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Die
Erfindung betrifft ein Verbindungselement für Leiterplatten.
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Leiterplatten
(Platinen) sind das am häufigsten
eingesetzte Verbindungselement für
elektronische Bauteile einer elektronischen Schaltung. Sie sind
gekennzeichnet durch elektrisch leitende, fest haftende Verbindungen
(Leiter), die in oder auf einem Isolierstoff ein- oder mehrschichtig
auf- bzw. eingebracht werden. Die Leiterplatte dient zugleich auch als
Träger
für Anzeige-,
Bedien- oder Stellglieder der elektronischen Schaltung, die für einen
Benutzer zugänglich
angeordnet sein müssen.
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Der
Trend zu immer kleineren Abmessungen elektronischer Geräte hat u.
a. zur Entwicklung von Flachbaugruppen (FBG) mit oberflächenmontierbaren
Bauelementen (SMD) geführt,
die mittels einer speziellen Oberflächenmontagetechnik (SMT) in
Bestücklinien
auf den Oberflächen
der Leiterplatten aufgebracht werden. SMDs besitzen keine Drahtanschlüsse, sondern
Kontaktflächen
an ihren Anschlußenden
und damit eine relativ geringe Baugröße. Ferner ist eine beidseitige
Bestückung
der Leiterplatten möglich,
die – im
Gegensatz zur bedrahteten Technik (THT = Through Hole Technology) – nicht durchbohrt
werden müssen.
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Sind
die räumlichen
Verhältnisse
für die
Unterbringung einer Leiterplatte nicht nur beengt, sondern auch
komplex, beispielsweise wenn ein Gehäuse in mehrere Bereiche unterteilt
ist oder wenn Anzeige- und/oder Bedienelemente in unterschiedlichen Raumrichtungen
anzuordnen sind, so werden die Bauteile der elektronischen Schaltung
meist auf mehrere Leiterplatten verteilt, die über separate Verbindungselemente,
z. B. mehrpolige Steckverbinder, Flachkabel oder flexible Flachleiterverbinder
(Jumper), miteinander verbunden sind. Auf diese Weise lassen sich
Verbindungen zwischen Baugruppen auf starren Leiterplatten realisieren,
die nicht auf zwei Dimensionen beschränkt sind. Die Formbarkeit der
flexiblen Verbindungselemente ermöglicht es vielmehr, starre
Leiterplatten aus der Ebene heraus in eine dritte Dimension zu führen.
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Von
Nachteil hierbei ist jedoch, daß die
Verbindungselemente in gesonderten Fertigungsschritten auf den Leiterplatten
montiert werden müssen. Bei
SMD-bestückten
Leiterplatten sind zudem im Randbereich der Leiterplatten separate
Bohrungen einzubringen. Dies ist nicht nur zeit- und kostenintensiv.
Meist sind auch zusätzliche
Maschinen erforderlich, die in bereits vorhandene Bestücklinien
zu integrieren sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß Flachkabel
und flexible Flachleiterverbinder an ein vorgegebenes Raster und
eine feste Polzahl gebunden sind, was beim Design der Leiterplatten
bzw. des Schaltbildes zu berücksichtigen
ist.
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Um
die gesonderte Montage separater Verbindungselemente zu vermeiden,
hat man sogenannte Starr-Flex-Leiterplatten entwickelt. Diese bestehen
im wesentlichen aus ein- oder
mehrlagigen starren Leiterplatten, die über fest integrierte flexible Leiterplattenbereiche
miteinander verbunden sind, wobei auch die flexiblen Bereiche Bauelemente
aufnehmen bzw. tragen können.
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Problematisch
hierbei ist, daß Starr-Flex-Leiterplatten
in der Herstellung relativ teuer sind, was nicht nur Klein- und
Kleinstserien oft unwirtschaftlich macht. Im Bereich der flexiblen
Verbindungsbereiche können
zudem Delaminationen auftreten, insbesondere dann, wenn die räumlichen
Verhältnisse
enge Biegeradien erfordern.
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Ziel
der Erfindung ist es, diese und weitere Nachteile des Standes der
Technik zu überwinden und
ein Verbindungselement für
Leiterplatten zu schaffen, das eine dreidimensionale Leiterplatten- und/oder
Bauteile-Anordnung ermöglicht
und mit bereits vorhandenen Maschinen automatisch bestückbar ist.
Es soll ferner kostengünstig
herstellbar und flexibel einsetzbar sein.
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Hauptmerkmale
der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben.
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 24.
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Ein
Verbindungselement für
Bauelemente elektronischer Schaltungen, insbesondere Leiterplatten,
besteht erfindungsgemäß aus einem
leitfähigen Grundkörper mit
einem ersten Anbindungsbereich zum Festlegen des Verbindungselements
an einem ersten Bauelement und mit einem zweiten Anbindungsbereich
zum Festlegen des Verbindungselements an einem weiteren Bauelement,
wobei der Grundkörper
zwischen den Anbindungsbereichen zumindest abschnittsweise plastisch
verformbar ist.
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Dadurch
ist es möglich,
zwei benachbarte Bauelemente, insbesondere zwei starre Leiterplatten,
nicht nur elektrisch leitend miteinander zu verbinden. Die Leiterplatten
können
vielmehr im Bereich der Verbindungselemente in einem Winkel zueinander
angestellt, insbesondere dreidimensional positioniert werden, weil
sich der Grundkörper
aufgrund seiner plastischen Verformbarkeit der Winkelstellung der
Bauelemente anpassen kann. Da die Verbindungselemente (Jumper) zudem
Einzelelemente sind, ist man hinsichtlich der leitfähigen Verbindungen
an kein vorgegebenes Raster gebunden. Die Jumper sind vielmehr frei
bestückbar,
was sich weiter günstig
auf die Herstellkosten auswirkt. Insgesamt lassen sich die Vorteile
preisgünstiger
starrer Leiterplatten nutzen, die zudem dreidimensional angeordnet
werden können.
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Gemäß Anspruch
2 ist der Grundkörper
an wenigstens einer vorgebbaren Stelle plastisch verformbar, insbesondere
biegbar (Anspruch 3). Das Verbindungselement, das bevorzugt ein
Jumper ist, besitzt dadurch ein vorgebbares Biegeverhalten, so daß während dem
Positionieren der Bauelemente keine Kräfte auf die Lötstellen
des Verbindungselements einwirken können. Dazu trägt insbesondere auch
Anspruch 4 bei, wenn die wenigstens eine Stelle eine Sollknick-
oder Sollbiegestelle ist.
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Die
Sollknick- oder -biegestelle wird nach Anspruch 5 bevorzugt von
einer Materialreduzierung im Grundkörper gebildet ist, die im Einklang
mit Anspruch 6 zudem seitlich ausgebildet ist. Das Verbindungselement
läßt sich
dadurch äußerst kostengünstig herstellen,
beispielsweise als freifallendes Stanzteil.
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Alternativ
kann die Materialreduzierung gemäß Anspruch
7 auch in der Ober- und/oder Unterseite des Grundkörpers ausgebildet
sein, um ein bestimmtes Biegeverhalten zu erzeugen. Dabei wird die Sollknick-
oder -biegestelle laut Anspruch 8 von einer in dem Grundkörper eingebrachten
Ausnehmung, Riefe, Sicke, Nut o. dgl. gebildet.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung sieht in Anspruch 9 vor, daß die Sollknick- oder -biegestelle
von einer Materialverbreiterung gebildet ist. Auch diese Verbindungs elemente
lassen sich kostengünstig
herstellen und als Einzelelemente zwischen den benachbarten Bauelementen
mit einem vorgegebenen Biegeverhalten anbringen, so daß jederzeit
eine kostengünstige
dreidimensionale Gestaltung geschaffen werden kann.
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Bevorzugt
weist der Grundkörper
des Verbindungselements laut Anspruch 10 drei Sollknick- oder -biegestellen
auf. Dadurch ist es möglich,
daß sich
der Grundkörper
W-förmig faltet
bzw. einknickt, was sich besonders günstig auf das Biegeverhalten auswirkt.
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Fertigungstechnisch
ist es günstig,
wenn der Grundkörper
und die Anbindungsbereiche gemäß Anspruch
11 im wesentlichen rechteckig ausgebildet sind. Oder man verwendet
einen Grundkörper,
der laut Anspruch 12 zumindest abschnittsweise ein Hohlkörper ist.
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Anspruch
13 sieht vor, daß die
Breite des Grundkörpers
größer ist
als dessen Höhe,
wobei die Dicke des Grundkörpers
laut Anspruch 14 kleiner ist als die Dicke der Anbindungsbereiche.
Letztere sind gemäß Anspruch
15 bevorzugt mit dem Grundkörper einstückig.
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Die
Weiterbildung von Anspruch 16 sieht vor, daß der Grundkörper und
die Anbindungsbereiche aus Kupfermaterial gefertigt sind. Dies gewährleistet eine
stets gute Leitfähigkeit.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Verbindungselemente mehrfach verformbar
sind, d. h. die Bauelemente können
ohne weiteres auch mehrfach positioniert werden. Kupfer läßt sich
ferner gut verlöten,
was sich weiter günstig auf
die Herstellkosten auswirkt.
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Laut
Anspruch 17 weisen die Anbindungsbereiche und/oder der Grundkörper zumindest
abschnittsweise eine galvanisierte Oberfläche auf. Anspruch 18 sieht
zudem vor, daß die
Anbindungsbereiche und/oder der Grundkörper zumindest abschnittsweise
verzinnt sind.
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Besondere
Vorteile ergeben sich mit der Ausbildung von Anspruch 19, wonach
das Verbindungselement ein oberflächenmontierbares Bauelement
(SMD) ist, das gemäß Anspruch
20 zudem reflow-lötfähig sein
kann. Damit lassen sich die Vorteile starrer Leiterplatten nutzen.
Zugleich können
jedoch auch neue Funktionen und damit Mehrwerte in ein Produkt eingebracht
werden, ohne daß hohe
Mehrkosten entstehen, denn die Leiterplatten müssen nicht mehr gesondert gebohrt
werden. Die Vorteile der kostengünstigen
SMD-Technik können
daher weiter voll ausgeschöpft
und zugleich mit zusätzlichem
Nutzen kombiniert werden. Die insgesamt kostengünstige und flexible Verbindungstechnik
ermöglicht
vielmehr ein 3D-Leiterplattendesign, was bislang nur mit aufwendigen
Verbindungselemente oder sogenannten Starr-Flex-Leiterplatten möglich war.
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Gemäß Anspruch
21 ist wenigstens ein Anbindungsbereich mit einer Bohrung versehen,
was sich weiter günstig
auf das Lötverhalten
auswirkt.
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Anspruch
22 sieht vor, daß das
erste Bauelement eine erste Leiterplatte ist, während das weitere Bauelement
nach Anspruch 23 eine weitere Leiterplatte ist. Anspruch 24 sieht
hingegen vor, daß das weitere
Bauelement ein elektronisches Bauteil, ein Schaltelement, ein Sensor,
eine Litze o. dgl. ist.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
dem Wortlaut der Ansprüche
sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf ein Verbindungselement,
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2 eine
Seitenansicht des Verbindungselements von 1,
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3 eine
Draufsicht auf eine Leiterplatten-Anordnung,
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4 eine
Schnittansicht der Leiterplatten-Anordnung von 3,
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5 eine
Schnittansicht der Leiterplatten-Anordnung von 3 in
dreidimensionaler Anordnung,
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6 eine
andere Ausführungsform
eines Verbindungselements und
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7 eine
Seitenansicht des Verbindungselements von 6.
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Das
in 1 allgemein mit 10 bezeichnete Verbindungselement
ist als Jumper ausgebildet. Dieser dient zur Herstellung einer leitfähigen und
gleichzeitig flexiblen Verbindung zwischen zwei starren Leiterplatten
T1, T2, die an einer Knicklinie K in einem Winkel α zueinander
positioniert werden (siehe 5).
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Jede
Leiterplatte T1, T2 ist mit Leitern L versehen und mit (nicht gezeigten)
oberflächenmontierbaren
Bauelementen (SMD) bestückt,
die entsprechend einer vorgegebenen elektronischen Schaltung von
einem (nicht dargestellten) automatischen SMT-Bestückungssystem
aufgebracht und in einem (gleichfalls nicht gezeigten) Reflow-Ofen
verlötet werden.
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Der
Jumper 10 hat einen im wesentlichen rechteckigen Grundkörper 20,
der an seinen Enden 21 mit je einem Anbindungsbereich 30, 40 versehen ist.
Diese weisen ebene Unterseiten 32, 42 auf, die flächig auf
den Leiterplatten T1, T2 verlötbar
sind. Dabei wird der erste Anbindungsbereich 30 randseitig
auf der ersten Leiterplatte T1 aufgebracht, während der zweite Anbindungsbereich 40 auf
dem benachbarten Seitenrand der zweiten Leiterplatte T2 aufliegt
(siehe 3). Zur Aufnahme der Anbindungsbereiche 30, 40 sind
beide Leiterplatten T1, T2 entlang der Knicklinie K mit sogenannten
Landepads P versehen, die – wie 3 weiter
zeigt – entsprechend
der Anzahl vorgesehener Jumper 10 senkrecht zur Knicklinie
K paarweise gegenüberliegend angeordnet
und über
Leiter L in die (nicht dargestellte) elektronischen Schaltung eingebunden
sind.
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Der
Grundkörper 20 und
die Anbindungsbereiche 30, 40 sind bevorzugt einstückig und
aus Kupfer gefertigt, das mit einer galvanisierten Oberfläche versehen
sein kann. Für
die Herstellung der Lötverbindung
ist der gesamte Jumper 10 gleichmäßig mit Lötzinn überzogen.
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Man
erkennt, daß der
Jumper 10 ein oberflächenmontierbares
Bauelement (SMD) ist, das mittels SMT auf benachbarten Leiterplatten
T1, T2 automatisch bestückt
und direkt verlötet
werden kann. Dadurch lassen sich nicht nur die Vorteile SMD-bestückter Leiterplatten
voll nutzen. Die Jumper können
vielmehr mit den bereits vorhandenen Maschinen automatisch bestückt und
im Reflow-Verfahren verlötet werden.
Eine Umstellung der Bestücklinien
ist ebensowenig erforderlich wie die Anschaffung zusätzlicher
oder spezieller Automaten. Es entstehen vielmehr nur geringe Mehrkosten,
weil die Jumper selbst äußerst kostengünstig herstellbar
und als Einzelelemente flexibel einsetzbar sind.
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Weil
es sich bei den Jumpern 10 um automatisch bestückbare Einzelelemente
handelt, können diese
nahezu beliebig angeordnet werden, d. h. man ist beim Entwurf des
elektronischen Schaltbildes bzw. Leiterbildes an kein vorgegebenes
Raster oder eine bestimmte Polzahl gebunden. Die Jumper 10 können vielmehr
ganz nach Bedarf entlang der Knicklinie K positioniert werden. Das
verwendete Kupfermaterial sorgt hierbei für eine hohe Leitfähigkeit
und damit für
eine stets optimale Verbindung zwischen den Leiterplatten T1, T2.
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Um
nicht nur eine leitfähige,
sondern auch eine flexible Verbindung zwischen den Leiterplatten T1,
T2 zu schaffen, sind in den Längsseiten 22 des Grundkörpers 20 in äquidistanten
Abständen
je drei halbkreisförmige
Ausnehmungen 52 eingebracht, die senkrecht zur Längsachse
A paarweise gegenüberliegen
und den Grundkörper 20 mitsamt
den Anbindungsbereichen 30, 40 in vier etwa gleich
große
Abschnitte 24 unterteilen.
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Durch
die seitlich in den Grundkörper 20 als Materialreduzierungen
eingebrachten Ausnehmungen 52 entstehen entlang der Längsachse
A drei plastisch verformbare Bereiche 50, die dem Jumper 10 ein
vorgegebenes Biegeverhalten verleihen. Faltet man nämlich – wie in 5 dargestellt – die beiden
Leiterplatten T1, T2 an ihrer Knicklinie K um den Winkel α, so wird
der Grundkörper 20 des
Jumpers 10 in den Bereichen 50 W-förmig in Knickrichtung nach
innen gebogen, ohne daß sich
der Jumper 10 von den Landepads P lösen kann. Der Grundkörper 20 wird
mithin in den Bereichen 50 plastisch verformt, die zwischen
den Abschnitten 24 Sollknick- bzw. Sollbiegestellen bilden.
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Dadurch
ist es möglich,
mit herkömmlichen SMD-bestückten, starren
Leiterplatten T1, T2 ohne große
Mehrkosten eine dreidimensionale Leiterplatten-Anordnung zu schaffen.
Die fest mit den Landepads P verbundenen, automatisch bestückbaren Jumper 10 sorgen
für eine
stets zuverlässige
und gute leitfähige
Verbindung zwischen den Leiterplatten T1, T2, die in einem nahezu
beliebigen Winkel α angestellt
werden können.
Aufwendige Flachkabel oder flexible Flachleiterverbinder sind nicht
mehr erforderlich. Einzige Voraussetzung ist, daß die Jumper 10 mit
ihren Anbindungsbereichen 30, 40 parallel zur Knicklinie
K fluchtend auf einer Linie liegen, damit beim Falten der Leiterplatten
T1, T2 keine Scherkräfte
in den Anbindungsbereichen 30, 40 entstehen können.
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Die
Breite B des Grundkörpers 20 ist
bevorzugt größer als
dessen Höhe
H, die der Dicke D der Anbindungsbereiche 30, 40 entspricht.
Die Dicke d des Grundkörpers
hingegen ist – wie 2 zeigt – bevorzugt
etwas kleiner als die Dicke D der Anbindungsbereiche 30, 40,
was sich zum einen günstig auf
das Lötverhalten
auswirkt und zum anderen die Biegeeigenschaften verbessert. Die
Ausnehmungen 52 müssen
nicht zwingend halbrund ausgebildet sein. Sie können auch eine andere Form
aufweisen, beispielsweise eine Trapez- oder Dreiecksform.
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Die
Sollknickstelle (Knicklinie K) zwischen den Leiterplatten T1, T2
wird bevorzugt durch ein- oder beidseitiges Ritzen erzeugt. Man
kann die Leiterplatten T1, T2 aber auch ohne jegliche Verbindung nebeneinander
anordnen. Je nach Anzahl und Größe der Jumper 10,
deren Längsachsen
A bevorzugt senkrecht zur Knicklinie K liegen, reichen diese aus, um
eine biegbare aber dennoch stabile Verbindung zwischen den Leiterplatten
T1, T2 zu schaffen.
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Eine
andere Ausführungsform
ist in 6 und 7 dargestellt. Hier sind die
Sollknick- oder -biegestellen 50 als Nuten 54 in
die Oberseite des Jumpers 10 bzw. des Grundkörpers 20 eingebracht. Die
Anbindungsbereiche 30, 40, deren Dicke D der Dicke
d des Grundkörpers 20 entspricht,
sind ferner mit je einer Bohrung 38 versehen.
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Auch
diese Jumper 10 lassen sich als SMD im Randbereich zweier
Leiterplatten T1, T2 bestücken
und mit den Unterseiten 32, 42 der Anbindungsbereiche 30, 40 auf
den Landepads P verlöten.
Die Sollknickstellen 50 sorgen dafür, daß die etwa gleich großen Abschnitte 24 beim
Falten der Leiterplatten T1, T2 W-förmig einknicken, so daß auf die
Anbindungsbereiche 30, 40 keine Scherkräfte oder
Momente einwirken. Die Jumper 10 sorgen vielmehr für eine gut
leitfähige
und gleichzeitig flexible Verbindung zwischen den starren Leiterplatten
T1, T2, die sich problemlos und äußerst kostengünstig dreidimensional
anordnen lassen.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern in vielfältiger
Weise abwandelbar. So können die
Sollknick- oder -biegestellen 50 auch auf der Unterseite
des Grundkörpers 20 eingebracht
sein. Anstelle von Materialreduzierungen können auch Materialverbreiterungen
vorgesehen sein. Wichtig ist, daß der Grundkörper 20 beim
Falten der Leiterplatten T1, T2 an vorgegebenen Stellen plastisch
verformt wird, damit sich die aufgelöteten Anbindungsbereiche 30, 40 nicht
von den Leiterplatten T1, T2 bzw. den Landepads P lösen können.
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Der
Grundkörper 20 kann
alternativ als Hohlkörper
ausgebildet sein, was sich vorteilhaft auf das Biegeverhalten auswirken
kann. Insbesondere bietet sich hierdurch die Möglichkeit, die Leiterplatten
T1, T2 zumindest in Grenzen auch über einen Winkel α von 180° hinaus umbiegen
zu können,
in dem der Grundkörper 20 gestreckt
wird.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, daß anstellen
einer weiteren Leiterplatte T2 ein elektronisches Bauteil, ein Schaltelement,
ein Sensor, eine Litze o. dgl. mit dem Anbindungsbereich 40 des
Jumpers 10 verbunden wird.
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Sämtliche
aus den Ansprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile,
einschließlich
konstruktiver Einzelheiten, räumlicher
Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als
auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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- α
- Winkel
- A
- Längsachse
- B
- Breite
(Grundkörper)
- d
- Dicke
(Grundkörper)
- D
- Dicke
(Anbindungsbereich)
- H
- Höhe
- L
- Leiter
- P
- Landepads
- T1
- Bauelement/Leiterplatte
- T2
- Bauelement/Leiterplatte
- 10
- Verbindungselement
- 20
- Grundkörper
- 21
- Ende
- 22
- Längsseite
- 24
- Abschnitt
- 30
- Anbindungsbereich
- 32
- Unterseite
- 38
- Bohrung
- 40
- Anbindungsbereich
- 42
- Unterseite
- 50
- Sollknickstelle/Sollbiegestelle
- 52
- Ausnehmung
- 54
- Nut