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PRÜFSONDE ZUR KONTROLLE VON LEITERPLATTEN
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Die Erfindung betrifft eine Prüfsonde zur Kontrolle von Leiterplatten
und montierten Schaltungsplatten. Der in grösster Menge benutzte Baustein der Elektronik
ist die Leiterplatte, bzw. die montierte Schaltungsplatte /im weiteren Leiterplatte/.
Die Zuverlässigkeit, Fehlerlosigkeit dieser Leiterplatten ist in Hinsicht auf das
Fertigprodukt von ausschlaggebender Bedeutung, somit ist es unerlässlich, die eventuellen
Fehler mit höchster Genauigkeit bestimmen zu können. Die Überprüfung der Leiterplatten
ist sowohl vor als auch nach der Montage durchzuführen.
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Zur Kontrolle der Leiterplatten ist entsprechend den zu prüfenden
Parametern eine Reihe von Verfahren entwickelt worden. Bei den meissten der Prüfvorrichtungen
werden zum Anschluss der die Messungen durchführenden, und verarbeitenden elektronischen
Zentralmesseinheit an die Messpunkte der zu prüfenden Leiterplatte sogenannte Anschlussfelder
mit Nadellager verwendet, da diese den gleichzeitigen Anschluss einer ausserordentlich
grossen Anzahl von Messpunkten mit annehmbarer Sicherheit gewährleisten. Die Nadellager
bilden ein Interface zwischen der Messeinrichtung und der zu prüfenden Leiterplatte,
dessen wichtigstes, die Zuverlässigkeit in entscheidendem Masse beeinflussendes
Element die Tastnadel selbst ist.
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Eine weiterverbreitete Lösung der Ausbildung der Tastnadeln stellt
die Lösung dar, bei der ein
beweglicher zylindrischer Teil der Tastnadel
in einem zylindrischen Rohr mit lockerer Anpassung geführt ist und unter dem beweglichen
Teil eine die Rückstellung durchführende Feder angeordnet ist. Diese Einheit kann
gesondert in einer Aufnahmehülse angeordnet werden, die ihrerseits mit einem zum
Anschluss der elektrischen Messleitung geeignetem Endstück versehen ist, das in
den meissten Fällen zum Drahtwicklungsverfahren geeignet ausgebildet ist. Diese
Aufnahmehülse wird entsprechend der Position der zu prüfenden Punkte dicht angepasst
in der aus Isolationsmaterial ausgebildeten Bohrung angeordnet.
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Derartige Lösungen werden aus mehreren Einheiten aufgebaut. Die erste
und wichtigste dieser Einheiten stellt der Nadelkopf und der Schenkel dar, die nur
mittels eines spezialen Maschinenparks hergestellt werden können. Die Ausbildung
des Nadelkopfes wird durch die Form des zu prüfenden Punktes und den entsprechenden
Kontakt gemeinsam bestimmt. Zur GewShrleistung eines besseren Kontaktes werden an
dem Nadelkopf Kanten ausgebildet, wodurch dieser dazu befähigt wird, die sich auf
den Leiterplatten leicht bildende Oxidschicht zu durchbrechen. Der Schenkelteil
enthält in fast allen Fällen mehrere Schultern und für seine Zylinderförmigkeit
und Oberflächenqualität gibt es strenge Vorschriften, da dieser in eine zweite Einheit
genau angepasst angeordnet ist. Die einfachste Ausführung der zweiten Einheit ist
ein zylindrisches Rohr, das sowohl in seiner Bohrung als auch an seinem Mantel genau
und fein bearbeitet ist, so dass in seiner Bohrung der Schenkelteil bei guter Stromleitung
locker anpassbar ist.
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Im allgemeinen Falle ist auch das zylindrische Rohr mit Anschlagsrändern
und Schultern versehen. Der Mantel des zylindrischen Rohres ist in einer dritten
Einheit genau angepasst angeordnet, die eine Aufnahmehülse darstellt, wobei die
Aufnahmehülse mit einem, den Stromanschluss sichernden Ende versehen ist. Die Ausbildung
des Endes hängt von der Art der Stromzuführung ab /Löten, Pressen, Drahtwickeltechnik
/wire-wrapping/, usw./. Diese drei Einheiten, jedoch mindestens die letzten zwei
werden mit einem Edelmetallbezug versehen, um die Bedingungen der Stromleitung zu
verbessern.
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Das Nadellager als Aufnahme- und Positionierelement kann entsprechend
der Form und den Abmessungen der federnden Tastnadeln, sowie gemäss den Prüfanforderungen
sehr unterschiedlich ausgeführt sein.
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Die erwähnten bekannten Lösungen verfügen über mehrere Nachteile.
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Die zylindrischen und mit Schultern versehenen Aufnahmehülse, das
sich anpassende Rohr, der Nadelschenkel und der Nadelkopf sind an ausserordentlich
kleinen Durchmessern und mit grosser Genauigkeit zu bearbeiten. Dazu sind speziale
Maschinen erforderlich.
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Die Nadeln sind aus mehreren Stücken ausgebildet, und die aneinander
anzupassenden Flächen müssen austauschbar ausgebildet sein. An dem Mantel, sowie
in den Bohrungen der zylindrischen Teile, bzw. Rohre ist eine ausgezeichnete Oberflächenqualität
ein unerlässliches Erfordernis. Dadurch sind eine nachteilige Konstruktion und weitere
nachteilige Eigenschaften bedingt. Aus Obigem ist ersichtlich, dass sich der Stromweg
in derartigen Konstruktionen in zwei Teile aufteilt. In dem ersten Abschnitt fliesst
der Mepstrom über den sich
gemeinsam bewegenden, eine Einheit bildenden
Nadelkopf und Nadelschenkel, und teilt sich danach in zwei Teile.
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Der eine Stromweg führt über die sich einander anpassenden, sich
jedoch aufeinander bewegenden zylindrischen Innenflächen zu der das Federgehäuse
bildende Hülse, von dort über einen Übergangswiderstand an die ebenfalls zylindrische
Aufnahmehülse und gelangt an den Anschlusspunkt des Messleiters.
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Der andere Stromweg wird durch die zwischen dem unbeweglichen und
dem beweglichen Teil der Nadelkonstruktion im mechanisch vorgespannten Zustand angeordnete
Druckfeder gebildet, wobei der Strom von dem Nadelschenkel über einen Übergangswiderstand
an die Federn gelangt, danach von dort ebenfalls über einen Übergangswiderstand
in das Anpassungsrohr, wo dieser Strom sich mit dem, auf dem oben beschriebenen
Stromweg geleiteten Strom vereinigt.
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Die Abmessungen und das Material der Druckfeder werden somit durch
zwei Bedingungen bestimmt, wobei die erste durch die auf den Kopf der Tastnadel
auszuübende gegebene Federkraft und die Eigenschaften der Federung bestimmt wird
und die zweite Bedingung ist, dass das Material der Feder stromleitend sein soll.
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Von diesen zwei Bedingungen gelangen notwendigerweise die elektrischen
Eigenschaften in den Hintergrund, sind jedoch nicht vernachlässigbar. Wegen der
Übergangswiderstände und der sich bewegenden reibenden, sich einander anpassenden
zylindrischen Teile werden die Oberflächen mit einem Bezug aus Edelmetall versehen.
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Somit ist zur Sicherung der Leitung des Stromes ein zusätzlicher technologischer
Schritt in den Herstellungsprozess einzufügen.
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Bei derartigen Konstruktionen muss damit gerechnet werden, dass die
Stromleitung über solche Flächen erfolgt, die infolge der sich aufeinander bewegenden
Flächen einer Abnutzung ausgesetzt sind.
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Ein weiterer Nachteil besteht also darin, dass die Flächen durch Abnutzung
abbröckeln und sich in den meissten Fällen in Form von Oxiden anhäufen.
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Wie aus Obigem ersichtlich ist, wird die elektrische Leitfähigkeit
der gesamten Tastnadel durch die ruhenden Übergangswiderstände, durch die sich ständig
ändernden Übergangswiderstandswerte der sich bewegenden reibenden Flächen und die
elektrischen Parameter der Feder bestimmt. Dieser Umstand führt zu einer grossen
Streuung der resultierenden Werte und im Laufe der zeit der Benutzung zu einer unerwünschten
Steigerung der ÜbergangswiderstSndeX wodurch die Zuverlässigkeit des gesamten Messverfahrens
bedeutend herabgesetzt wird.
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Andere bekannte Erfindungen versuchten das Problem in anderen Richtungen
zu lösen. Für diese Lösungen ist charakteristisch, dass diese bei Beibehaltung der
zylindrischen Ausbildung durch Verlängerung der Kontaktfläche oder durch einen federnden
inneren Kontakt, bzw. durch äussere biegsame Uberbrückungen die Unsicherheit des
Kontaktes zu beheben bestrebten, die sich jedoch aus der Konstruktion ergebenden
Probleme konnten damit jedoch nicht vollständig beseitigt werden. Ein Beispiel für
diese Lösungen stellt das US-PS 3 753 103 dar, das dieses Problem so versuchte zu
lösen, dass auf das Ende des Schenkels der Tastnadel ein Kolbengemässes Reibungselement
montiert wurde, das zur Erreichung eines besseren elektrischen
Kontaktes
durch eine gesonderte Plattenfeder in Radialrichtung ständig gegen die Wandung der
stehenden Hülse gepresst wird. Das Ziel dieser Lösung war, die Feder als Weg der
Stromführung zu eliminieren.
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Diese Lösung war jedoch nicht in der Lage, die über die sich bewegenden-reibenden
Flächen erfolgende ungleichmässige Stromführung zu eliminieren, bzw. die Feder vollständig
zu umgehen.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, die beschriebenen Nachteile
zu beseitigen und eine solche Prüfsonde zu entwickeln, die neben der Verbesserung
der Tast-, Kontakt- und Stromleitungsbedingungen eine einfache, mit wenig Kostenaufwand
herstellbare, keine Übergangswiderstände beinhaltende und anstelle der bekannten
Nadelkonstruktionen einsetzbare Lösung bietet.
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Das gestellte Ziel wurde mit der Entwicklung einer Prüfsonde erreicht,
die mit einem Kontaktkopf, einem Federelement, einem Schenkel und einem Ende für
die Stromzuführung versehen ist, die in einem Nadellager angeordnet sind, das aus
einem zur Aufnahme dienendem Führungsteil und einem Stütz-Anschlagteil besteht und
gemäss der Erfindung der Kontaktkopf, der Schenkel und das Ende für die Stromzuführung
als ein einziges Nadelelement, vorzugsweise plattenförmig ausgebildet sind, wobei
auf das Nadelelement ein Federelement befestigt ist, das aus einem Halte-Führungsteil
und einem federnden Teil besteht. Das Halte-Führungsteil ist in der Öffnung des
Führungsteils des Nadellagers angeordnet, während das federnde Teil zwischen dem
Führungsteil des Nadellagers und dem Stütz-Anschlagteil des Nadellagers angeordnet
ist. Zur Begrenzung der Bewegung des Nadelelementes in Achsenrichtung ist die
Prüfsonde
mit einem Begrenzungselement versehen.
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Es ist vorteilhaft, das Federelement aus einer einzigen Spiralfeder
auszubilden, dessen Halte-Führungsteil mit einem kleineren Windungsanstieg als der
federnde Teil ausgebildet ist.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, dass das Federelement entweder an dem
Kontaktkopf oder an dem Schenkel oder an einem, zwischen dem Kontaktkopf und dem
Schenkel ausgebildeten Halsteil befestigt ist.
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Nachstehend wird die erfindungsgemässe Prüfsonde anhand von bevorzugten
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemessen
Prüfsonde in Draufsicht und im Schnitt, Fig. 2 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemessen
Prüfsonde in Draufsicht und im Schnitt.
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Aus Fig. 1 ist ersichtlich, das ein Kontaktkopf 1, ein Schenkel 2
und ein, der Stromzuführung dienendes Ende 3 der erfindungsgemässen Prüfsonde als
ein einziges plattenmMssiges Nadelelement ausgebildet sind. An einem, zwischen dem
Kontaktkopf 1 und dem Schenkel 2 ausgebildeten Halsteil 7 ist ein, das Nadelelement
umfassendes Federelement 4 befestigt.
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Das Federelement 4 wird vorzugsweise aus einer, aus einem Stück ausgebildeten
Spiralfeder mit zwei verschiedenen Windungsanstiegen gebildet. Das Federelement
4 besteht somit vorzugsweise aus einem, enggewickelten Halte-Führungsteil 4a und
einem, mit grösserem Windungsanstieg gewickeltem federnden Teil 4b.
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Der rechteckige Querschnitt des Nadelelementes
ist
im Halsteil 7 eng in den Halte-Führungsteil 4a des Federelementes 4 eingepasst,
während der Aussendurchmesser des Halte-Führungsteiles 4a als locker angepasste
Hülse das mit rechteckigem Querschnitt versehene Nadelelement in der Öffnung, die
in einem Führungsteil 5a eines vorzugsweise zylindrisch ausgebildeten Nadellagers
5 ausgebildet ist, führt und zentriert.
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Der mit grösserem Windungsanstieg ausgebildete federnde Teil 4b des
Federelements 4 stützt sich auf einem Stütz-Anschlagteil 5b des Nadellagers 5 auf.
Der Bohrungsdurchmesser des den Schenkel 2 der Prüfsonde beinhaltenden Stütz-Anschlagteils
5b ist kleiner als der Durchmesser der Spiralfeder, wodurch die Anstützung einfach
gelöst ist. Das Herausheben der Prüfsonde nach der Messung auf das gleiche Niveau
wird mittels des Federelementes 4 über eine an dem Schenkel 2 der Prüfsonde ausgebildete
Ausnehmung und durch ein Begrenzungselement 6 gewährleistet, so dass diese an dem
Stütz--Anschlagteil 5b des Nadellagers 5 anschlägt.
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Bei der in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsform wird der zum
Herausheben der Prüfsonde auf das gleiche Niveau erforderliche Anschlag durch eine
in der letzten Phase der Montage aufXden Führungsteil 5a des Nadellagers 5 aufgebrachte,
mit einer dem Kontaktkopf 1 entsprechenden Öffnung versehene Anschlagplatte als
Begrenzungselement 6 gewährleistet.
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Ausser den erläuterten Ausführungsbeispielen sind innerhalb des Schutzumfanges
der Erfindung auch andere Ausführungsformen realisierbar.
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Durch die Erfindung wurde eine solche Prüfsonde geschaffen, die infolge
ihrer Einfachheit ausserordentlich leicht und mit geringem Kostenaufwand
herstellbar
ist, da zur Herstellung von plattenmässigen Bauteilen eine Reihe von mit geringem
Kostenaufwand durchzuführenden Verfahren bekannt is, desweiteren besteht die Prüfsonde
aus einer geringen Anzahl von Elementen, so dass die Montage bedeutend vereinfacht
ist. Wie auch aus den Zeichnungen ersichtlich ist, schliesst die erfindungsgemässe
Lösung die Kontaktunsicherheiten innerhalb der Prüfsonde aus, da der Strom vom Kontaktkopf
bis zum Ende für die Stromzuführung über nur ein Material fliesst, wobei die ruhenden
und die beweglichen-reibenden ÜbergangswiderstAnde eliminiert sind. Somit können
die verschiedenen Ausführungsvarianten und die Edelmetallbezüge zur Verbesserung
der Übergangswiderstände unterbleiben.
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Wie aus Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich ist, bewegt sich das Nadelelement
im Nadellager 5 reibungslos und kann somit in Hinsicht auf die Stromführung als
"Schwebenadel" betrachtet werden.
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Bei Erreichen einen gegebenen Kraft senkt sich der Kontaktkopf 1
der Prüfsonde in das steife Nadellager 5 und ist dadurch gegen eventuelle Beschädigungen
geschützt.
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Bei den bisherigen Konstruktionen der Kontaktnadeln leitet das den
Tastdruck sichernde Federelement in jedem Falle den Strom.
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In der erfindungsgemässen Lösung hat das Federelement keine andere
Funktion als die Sicherung des Tastdruckes.
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Die Prüfsonde ist infolge ihrer Ausbildung zur Einsetzung in eine
Aufnahmehülse geeignet und kann somit als selbständige Einheit anstelle von bisherigen
Kontaktnadeln oder für andere Verwendungen vorzugsweise
verwendet
werden.
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Am Oberteil der Prüfsonde können auch die üblichen Kontaktkopfausführungen
ausgebildet sein.
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Der Oberteil der Prüfsonde ist mit Kanten versehen, so dass die sich
bildende Oxidschicht durchbrochen werden kann.
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