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren
zur Herstellung einer derartigen elektrischen Kontaktstruktur.
-
Mittlerweile halten in nahezu allen
Bereichen des alltäglichen
Lebens elektronische Geräte
und Komponenten nachhaltigen Einzug, nicht nur in den ohnehin klassischen
Bereichen und Sparten der Informations- und Kommunikationstechnik
sowie Unterhaltungselektronik; sondern vor allem auch im Automobilbau
und in der Haushaltstechnik, der sogenannten Weißware, um nur einige zu nennen.
Wo früher
einst rein mechanische Bedienelemente und Steuerungen zum Einsatz
kamen, wird heute die Funktionalität von Geräten vorwiegend von elektrischen
und elektronischen Komponenten bestimmt.
-
Diese neuen Einsatzfelder stellen
jedoch vollkommen neue Anforderungen an die einzelnen elektrischen
und elektronischen Komponenten, insbesondere in Hinsicht auf mechanische
Belastungen durch Bewegung und Vibrationen. Derartige mechanische
Belastungen erfordern nicht nur fehlertolerante elektrische Bauelemente,
sondern auch robuste Leiterplatten und Verbindungstechniken. Das
eingeschränkte
Platzangebot durch stets kleiner werdende Geräte und Module zwingt die Entwickler,
elektrische Komponenten bzw. deren Funktionen auf kleinem Raum zu
integrieren. Es entstehen hochintegrierte Bauteile, deren elektrische
Anschaltung immer kleinere Leiterbahnbreiten und -abstände bedingt
und so die Leiterplattentechnik an ihre Grenzen führt.
-
Ein viel versprechender Ansatz, diese
Probleme zu lösen
und diese speziellen Anforderungen zu erfüllen, zeigt sich in den spritzgegossenen
Schaltungsträgern,
häufig
auch als MID (Molded Interconnect Devices) bezeichnet. Hier wird
der aus der Elektronik bekannte Weg der Funktionsintegration konsequent
weiterverfolgt; es werden elektrische und mechanische Funktionen
in einer Baugruppe vereint.
-
MIDs sind zumeist dreidimensionale
Formteile, die in Spritzguss gefertigt werden. Als Grundmaterial
kommen überwiegend
thermoplastische Kunststoffe zum Einsatz. Anschließend wird
auf den Oberflächen
des Formteils das gewünschte
elektrische Leiterbild z. B. galvanisch aufgebracht. Als Leitermaterial
wird meist Kupfer verwendet.
-
Da die dreidimensionalen Formteile
beliebig komplexe, spritzgussfähige
Geometrien aufweisen können,
ist es möglich,
dass das fertige Bauteil nicht nur elektrische sondern auch mechanische
und elektromechanische Funktionen erfüllt. Sollen komplizierte, dreidimensionale
Leiterbahnverläufe
realisiert werden, stehen Verfahren wie die Laser-Strukturierung
oder der Zwei-Komponenten-Spritzguss zur Verfügung, bei denen das Leitermaterial
galvanisch aufgebracht wird. Dabei wird ausgenutzt, dass bestimmte
Kunststoffe metallisierbar sind, andere hingegen nicht bzw. nur
nach entsprechender Aktivierung.
-
Einer der Hauptvorteile der MID-Technologie ist
die kurze Prozesskette, in der mechanische und elektrische Komponenten
praktisch gleichzeitig hergestellt werden können. Die Fertigung und Montage einer
separaten elektronischen Flachbaugruppe kann somit entfallen. Dadurch
können
Materialkosten ebenso wie Kosten für Montage und Logistik eingespart
werden. Außerdem
wird durch das Wegfallen von Prozesschritten der Gesamtprozess einfacher und
zuverlässiger.
-
Der Verzicht auf spezielle Bauteile
hat nicht nur eine Kosteneinsparung zu Folge. Da die fertigen Baugruppen
aus wenigen, einfach zu trennenden Materialien hergestellt werden,
wird die Recyclingfähigkeit
merklich verbessert.
-
Auch die Bestückung eines MID mit elektrischen
und elektronischen Bauteilen wird bereits in der Praxis durchgeführt. Hauptproblem
bei dieser Anwendung ist jedoch immer noch die Kontaktierungstechnik.
Bei der Kontaktierung von elektronischen Bauteilen wird meist die
Löttechnik
bevorzugt; ein aus der Elektronikfertigung bekannter und beherrschter
Prozess. Dabei können
aber Probleme durch die relative Temperaturempfindlichkeit der thermoplastischen
Trägermaterialien
auftreten. Deshalb sucht man nach alternativen Verbindungstechniken,
wie z.B. das Leitkleben oder die Einpresstechnik für bedrahtete
Bauteile.
-
Dennoch können MIDs die klassischen Kupferleitungen
nicht vollständig
ersetzen. Insbesondere in Fällen,
in denen elektrische Signale über
längere Strecken
oder über
Scharnier- oder Gelenkelemente geleitet werden müssen. In diesen Fällen kommen nach
wie vor Rund- oder Flachleiter zum Einsatz. Die Kontaktierung dieser
Kupferleiter stellt jedoch immer noch ein Problem dar.
-
Bei der Kontaktierung von auf MID
aufgebrachten Leiterstrukturen mit derartigen Rundkabeln, vorzugsweise
Kupferrundkabel, existieren derzeit kaum Alternativen zur bekannten
und eingesetzten Löttechnik.
Zwar sind Anwendungen bekannt, die einen konventionellen Steckverbinder
nachbilden und so eine zuverlässige
Kontaktierung realisieren, aber es fehlen Lösungen zur einfachen und schnelle
Kontaktierung einzelner Rundleitungen, wie sie vor allem im Bereich
der „weissen
Ware", also der
Haushaltswarenkomponenten wie Waschmaschinen, Geschirrspülmaschinen,
Trockner, Kühlschränke etc.
eingesetzt werden.
-
Alle bekannte Verfahren, die zur
Kontaktierung von Rundleitern geeignet sind, bedienen sich entweder
zusätzlicher
Bauteile wie Stecker und Crimpkontakte, oder Verbindungsmedien wie
Lote und ähnliche
Materialien. Weiterhin verlängern
sie die Prozesskette durch Schritte wie das Abisolieren der Kabel,
den jeweiligen Crimp- oder
Lötvorgang oder
gar das komplette Konfektionieren eines Steckers. Einen Ausweg aus
dieser Situation scheint die sogenannte IDC-Technologie zu bieten;
IDC steht für Insulation
Displacement Contact oder Schneid-Klemm-Kontakt. Diese Technologie
vereint die Prozessschritte Abisolieren und Kontaktieren in einem
einzigen, einfach zu handhabenden Vorgang, nämlich dem Einpressen des isolierten
Rundleiters in die Kontaktstelle. Vergleiche aus der Verdrahtung von
Reihenklemmen bescheinigen der IDC-Technologie eine Zeitersparnis
von bis zu 75% gegenüber geschraubten
Verbindungen.
-
Heutzutage werden ausschließlich ID-Kontakte
aus Metall verwendet, bei denen die Elastizität des Materials genutzt wird,
um die Kontaktkraft zu erzeugen. Häufig anzutreffen sind Federleisten
zur Kontaktierung von Flachbandkabeln, die als Signalleitungen in
der Telekommunikations- und Computertechnik angewandt werden. Es
ist auch durchaus denkbar, metallene Schneid-Klemm-Kontakte in die Spritzgussform
zu Herstellung von MIDs einzusetzen und entsprechend zu umspritzen.
Dies würde
zwar zu Einsparungen bei der späteren
Kontaktierung von Rundleitern führen,
doch zugleich auch zu einem ungleich größeren Aufwand bei der Herstellung
des Trägerbauteils
führen.
Der Recyclinggedanke wäre gleichfalls
zunichte gemacht.
-
Es besteht daher die Aufgabe, eine
elektrische Kontaktstruktur zum Kontaktieren wenigstens eines elektrischen
Leiters, vorzugsweise eines Rundkabelleiters mit einem elektrischen
Kontaktbereich einer elektrischen Leiterbahnstruktur, die auf einer, aus
elektrisch nicht leitendem Material bestehenden Trägerstruktur,
vorzugsweise in Form einer spritzgegossenen Schaltungsträgerstruktur
(MID), aufgebracht ist, derart auszubilden, dass der Kontaktiervorgang
ohne jeglichen thermischen Energieeintrag sowie ohne jegliche haftvermittelnden
Materialien, wie Lote oder elektrisch leitfähige Kleber durchgeführt werden
kann. Insbesondere soll die elektrische Kontaktstruktur eine verfahrenstechnisch
einfach handzuhabende Kontaktierung zwischen Rundkabelleitern und
einer spritzgegossenen Trägerstruktur, vorzugsweise
Schaltungsträgern
im industriellen Maßstab
erlauben. Hierfür
gilt es zum einen eine geeignete elektrische Kontaktierungsstruktur
sowie zum anderen ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben,
das möglichst
geringe Kosten aufwirft und keine komplizierten Verfahrensschritte
erfordert.
-
Die Lösung der der Erfindung zugrunde
liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches
11 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung einer entsprechenden elektrischen Kontaktstruktur.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind
Gegenstand der Unteransprüche
sowie der gesamten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele
zu entnehmen.
-
Erfindungsgemäß ist eine elektrische Kontaktstruktur
zum Kontaktieren wenigstens eines elektrischen Leiters mit einem
elektrischen Kontaktbereich einer elektrischen Leiterbahnstruktur,
die auf einer, aus elektrisch nicht leitendem Material bestehenden
Trägerstruktur
aufgebracht ist, derart ausgebildet, dass die Trägerstruktur eine schlitzartig
ausgebildete Aufnahmeeinheit vorsieht, die aus einem elektrisch
nicht leitenden Material besteht und zumindest abschnittsweise elektrisch
leitfähige
Oberflächenbereiche
aufweist, die mit der Leiterbahnstruktur verbunden sind und den
elektrischen Kontaktbereich zu dem in die Aufnahmeeinheit kraftschlüssig einfügbaren elektrischen
Leiter darstellen.
-
Der zentrale erfinderische Gedanke
sieht die Ausbildung der gesamten Aufnahmeeinheit für die elektrische
Kontaktstruktur aus einem elektrisch nicht leitenden Material vor,
das vorzugsweise aus dem gleichen elektrisch nicht leitenden Material
besteht, aus der auch die Trägerstruktur
gefertigt ist. Somit bietet es sich vornehmlich an, die Trägerstruktur
gemeinsam mit der Aufnahmeeinheit in einem einzigen Herstellungsschritt
auszuformen, noch bevor die Trägerstruktur
mit der Leiterbahnstruktur versehen wird. Alternativ ist es jedoch
auch möglich,
die Aufnahmeeinheit getrennt von der Trägerstruktur herzustellen und
nachträglich
mittels Klebe- oder Schweißtechnik aneinander
zu fügen.
Dies jedoch würde
einen weiteren Verfahrensschritt darstellen, der bei einer einstückigen Herstellung
von Trägerstruktur
und Aufnahmeeinheit, bspw. im Wege eines Spritzgussverfahrens vermieden
werden kann. Die Trägerstruktur selbst
kann im einfachsten Fall als zweidimensionale Leiterplatte oder,
wie eingangs erläutert,
als dreidimensionaler Schaltungsträger ausgebildet sein.
-
Die Aufnahmeeinheit zur Kontaktierung
des elektrischen Leiters ist vorzugsweise als ein über die Oberfläche der
Trägerstruktur
erhabener Schneid-Klemm-Kontakt (IDC = Insulation Displacement Contact)
ausgebildet, der über
eine Schneidkantenanordnung verfügt,
durch die bei Einfügen
der kunststoffisolierte Rundkabelleiter in den Schneid-Klemm-Kontakt
lokal abisoliert wird, um einen metallischen Kontakt zwischen dem
Leiter und einem metallisierten Oberflächenbereich an der Aufnahmeeinheit
herzustellen. Mit Ausnahme des metallisierten Oberflächenbereich,
zu dessen Herstellung noch einzugehen ist, besteht die Aufnahmeeinheit ausschließlich aus
elektrisch nicht leitfähigen
Kunststoff, vorzugsweise aus spritzgußfähigem thermoplastischen Kunststoff,
dessen Formgebung insbesondere im Schneidkantenbereich genügend eigenstabil auszubilden
ist, um die Kunststoffisolation des elektrischen Leiters zu durchtrennen
und lokal zumindest abschnittsweise längs des Leiters zu verdrängen.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform
einer als Schneid-Klemm-Kontakt ausgebildeten Aufnahmeeinheit sieht
zwei V-förmig
zueinander angeordnete Schneidkanten vor, deren räumliche
Anordnung vergleichbar mit dem Querschnitt eines Trichters ist und an
die sich eine Schlitzstruktur anschließt, vergleichsweise dem Trichterhals,
die eine Schlitzbreite aufweist, die kleiner als der abisolierte
Leiterquerschnitt ist. In diesem Fall erfolgt der Kontaktiervorgang
ausschließlich
durch ein lineares Einfügen
des kunststoffisolierten Rundkabelleiters in Richtung der trichterförmig zusammenlaufenden
Schneidkanten, wodurch die Kunststoffisolation des Leiters zumindest
lokal aufgetrennt und anschließend
der abisolierte Rundkabelbereich in die Schlitzstruktur regelrecht
eingepresst wird. Um einen elektrischen Kontakt zwischen dem elektrischen
Leiter und der Aufnahmeeinheit herzustellen, sieht die Aufnahmeeinheit
zumindest im Bereich der Schlitzstruktur, also jenem Oberflächenbereich,
in dem der abisolierte elektrische Leiter in innigen Kontakt mit
der Aufnahmeeinheit tritt, einen elektrisch leitende Oberfläche vor, die
vorzugsweise als Oberflächenschicht
lokal auf die Aufnahmeeinheit aufgebracht ist.
-
Zur Herstellung einer derartigen
als Metallkontakt dienenden Oberflächenmetallschicht, die elektrisch
leitend mit der übrigen,
auf der Trägerstruktur
aufgebrachten Leiterbahnstruktur verbunden ist, dient jener Metallisierungsschritt,
durch den die Trägerstruktur
selbst zur Ausbildung der Leiterbahnstruktur prozessiert wird. Dies
erfolgt üblicherweise
im Wege eines galvanischen oder nasschemischen lokalen Beschichtungsprozesses.
Neben den vorstehend genannten Varianten zur selektiven Oberflächenmetallisierung
von Trägerstruktur
und Aufnahmeeinheit eignen sich überdies
auch weitere Verfahren, auf die unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele
eingegangen wird. An dieser Stelle sei lediglich auf das 2-Komponenten-Spritzgussverfahren
sowie die Laserstrukturierung verwiesen.
-
Durch die vorstehend aufgezeigte
Ausbildung von vorzugsweise aus thermoplastischen Kunststoffmaterial
gefertigten Schneid-Klemm-Kontakten (IDC), die zur elektrischen
Kontaktierung lediglich lokale Metallschichten aufweisen aber ansonsten
vollständig
aus Kunststoff bestehen, ist es möglich auf eine Vielzahl aufwendiger
Prozessschritte zu verzichten, die bei Verwendung konventioneller Schneid-Klemm-Kontakte,
die aus einzelnen metallischen Komponenten zusammen gesetzt sind
und daher einzeln zum größten Teil
manuell mosaikartig in die MIDs integriert werden müssen, erforderlich
sind.
-
Betrachtet man in diesem Zusammenhang bspw.
das Bedienfeld bzw. das Bedienpanel einer modernen Waschmaschine,
so befindet sich nahezu die gesamte Elektronik unmittelbar auf der
Rückseite des
aus thermoplastischen Kunststoff gefertigten Bedienfeldes. Die Verdrahtung
zu den jeweiligen innerhalb der Waschmaschine vorgesehenen Aktoren
wie bspw. der Motor oder die Pumpen erfolgen mit Hilfe konventioneller
Kupferrundleiter. Nach bisherigem Stand der Technik werden die Kupferrundleiter über Lötverbindungen
oder über
aufwendige Steckverbinderaufnahmen kontaktiert.
-
Da das Bedienfeld aus thermoplastischem Kunststoffmaterial
ohnehin im Wege eines Spritzgussverfahrens hergestellt wird, ist
es mit der erfindungsgemäßen Kontaktierungstechnik
möglich,
neben der Substitution aller Leiterplatten auch die Steckverbinder
vollständig
aus thermoplastischem Kunststoffmaterial zu fertigen. Dies führt in vorteilhafter
Weise dazu, dass für
deren Herstellung keinerlei zusätzliche
Kontaktelemente bereitgehalten werden müssen, wie es bei bisher üblichen
Produktionstechniken der Fall ist, bei denen bspw. ein gesondertes Umspritzen
einzelner Metallkomponenten sowie deren komplizierte manuelle oder
automatisiert durchzuführende
Integration in das jeweilige Spritzgusswerkzeug erforderlich ist.
-
Der eigentliche Kontaktierungsvorgang
unterscheidet sich bei der erfindungsgemäß ausgebildeten elektrischen
Kontaktstruktur nicht von konventionellen Schneid-Klemm-Kontakten,
so lässt
sich in beiden Fällen
ein kunststoffisolierter Leiter mittels einer einzigen Linearbewegung
in den Schneid-Klemm-Kontakt einfügen, wobei der kunststoffisolierte
Leiter lokal abisoliert und durch weiteres Verpressen innerhalb
der Schlitzstruktur elektrisch und mechanisch in der Kontaktstruktur
kontaktiert und fixiert wird. Der Kontaktierungsvorgang lässt sich auf
diese Weise unkompliziert und schnell mit Hilfe geeigneter Robotereinheiten
automatisieren. Durch zusätzliche Überwachung
der für
die Kontaktierung erforderlichen Fügekräfte, die beim Einpressen des elektrischen
Leiters in den Schneid-Klemm-Kontakt auftreten, lässt sich überdies
eine Aussage über
die Qualität
der Verbindung und somit des elektrischen Kontaktes treffen.
-
Weitere Einzelheiten zur erfindungsgemäß ausgebildeten
elektrischen Kontaktstruktur sind den weiteren Ausführungen
unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele
zu entnehmen.
-
Die Erfindung wird nachstehend ohne
Beschränkung
des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es
zeigen:
-
1 dreidimensionale
Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Aufnahmeeinheit;
-
2 alternative
dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Aufnahmeeinheit;
-
3 schematische
Gegenüberstellung
zwischen einem konventionellen Klemmkontakt zu einem erfindungsgemäß ausgebildeten
Klemmkontakt,
-
4a, b Prinzipskizzen zur Veranschaulichung
unterschiedlicher Oberflächenmetallisierungstechniken,
-
5 unterschiedliche
Schlitzquerschnitte,
-
6a–c unterschiedliche Schlitzquerschnitte
und
-
7–10 Ausführungsformen unterschiedlicher
Aufnahmeeinheiten.
-
Wege zur Ausführung der
Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
-
In 1 sind
perspektivische Darstellungen von einer bevorzugten, vollständig aus
thermoplastischem Material gefertigten Aufnahmeeinheit 1 in
Seiten- sowie Draufsichtdarstellung gezeigt. Die Aufnahmeeinheit 1 weist
zwei sich gegenüberliegende, V-förmig zusammenlaufende
Schneidkanten 2 auf, die gemeinsam in eine Schlitzstruktur 3 münden. Die Schlitzstruktur 3 weist
eine Schlitzbreite auf, die kleiner bemessen ist, als der Querschnitt
eines abisolierten elektrischen Leiters, den es gilt, innerhalb
der Schlitzstruktur 3 fest zu verklemmen.
-
Die Schneidkanten 2 sind
in dem in 1 ausgebildeten
Ausführungsbeispiel
derart zusammenlaufend ausgebildet, so dass ein kunststoffisolierter
Leiter (nicht dargestellt) durch von oben (siehe Pfeildarstellung)
in die Schlitzstruktur 3 senkrechtes Verfügen vermittels
der Schneidkanten 2 zumindest einseitig abisoliert wird.
Hierfür
sehen die Schneidkanten 2 einen keilförmigen Querschnitt (siehe Draufsichtsdarstellung)
vor, mit eben ausgebildeten Schneidkantenflanken 4 sowie
schräg
zum Leiter verlaufenden Schneidkantenflanken 5. Durch vertikalgerichtetes
Einfügen
eines kunststoffisolierten Leiters (nicht dargestellt) in den Schneidkantenbereich,
wird jener kunststoffisolierte Bereich, der mit den schräg abfallenden
Schneidkantenflanken 5 in Berührung tritt, längs des
elektrischen Leiters verdrängt,
so dass ein abisolierter Leiterbereich entsteht, der zwischen den
metallisierten Flanken innerhalb der Schlitzstruktur 3 mittels
zwischen den Flanken auftretenden Klemmkräften mechanisch fest fixiert
und elektrisch innig kontaktiert wird.
-
Die Aufnahmeeinheit 1 sieht
im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 einen metallisierten Oberflächenbereich 6 vor,
der die gesamte Oberfläche
der Aufnahmeeinheit 1 unterhalb der Schneidkanten 2 überdeckt,
aber insbesondere den Bereich innerhalb der Schlitzstruktur 3 umfasst,
der in innigen elektrischen Kontakt mit dem abisolierten elektrischen
Leiter tritt. Der metallisierte Oberflächenbereich 6 ist
auf der ansonsten vollständig
aus elektrisch nicht leitendem Material, vorzugsweise thermoplastischen
Kunststoffmaterial bestehenden Aufnahmeeinheit 1 lokal
aufgebracht. In geeigneter Weise ist es auch möglich die gesamte Oberfläche der
Aufnahmeeinheit 1 zu metallisieren.
-
Der Metallisierungsvorgang erfolgt
in vorteilhafter Weise im gleichen Prozessschritt, mit dem auch
Leiterbahnen auf der nicht im Einzelnen dargestellten Trägerstruktur
aufgebracht werden. Nur der Vollständigkeit halber sei an dieser
Stelle darauf hingewiesen, dass die Trägerstruktur bspw. ein dreidimensionaler
Schaltungsträger
(MID) mit der in 1 dargestellten
unteren Seitenkante K der Aufnahmeeinheit 1 vorzugsweise
einstückig
verbunden ist, so dass sich die Aufnahmeeinheit über die Oberfläche der
Trägerstruktur
erhebt.
-
Zur Durchführung der Metallisierung kann auf
alle geeigneten Metallisierungstechniken zurückgegriffen werden, mit denen
eine selektive Metallabscheidung zur Schaffung beliebiger Leiterbahnen
auf der Trägerstruktur
sowie auch die Herstellung der Oberflächenmetallisierung an der Aufnahmeeinheit möglich ist.
Stellvertretend für
die große
Vielzahl geeigneter Techniken sei galvanische Abscheideprozesses
oder selektive Aufdampf- oder Sputtertechniken verwiesen.
-
Im Unterschied zu der Ausführungsform
gemäß 1, bei der die Kunststoffisolierung
eines kunststoffisolierten Rundkabelleiters lediglich einseitig
zur Schneidkantenanordnung 2 verdrängt wird, sieht das Ausführungsbeispiel
gemäß 2 eine Schneidkantenausbildung
vor, mit der ein kunststoffisolierter Rundkabelleiter, bspw. ein
Kupferleiter, beidseitig zur Schneidkantenanordnung 2 abisoliert
wird. Hierbei sind die Schneidkanten 2 als senkrecht zur Leiterachse
A symmetrisch ausgebildete Keilspitzen ausgeformt, durch die die
Kunststoffisolation längs des
Leiters beidseitig zu den Schneidkantenspitzen 2 verdrängt werden.
-
Selbstverständlich sind auch alternative Schneidkantengeometrien
denkbar, die eine lokale Abisolierung des elektrischen Leiters bewirken,
bevor der Leiter in den entsprechenden Kontaktbereich innerhalb
der Aufnahmeeinheit 1 zur Herstellung eines elektrischen
Kontaktes unter Ausbildung mechanisch fixierender Klemmkräfte gefügt wird.
Die in 2 dargestellte
Aufnahmeeinheit 1 stellt ein Vorprodukt ohne eine entsprechende
Oberflächenmetallisierung
dar.
-
Neben der bereits erwähnten lokalen
selektiven Metallbeschichtung im Wege galvanischer Metallisierung
bzw. Metallisierung aus der Gasphase sind auch Technologien bekannt,
die bevorzugt für
die Herstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten elektrischen
Kontaktstruktur geeignet sind. An dieser Stelle sei bspw. auf das
Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahren hingewiesen, das in 3 näher erläutert ist. In einem ersten
Verfahrensschritt wird eine metallisierbare Kunststoffkomponente
in einem ersten Spritzgussschritt geformt. In einem nachfolgenden
zweiten Spritzgussschritt wird der aus metallisierbarem Kunststoff
bestehende Vorspritzling mit einem nichtmetallisierbaren Kunststoff
derart umspritzt, dass lediglich definierte Oberflächenbereiche des
metallisierbaren Kunststoffes frei bleiben. In einem nachfolgenden
bspw. galvanischen Metallisierungsprozess erfolgt eine selektive
Metallabscheidung lediglich auf jenen Oberflächenbereichen, die durch die
freien Oberflächen
des metallisierbaren Kunststoffes vorgegeben sind. Eine weitere
Alternative zur Herstellung elektrisch leitfähiger Oberflächenbereiche
mittels Laserstrukturieren ist in 4 dargestellt.
So existieren elektrisch nicht leitfähige Kunststoffe, in denen
elektrisch leitfähige
Partikel eingemischt sind. Bei der Verarbeitung derartiger Kunststoffe
im Rahmen eines Spritzgussverfahrens zur Herstellung bspw. dreidimensionaler
Schaltungsträger
zeigt sich, dass die elektrisch leitfähigen Partikel P nicht an der
freien Oberfläche
des erstarrten Schaltungsträgers
zu liegen kommen, sondern im Inneren des Schaltungsträgers matrixartig
vom Kunststoff umgeben sind. Mit Hilfe eines Laserstrahls L können nun
gezielte Bereiche B der Oberfläche
ablatiert werden, wodurch innenliegende Materialbereiche mit den
elektrisch leitfähigen
Partikeln P lokal freigelegt werden. Die freigelegten elektrisch
leitfähigen
Partikel P stellen Keimzellen für
einen nachfolgenden bspw. stromlosen Metallisierungsvorgang dar.
-
Die Liste der möglichen Technologien zur lokalen
Aufbringung bzw. Abscheidung von Metallstrukturen auf elektrisch
nicht leitfähigen
Oberflächen lässt sich
beliebig weiter führen,
so dass es dem Fachmann frei bleibt, für welche spezielle Art der
Metallisierung sich der Fachmann entscheidet.
-
In 5 ist
in Gegenüberstellung
jeweils ein schematisierter Querschnitt durch die Schlitzstruktur 3 einer
Aufnahmeeinheit 1 angegeben, in der jeweils ein elektrischer
Leiter 7 eingefügt
ist. In der linken Darstellung gemäß 5 ist die Schlitzstruktur eines konventionellen
Schneid-Klemm-Kontaktes dargestellt, dessen Schlitzbereich 3 vollständig aus
einem Metall besteht. Hierbei vermag die vollständig aus Metall bestehende
Schlitzstruktur den zumeist aus Kupfer bestehenden elektrischen
Leiter zu deformieren, zumal die Metallstruktur härter als
das Kupfermaterial ist.
-
In der rechten Darstellung gemäß 5 ist die Schlitzstruktur 3 eines
erfindungsgemäß ausgebildeten
Schneid-Klemm-Kontaktes dargestellt, die lediglich im Kontaktbereich
mit einer dünnen
metallisierten Oberflächenbeschichtung
versehen ist, ansonsten jedoch aus Kunststoff besteht. In diesem
Fall vermag der in die Schlitzstruktur eingefügte Kupferleiter 7,
die Schlitzstruktur zu deformieren, so dass die Flanken der Schlitzstruktur
regelrecht um den harten Kupferleiter 7 „herumfließen". Hierdurch reduziert
sich zwar die Kontakt- bzw. Klemmkraft, mit der der Kupferleiter
innerhalb der Schlitzstruktur 3 gehalten wird, jedoch kann
diese durch optimale Auslegungsrechnung vorbestimmt werden. Zugleich
vergrößert sich
jedoch die Kontaktfläche
zwischen dem metallisierten Oberflächenbereich der Schlitzstruktur 3 und
dem abisolierten elektrischen Leiter 7, so dass auf diese
weise ein niedrigerer Übergangswiderstand erzielt
werden kann.
-
In 6 sind
drei alternative Querschnittsformen für jeweils eine Aufnahmeeinheit
dargestellt. Es sein angenommen, dass zumindest die sich gegenüberliegenden
Flanken der Schlitzstrukturen mit einer metallisierten Oberfläche überzogen
sind oder eine solche aufweisen. 6a zeigt
eine klassisch U-förmig
ausgebildete Schlitzstruktur, in die ein elektrischer Leiter einfügbar ist,
vergleichbar der linken Darstellung gemäß 5, 6b zeigt
eine kombinierte U-Form mit nach oben geöffneter Einführschräge und 6c zeigt eine durch eine
zusätzliche Federbohrung 8 ergänzte Schlitzstruktur
vergleichbar mit 6b.
-
7a und b zeigen eine als Torsions-IDC ausgebildete
Aufnahmeeinheit mit zwei seitlichen, die Aufnahmestruktur begrenzenden
Seitenstege 9, die als Einführschrägen zwei sich gegenüberstehende
Flügelelemente 10 mit
einer mittig zwischen den sich gegenüberstehenden Flügelelementen 10 eingebrachten
Federbohrung 8 aufweisen. Befinden sich die Flügelelemente 10 am
vorderen Bereich der Seitenstege 9, so ist diesen am hinteren
Bereich der Seitenstege 9 eine asymmetrische Klemmstruktur (nicht
sichtbar) vorgesehen, durch die gemäß 7 b ein in die Aufnahmeeinheit eingebrachter
Leiter 7 längs
seiner Erstreckung tordiert wird, wodurch zusätzlich zu der zwischen den
Flügelelementen 10 herrschenden
Klemmkraft eine zusätzliche
den festen Sitz des Leiters 7 innerhalb der Aufnahmeeinheit verstärkende Torsionskraft
auftritt. Auch in diesem Fall ist die gezeigte Aufnahmeeinheit vollständig samt
dem Flügelelement-Paar
aus Kunststoff gefertigt, lediglich zumindest jene Bereich der Flügelelemente,
die mit dem Leiter in Kontakt treten, sind in der vorstehenden Weise
metallisiert.
-
Eine der vorstehenden Ausführungsform sehr ähnliche
Aufnahmeeinheit zeigt 8,
die zwischen den Seitenstegen 9 jeweils eine Schlitzstruktur 3 aufweisen,
vergleichbar der in 6b.
Zusätzlich ist
in der Schlitzstruktur 3 jeweils ein Flügelelement 10 eingebracht,
das jeweils in beiden sich gegenüberstehenden
Schlitzstrukturen 3 auf jeweils unterschiedlichen Schlitzflanken
angebracht ist, wodurch ein in diese Aufnahmestruktur eingebrachter
Leiter zumindest seitlich zu seine Längserstreckung lokal gebogen
wird, wodurch eine zusätzliche
Klemmwirkung erzeugt wird.
-
9 zeigt
eine U-förmig
ausgebildete Aufnahmeeinheit, deren freie Enden 13 unter
Vorspannung gegeneinander lose drücken. Die freien Enden 13 weisen
scharfkantige Längskanten
auf, die mit einer metallisierten Oberfläche versehen sind und einen
zwischen den freien Enden 13 eingeklemmten Leiter 7 mechanisch
fest fixieren sowie elektrisch kontaktieren. Die freien Enden 13 vermögen überdies
bei geeigneter scharfkantiger Ausbildung und Metallisierung eine
Schneidwirkung auf die Kunststoffschicht eines kunststoffisolierten
Leiters auszuüben,
so dass der elektrische Leiter 7 durch kraftbeaufschlagtes
Einfügen
in den durch die freien Enden 13 gebildeten Klemmschlitz
lokal abisoliert wird.
-
Schließlich ist in 10 eine Aufnahmeeinheit dargestellt mit
zwei teilweise über
eine in die Oberfläche
eines Schaltungsträgers 14 eingearbeitete
Aufnahmenut 15 ragenden, sich gegenüberstehenden Klemmelementen 16,
die einen in der Aufnahmenut 15 eingelegten elektrischen
Leiter 7 beidseitig unter Aufbringung einer seitlichen
auf den Leiter 7 einwirkenden Schneid-Klemmkraft fixieren
und elektrisch kontaktieren. Die Klemmelemente 16 weisen
zumindest an ihren der Aufnahmenut 15 zugewandten Kanten
metallisierte Oberflächenbereiche auf.
Zusätzlich
sind längs
der Aufnahmenut 15 Befestigungselemente 17 zur
weiteren Fixierung des elektrischen Leiters vorgesehen.
-
Die vorstehenden in den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispiele
sollen nicht abschließende
Möglichkeiten
denkbarer Beispiele für
Aufnahmeeinheiten darstellen, die mit Hilfe geeigneter Kunststoff-verarbeitender
Verfahren, allen voran das thermoplastische Spritzgussverfahren,
herstellbar sind und mit einem geeigneten Metallisierungsprozess
zu einem aus Kunststoff gefertigten Schneid-Klemm-Kontakt (IDC)
weitergebildet werden.
-
Die Herstellung der erfindungsgemäß ausgebildeten
elektrischen Kontaktstruktur bedarf lediglich zweier Hauptverfahrensschritte.
Zunächst
gilt es die Trägerstruktur
sowie die Aufnahmeeinheit, vorzugsweise im Wege eines einzigen Herstellungsprozesses
zu formen. Als besonders geeignet bietet sich hierbei das Spritzgussverfahren
unter Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffes. Wird in diesem
Zusammenhang die vorstehend erwähnte Zwei-Komponenten-Spritzgusstechnik
eingesetzt, so gilt es zunächst,
freiliegende Oberflächenbereiche aus
metallisierbarem Kunststoff zu schaffen, die in einem weiteren Verfahrensschritt
im Wege der Metallisierung mit elektrisch leitendem Material überzogen werden
können.
-
Der zweite Hauptverfahrensschritt
sieht nach entsprechender Vorfertigung der Trägerstruktur mit entsprechend
angeordneten Aufnahmeeinheiten eine gezielte lokale Metallisierung
zur Herstellung der Leiterbahnstrukturen sowie der für die Kontaktierung
erforderlichen elektrisch leitfähigen
Oberflächenbereiche
innerhalb der als Schneid-Klemm-Kontakte ausgebildeten Aufnahmeeinheiten
vor.
-
Schließlich gilt es jeweilige kunststoffisolierte Kabelrundleiter
in die auf vorstehende Weise hergestellten Schneid-Klemm-Kontaktanordnungen
durch kraftbeaufschlagtes Einfügen
manuell oder maschinengeführt
zu kontaktieren.
-
Als besonders geeignete Werkstoff
für die Herstellung
von dreidimensionalen Trägersturkturen sowie
für die
erfindungsgemäß vorgesehenen
Aufnahmeeinheiten in Form von Schneid-Klemm-Kontakten sind folgende
Trägerwerkstoffe
zu nennen:
Acrylnitryl-Butadienstyrol (ABS)
Liquid Crystal
Polymers (LCP)
Polyamide (PA)
Polybutylenterephthalat
(PBT)
Polycarbonat (PC)
Polyetherimid (PEI)
Polyethersulfon
(PES)
Polypropylen (PP)
Polyphtahlamid (PPA)
-
- 1
- Aufnahmeeinheit
- 2
- Schneidkanten
- 3
- Schlitzstruktur
- 4
- Ebene
Schneidkanten
- 5
- Schneidkantenflanken
- 6
- Metallisierter
Oberflächenbereich
- 7
- Elektrische
Leiter
- 8
- Ferderbohrung