WO2015165946A1 - Elektrische verbindungsanordnung für die elektrische verbindung von leiterplatten untereinander mittels lötfreier einpresskontaktierung - Google Patents

Elektrische verbindungsanordnung für die elektrische verbindung von leiterplatten untereinander mittels lötfreier einpresskontaktierung Download PDF

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WO2015165946A1
WO2015165946A1 PCT/EP2015/059308 EP2015059308W WO2015165946A1 WO 2015165946 A1 WO2015165946 A1 WO 2015165946A1 EP 2015059308 W EP2015059308 W EP 2015059308W WO 2015165946 A1 WO2015165946 A1 WO 2015165946A1
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WO
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press
circuit board
printed circuit
fit
pin
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Application number
PCT/EP2015/059308
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Otto
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R12/00—Structural associations of a plurality of mutually-insulated electrical connecting elements, specially adapted for printed circuits, e.g. printed circuit boards [PCB], flat or ribbon cables, or like generally planar structures, e.g. terminal strips, terminal blocks; Coupling devices specially adapted for printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures; Terminals specially adapted for contact with, or insertion into, printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures
    • H01R12/50—Fixed connections
    • H01R12/51—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures
    • H01R12/55—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures characterised by the terminals
    • H01R12/58—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures characterised by the terminals terminals for insertion into holes
    • H01R12/585—Terminals having a press fit or a compliant portion and a shank passing through a hole in the printed circuit board
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R12/00—Structural associations of a plurality of mutually-insulated electrical connecting elements, specially adapted for printed circuits, e.g. printed circuit boards [PCB], flat or ribbon cables, or like generally planar structures, e.g. terminal strips, terminal blocks; Coupling devices specially adapted for printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures; Terminals specially adapted for contact with, or insertion into, printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures
    • H01R12/50—Fixed connections
    • H01R12/51—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures
    • H01R12/52—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures connecting to other rigid printed circuits or like structures
    • H01R12/523—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures connecting to other rigid printed circuits or like structures by an interconnection through aligned holes in the boards or multilayer board

Definitions

  • the group of positive and positive electrical contacts is summarized under the term "cold contacting technique.”
  • a common feature of all variants is that the electrical contact is produced solely by pressing or clamping the joining partners.
  • Press-in contacts for the direct contacting of printed circuit boards are used in numerous products, the variety of variants ranges from single pins to multi-pin connectors.
  • the pins or press-fit pins to be pressed increases the accuracy requirements of the pins or the press-fit pins, the printed circuit board and the positioning during the press-fitting process, which makes the process complex and expensive.
  • the requirement for the accuracy of the pins or press-fit pins, the dimensions of the press-in openings or contacting openings in the circuit boards as well as the positioning during the press-fitting process are even higher.
  • the electrical connection arrangement comprising a printed circuit board with at least one electrical conductor track, wherein the printed circuit board has at least one first contacting opening guided through the printed circuit board, wherein the at least one first contacting opening has a first inner diameter.
  • the electrical connection arrangement has at least one further printed circuit board, for example a single or two or three or four or five or more than five further printed circuit boards, wherein the at least one further printed circuit board has at least one electrical conductor, wherein the at least one further printed circuit board at least one through the at least one other circuit board
  • the electrical connection arrangement has at least one press-in pin with a longitudinal axis extending along a press-in direction, wherein the at least one press-in pin has along its longitudinal axis a first press-in section with a first outer diameter and a second press-in section with a second press fit Outside diameter has.
  • the first inner diameter is greater than the second inner diameter and the first outer diameter of the first press-fit portion is greater than the second outer diameter of the second press-in portion.
  • Press-fitting portion corresponding second contact hole is pressed with this by applying a strateinpresskraft or is pressed into this.
  • a strateinpresskraft or is pressed into this.
  • the press-in pin has a number of press-fit portions corresponding to the number of printed circuit boards to be interconnected by the press-fit pin.
  • Each press-in section has its own outer diameter.
  • the press-in pin can be connected to one of its press-in sections, each with a contact opening per circuit board.
  • the press-fit pin may have a stepped outer contour in which each outer diameter of each press-fit portion is different from the outer diameter of each other press-fit portion.
  • the contacting holes of the various printed circuit boards connected by the press-in pin have different inner diameters.
  • a development of the invention provides that the first inner diameter is larger by at least 5%, in particular by at least 15% greater than the second inner diameter and / or that the first outer diameter of the first press-in section is at least 5% larger, in particular at least 15% greater than the second outer diameter of the second press-fit portion.
  • Size gradation is advantageously effected that the second press-fit portion can be easily passed through the first contacting opening, without touching or damaging an inner surface facing the interior of the contacting opening.
  • the second press-in section is initially arranged on the press-in pin along its longitudinal axis, counter to the press-in direction, and then the first press-in section is arranged.
  • the second press-in section is then, for example, not pressed together with the second contacting opening of the further printed circuit board and can then be pressed with the second contacting opening of the further printed circuit board.
  • the press-in pin may have a stepped shape of the shape that, viewed against the press-in direction, the outer diameter of the Press-in sections along the longitudinal axis are getting bigger.
  • the press-in pin can thus have a staircase-like shape viewed in a longitudinal section along its longitudinal axis.
  • a further development of the invention provides that a first press-in connection between the first press-in section and the first contact opening of the printed circuit board has a first minimum pressing force and a second press-in connection between the second press-in sections of the second contact opening of the further printed circuit board has a second minimum press-in force, wherein the first minimum extrusion force is greater by at least 5%, in particular by at least 15% greater or at least 25% greater than the second minimum insertion force.
  • the electrical contacting of the printed circuit boards with each other can be reliably and safely effected by the press-in pin.
  • the press-in pin Used in a stepwise joining of the press-fit pin with the circuit board and the other circuit board, e.g. First, the first press-in section with the first
  • a first minimum insertion force for the minimum force required to make the first press fit and a second minimum apply force are the minimum force required to disengage the second press fit.
  • the first press-in portion and / or the second press-in portion is formed as a spring portion, that the spring action acts substantially transversely to press-in direction, is advantageously effected that the press-in pin on the one hand particularly simple and with little effort in the first or second
  • Press-in section and contact opening a particularly good non-positive and / or positive connection is formed.
  • the press-in sections designed as a spring section can also be referred to as flexible joining zones.
  • the printed circuit board has a thickness along the press-in direction and the further printed circuit board has a further thickness along the press-in direction.
  • the first press-in section extends over at least 70% of the thickness of the printed circuit board along the longitudinal axis of the press-in pin, wherein the
  • Outer diameter of the first press-in portion over a longitudinal extent of at least 25% of the thickness is constant.
  • the second press-in section extends over at least 70% of the further thickness of the further printed circuit board along the longitudinal axis of the press-in pin, wherein the second outer diameter of the second press-in section is constant over a longitudinal extent of at least 25% of the further thickness.
  • the first contacting opening and / or the second contacting opening may each have a metallized facing the interior of the contacting opening
  • the metallization of the inner wall may have at least 20 ⁇ copper at any point and / or have a tin coating.
  • Inner wall can also be made of any other metal, for example aluminum or a precious metal such as aluminum, at any point. Silver or gold or consist of eggs metal alloy.
  • Advantageously is effected by the electrical connection arrangement that by pressing the press-fit pins only low requirements, for example, on the surface quality, material purity or other parameters of the inner wall of the contact holes or an outer wall of the press-fit pins must be made, making the production particularly cost is representable.
  • Press-in section and the second contacting opening can be produced by adhesion and / or by positive engagement and / or by material connection.
  • a high-strength mechanical and electrical connection by means of cold welding.
  • a material bond can be formed by the formation of an intermetallic phase between a metallization of the contacting opening and a metallic one Be created coating or the metallic material of the pressed-in with the contact hole press-fit.
  • the press-fit pin may have a free end, which is designed as a tip.
  • the press-in pin can be pressed with the free end, for example, in an electrically conductive plastic to produce in this way, for example, in a simple manner, a grounding or equipotential bonding.
  • the electrical connection can interconnect printed circuit boards, which in
  • Power and logic modules are used.
  • power modules can be interconnected or logic modules can be interconnected or a combination of power and logic modules.
  • connection arrangement can be used as a press-in pin classic Ramm contacts or ram-push-in pins that can be made particularly inexpensive or flexible contacts or flexible press-fit pins, which are particularly reliable.
  • a method for producing an electrical connection arrangement for the electrical connection of printed circuit boards to one another by means of solderless press-in contacting comprising the following steps:
  • Contacting opening has a first inner diameter
  • the at least one further printed circuit board has at least one guided through the at least one further printed circuit board second contacting opening, wherein the at least one second
  • Contacting opening has a second inner diameter
  • At least one press-in pin with a longitudinal axis extending along a press-in direction, wherein the at least one press-in pin has a first press-in section along its longitudinal axis a first outer diameter and a second press-in portion having a second outer diameter,
  • the first inner diameter is greater than the second inner diameter and the first outer diameter of the first press-in portion is greater than the second
  • this method has the advantage that this can be in a simple, safe and reliable way with little effort and low cost several circuit boards electrically and mechanically interconnect with each other by the at least one press-in pin.
  • the first press-in section of the press-fit pin is first pressed into the first contact opening of the printed circuit board and, in a separate further step, the second press-in section of the press-fit pin is pressed into the second contact opening of the further printed circuit board.
  • Process step almost powerless with its second press-in section passed through the first contact opening and can be pressed with its first press-fit force and form-fitting with the first contact opening.
  • the composite of the at least one press-fit pin and the printed circuit board can then be used modularly, for example by equipping the printed circuit board with passive or integrated electrical or electronic components (for example resistors, coils, capacitors, ASICs) or by further transport to a other assembly station. Only after completion of all these intermediate steps, the further printed circuit board can then be connected with its second contact opening with the second press-in portion of the at least one press-fit pin. In this way, the construction and connection process for the same or improved connection quality is made considerably more flexible. Also, the connection of more than two circuit boards to each other by the step-by-step construction of printed circuit board-press-pin assemblies is possible with this method in a simple and reliable manner.
  • the press-in pin with its second press-in section is replaced by the first
  • Operation can be effected quickly and reliably, without having to apply excessive forces or without damaging the first contact opening (for example, by abrasion or a widening, if the insertion would be possible only as a through-pressing).
  • this method provides considerable time advantage over a soldering process or a bonding process. Since the passage of the second press-in section through the first contacting opening takes place virtually without force and without damage, the process is particularly reliable and fast
  • a development of the method provides that for the dissolution of a first
  • the methods for producing a solderless electrical press-in contact can be assisted by ultrasound or simply by applying force to the press-fit pin by means of a punch.
  • the pressing of the at least one press-in pin can by a flexible
  • Process control of the press-fitting process are supported specifically with ultrasound, wherein by means of an in-situ process monitoring of the ultrasonic power, the press-fit and the press-in force an accurate process monitoring and an in-situ
  • the method enables a simple and reliable process development by means of a measurement of the minimum extrusion force, even if several printed circuit boards are contacted with each other electrically and mechanically.
  • connection carrier or printed circuit boards on top of each other, wherein the contacting openings of the respective circuit boards may be coaxially aligned with each other or may be offset from each other at a predetermined angle with respect to a normal to the plane of the circuit boards,
  • a press-fit pin for use in an electrical connection arrangement.
  • the press-in pin has a longitudinal axis extending along a press-in direction, wherein the press-in pin has along its longitudinal axis a first press-in section with a first press-fit portion
  • the at least one press-in pin can have a substantially round cross-section transversely to its longitudinal axis in a cross-section. However, it can also have a different cross-section, for example an elliptical, triangular, quadrangular, pentagonal or hexagonal or generally polygonal cross-section.
  • different press-in sections may have mutually different cross-sectional shapes, for example the first press-in section has a round cross section and the second press-in section has a rectangular cross section.
  • To this Way can be advantageous by means of the key-lock principle, for example, to achieve a haptic feedback on whether the various interconnected circuit boards are arranged in the correct order one behind the other, especially if the contacting the different circuit boards contacting each corresponding to the press-in section cross-sections have, that is, for example, the first contact opening substantially round and the second contact opening is rectangular.
  • the connection of the printed circuit boards can be completely prevented, if they are arranged in a wrong sequence to each other.
  • Fig. 1 shows a cross section through an electrical according to the invention
  • 2a shows a cross section through a press-fit pin according to the invention according to a first embodiment
  • 2b shows a cross section through a press-fit pin according to the invention according to a second embodiment
  • Figs. 3a and 3b show the steps of a method according to the invention for producing an electrical connection arrangement according to a first embodiment
  • Figs. 4a to 4c steps of a method according to the invention for producing an electrical connection arrangement according to a second embodiment.
  • Fig. 1 shows an electrical connection assembly 100 according to the invention in a cross section.
  • the electrical connection arrangement 100 has a printed circuit board 200 with a plurality of conductor tracks 270, which are located inside the printed circuit board 200.
  • the traces may as well be on the surface of the circuit board 200.
  • Embedded on the printed circuit board 200 or in the printed circuit board 200 also electrical and / or electronic components such as capacitors, resistors or integrated circuits can be electrically and mechanically fixed.
  • the printed circuit board can be designed here as a FR4 printed circuit board or better or as a flexible printed circuit board.
  • the circuit board 200 extends in a plane perpendicular to
  • the printed circuit board 200 has, perpendicular to its plane of extent, a thickness d1 which, for example, is 1.6 mm.
  • the thickness d1 can vary in a range between 0.5 mm and 3 mm and be for example 0.6 mm, 1, 0mm or 1, 2mm: Also, thicknesses up to 5 mm are possible.
  • the printed circuit board 200 has first contacting openings 210, which pass completely through the printed circuit board 200 in the manner of a channel.
  • the first contacting openings 210 have in the illustrated
  • a metallized inner wall 212 preferably a fully metallized inner wall 212 on.
  • the first contacting openings 210 have a first inner diameter ID1.
  • the first contacting openings 210 may be formed in cross-section transverse to the plane of extension of the printed circuit board 200 is substantially circular, elliptical or triangular or rectangular or generally polygonal.
  • the electrical connection arrangement 100 furthermore has a further printed circuit board 220.
  • the further circuit board 220 is in the illustrated illustration below the
  • the further printed circuit board 220 likewise has at least one printed conductor 270.
  • the further printed circuit board has a further thickness d2 transversely to its extension plane pointing into the image plane and at least one second contacting opening 230, which engages through the further printed circuit board 220 completely like a channel.
  • the second contacting openings 230 have in the illustrated
  • a metallized inner wall 232 preferably a fully metallized inner wall 232 on.
  • the metallization can be made of copper, aluminum, tinned copper, gold or silver or another metal, as in the case of the printed circuit board 200.
  • the first inner diameter ID1 of the first contacting opening 210 of the printed circuit board 200 is chosen larger than the second inner diameter ID2 of the second
  • a press-fit pin 300 is also shown.
  • the press-fit pin 300 has an elongated shape along a longitudinal axis 350.
  • the press-fit pin 300 viewed along its longitudinal axis 350 (viewed from top to bottom in the figure), first has a pressing-on end 302, from which it is transverse to the longitudinal axis 350
  • Contact hole stop 304 protrudes. This is followed by a first press-in section 310 with a first outer diameter D1. Viewed downwardly in the longitudinal direction, the outer diameter of the press-fit pin 300 tapers conically and merges into a second press-in section 320 with a second outer diameter D2. At the lower end of the press-in pin, the press-fit pin 300 tapers at its free end to a point 306. From the figure, it can be clearly seen that the first press-in section 310 with a first outer diameter D1. Viewed downwardly in the longitudinal direction, the outer diameter of the press-fit pin 300 tapers conically and merges into a second press-in section 320 with a second outer diameter D2. At the lower end of the press-in pin, the press-fit pin 300 tapers at its free end to a point 306. From the figure, it can be clearly seen that the first press-in section 310 with a first outer diameter D1. Viewed downwardly in the longitudinal direction, the outer diameter of the press-fit pin 300 tapers conically
  • Outer diameter D1 is greater than the second diameter D2.
  • Outer diameter of the press-in sections are substantially constant over a longitudinal extent that corresponds to at least about 25% of the thickness d1 of the printed circuit board 200 or the further thickness d2 of the further printed circuit board 220.
  • the first outer diameter D1 is, for example, selected to be slightly larger than the first inner diameter ID1 of the first contacting opening 210 of the printed circuit board 200.
  • the second outer diameter D2 is chosen to be slightly larger than the second inner diameter ID2 of the second contacting opening 230 of the other
  • the second outer diameter D2 is advantageously smaller than the first inner diameter ID1 of the first contacting opening 210 of the printed circuit board 200.
  • the first outer diameter D1 or the second outer diameter D2 may be in a range between 0.1 mm and 2.0 mm and, for example 0,4mm or 0,6mm or 0,8mm or 1, 0mm, but values like 1, 6mm or 1, 8mm or 2,0mm are possible.
  • the effective contact area between press-fit pin 300 and contact opening 210, 230 and thus the current-carrying capacity are indirectly determined via the outside diameter. The difference between the first
  • Outer diameter D1 and the first inner diameter ID1 and between the second outer diameter and the second inner diameter may be, for example, in a range between 0.01 mm and 0.1 mm. However, it can also be, depending on the ductility of the press-fit pin 300 and the inner wall 212, 232 contacting openings 210, 230 up to 0.3 mm.
  • the electrical connection arrangement 100 is created in that the press-fit pin 300 along its press-in direction 280, which extends essentially parallel to its longitudinal axis 350, with its second press-in section 320 into a second contact opening 230 of the further printed circuit board 220. and or is positively pressed and is pressed with its first press-in portion 310 in a first contacting opening 210 of the circuit board 200. In this way, the circuit board 200 by means of the press-in pin 300 with the other circuit board 220 is electrically and mechanically connected.
  • the contact hole stop 304 of the press-in pin serves to ensure that the press-fit pin 300 is not too far in the
  • Printed circuit board 200 or in the other circuit board 220 is pressed.
  • N required for pressing in the press-fit pin 300 with its first press-in section 310 into the first contact opening 210 of the printed circuit board 200.
  • a second minimum pressing force F2, N is required for pressing the second press-in portion 320 into the second contacting opening.
  • Removing or releasing the press-fit pin 300 from the first contacting opening 210 requires a first minimum pressing force F1 0 UT.
  • F1 0 UT To remove or release the press-in pin 300 from the second contacting opening 230 is a second
  • Contact opening 210, the second contacting opening 230, the first press-in section 310 and the second press-in section 320 are selected so that the first minimum pressing force F1 0 UT at least 5% or at least 10%, preferably at least 15% and completely more preferably at least 25% greater than the second minimum insertion force F2, N.
  • an outer wall 308 of the press-fit pin 308 makes a mechanical and electrical contact with the inner walls 212, 232 of the contacting openings 210, 230.
  • FIG. 2 a shows a possible embodiment of a press-fit pin 300.
  • the press-in pin 300 has the first press-in section 310 and the second press-in section 320 below the contact opening stop 304.
  • the first press-fit portion 310 has a first length d1 1 along the longitudinal axis 350 and the second press-fit portion 320 has a second length d22 along the longitudinal axis.
  • the first outer diameter D1 is substantially constant along the first length d1 1 and the second outer diameter D2 is constant along the second length d22.
  • the press-in pin 300 may be made of solid material, in the manner of a rod.
  • a material in this case for example, aluminum, copper, brass or another metal can be used.
  • conductive plastic is possible. It is crucial that a sufficient electrical conductivity is given.
  • the press-fit pin 300 has further press-in sections, which in each case successively have smaller outer diameters. For example, a third would be
  • FIG. 2 b shows a further embodiment of the press-fit pin, in which the first press-in section 310 and the second press-in section 320 are designed as spring sections 360.
  • a spring section 360 has a lamella 362 extending along the longitudinal axis 350 with an inside of the press-fit pin 300
  • the spring section 360 may also comprise more than two lamellae 362, 364, for example three lamellae or four lamellae, in order in this way, in cross section, e.g. to have an approximately circular shape.
  • the lamellae associated with the first press-in section 310 are identified by the reference numerals 362a and 364a
  • the lamellae assigned to the second press-in section 320 are identified by the reference numerals
  • the second outer diameter D2 of the second press-in portion 320 is smaller than the first outer diameter D1 of the first press-in portion 310, wherein the outer diameter is determined in the region of the spring portion 360 transverse to the longitudinal axis 350.
  • Figs. 3a and 3b is a process for producing an electrical
  • Embodiment of the method first, the circuit board 200 and the other circuit board 220 along the press-in direction 280 at the correct distance from each other are arranged one above the other.
  • the circuit board 200 and the other circuit board 220 are Also positioned transversely to the press-in direction 280 to each other such that the first contacting opening 210 and the second contacting opening 230 are aligned coaxially with each other.
  • the circuit board 200 fixes the other circuit board 220.
  • a press-in pin 300 with its second press-in section 320 is passed through the first contact opening 210 almost without force until the press-in pin 300 reaches the second contact opening 230 of the further printed circuit board 220 with its tip 306. Then, the press-in pin 300 is simultaneously pressed by applying a press-fitting force into the first contacting opening 210 of the printed circuit board 200 and the second contacting opening 230 of the further printed circuit board 220.
  • the second press-fit portion 320 enters into a non-positive and / or positive connection with the second contact opening 230, the length of the connection along the press-in direction 280 being at least 25%, preferably at least 50%, of the further thickness of the further printed circuit board 220 may extend.
  • the first press-in section 310 enters into a non-positive and / or positive connection with the first contact opening 210 of the printed circuit board 200, the connection along the press-in direction 280 over at least 25%, preferably over at least 50%, of the thickness d1 of the printed circuit board 200 can be trained.
  • the optional use of ultrasound (US) during the press-in process represented by the parenthesized designation "+ US” and a jagged arrow pointing in the press-in direction 280, facilitates the press-fitting process and the formation of an intermetallic phase, ie a cohesive connection. between the press-fit pin 300 and the inner wall of the respective contact hole 210, 230. In this embodiment of the method, all printed circuit boards 200, 220 involved are contacted almost simultaneously with the press-fit pin 300. It is, of course, possible with this
  • Method more than two printed circuit boards can be contacted by a press-fit pin 300 or that two or more boards are contacted simultaneously or successively by several press-in pins with each other. For example, two, three, four, five, six, or even more, e.g. more than 20 press-fit pins 300 in a corresponding number of contacting holes in the circuit board 200 and the other circuit board 220 are pressed simultaneously or sequentially.
  • a further embodiment of the method is shown.
  • the first press-in section 310 of the press-fit pin 300 is pressed into the first contact opening 210 of the printed circuit board 200, optionally with the aid of ultrasound action.
  • a composite or a module of the circuit board 200 and the Pressing pin 300 created.
  • This composite or module can be transported or built as such. Also, electrical and / or mechanical quality checks can already be made on this module.
  • a second, separate step then the composite or the module with respect to the other
  • this embodiment of the method is not limited to use with only two printed circuit boards. It can also be connected here more than two, for example, three, four, five or more circuit boards.
  • an expanded composite of the press-fit pin 300, the circuit board 200 and the other circuit board 220 are produced, said composite then pressed with a - not shown here - third press-in section in a third contact opening of a third circuit board becomes. Subsequently, such a composite of three printed circuit boards can be pressed into a fourth printed circuit board, etc.
  • first of all a composite of two printed circuit boards can be produced, which can be tested as a composite for its electrical and mechanical quality.
  • Such a composite can then be pressed in accordance with the first embodiment of the method, for example, simultaneously in two more or more superposed circuit boards.
  • the already pressed connections are not released during the press-fitting process.

Landscapes

  • Multi-Conductor Connections (AREA)
  • Coupling Device And Connection With Printed Circuit (AREA)

Abstract

Es wird eine elektrische Verbindungsanordnung (100) für die elektrische Verbindung von Leiterplatten untereinander mittels lötfreier Einpresskontaktierung vorgeschlagen. Die elektrische Verbindungsanordnung (100) umfasst eine Leiterplatte (200) mit wenigstens einer elektrischen Leiterbahn (270), wobei die Leiterplatte (200) wenigstens eine durch die Leiterplatte (200) hindurchgeführte erste Kontaktierungsöffnung (210) aufweist, wobei die wenigstens eine erste Kontaktierungsöffnung (210) einen ersten Innendurchmesser (ID1) aufweist. Sie umfasst weiterhin wenigstens eine weitere Leiterplatte (220) mit wenigstens einer elektrischen Leiterbahn (270), wobei die wenigstens eine weitere Leiterplatte (220) wenigstens eine durch die wenigstens eine weitere Leiterplatte (220) hindurchgeführte zweite Kontaktierungsöffnung (230) aufweist, wobei die wenigstens eine zweite Kontaktierungsöffnung (230) einen zweiten Innendurchmesser (ID2) aufweist. Sie umfasst weiterhin wenigstens einen Einpress-Stift (300) mit einer sich entlang einer Einpress-Richtung (280) erstreckenden Längsachse (350), wobei der wenigstens eine Einpress-Stift (300) entlang seiner Längsachse (350) einen ersten Einpress-Abschnitt (310) mit einem ersten Außendurchmesser (D2) und einem zweiten Einpress Abschnitt (320) mit einem zweiten Außendurchmesser (D2) aufweist, wobei die Leiterplatte (200) mit der weiteren Leiterplatte (220) durch den wenigstens einen Einpress Stift (300) elektrisch derart verbunden ist, dass der Einpress Stift (300) mit seinem ersten Einpress-Abschnitt (310) in der ersten Kontaktierungsöffnung (210) der Leiterplatte (200) eingepresst und mit der Leiterplatte (200) elektrisch kontaktiert ist und mit seinem zweiten Einpress-Abschnitt (320) in der zweiten Kontaktierungsöffnung (230) der weiteren Leiterplatte (220) eingepresst und mit der weiteren Leiterplatte (220) elektrisch kontaktiert ist. Um eine möglichst einfache, sichere und kostengünstige Einpresskontaktierung herzustellen ist dabei vorgesehen, dass der erste Innendurchmesser (ID1) größer ist als der zweite Innendurchmesser (ID2) und dass der erste Außendurchmesser (D1) des ersten Einpress-Abschnitts (310) größer ist, als der zweite Außendurchmesser (D2) des zweiten Einpress-Abschnitts (320). Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsanordnung (100) und einen Einpress-Stift (300) für eine erfindungsgemäße elektrische Verbindungsanordnung (100).

Description

Beschreibung Titel
Elektrische Verbindunqsanordnunq für die elektrische Verbindung von Leiterplatten untereinander mittels lötfreier Einpresskontaktierunq
Stand der Technik
Unter dem Begriff„kalte Kontaktier-Technik" bzw. lötfreie Einpresskontaktierung bzw. Einpressverbindungen ist die Gruppe der kraft-und formschlüssigen elektrischen Kontakte zusammengefasst. Gemeinsames Merkmal aller Varianten ist, dass der elektrische Kontakt allein durch Einpressen oder Festklemmen der Fügepartner hergestellt wird.
Einpresskontaktierungen zur direkten Kontaktierung von Leiterplatten kommen in zahlreichen Produkten zum Einsatz, die Variantenvielfalt reicht von Einzelpins bis hin zu Steckerleisten mit mehreren Dutzend Pins.
Eine derartige Einpresskontaktierung ist in der D 10 2002 213 812 A1 beschrieben.
Allgemeine Anforderungen, Prüfverfahren und Anwendungshinweise zu derartigen Einpressverbindungen sind in der DIN EN 60352-5, Ausgabe Oktober 2012 beschrieben.
Offenbarung der Erfindung Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass bei einer großen Anzahl von
einzupressenden Pins bzw. Einpress-Stiften die Anforderung an die Genauigkeit der Maße der Pins bzw. der Einpress-Stifte, der Leiterplatte sowie der Positionierung während des Einpressvorgangs steigt, was das Verfahren aufwändig und teuer macht. Es kann außerdem der Bedarf bestehen, zwei oder mehrere Fügepartner wie zum Beispiel zwei oder mehr Leiterplatten durch einen Einpressvorgang mittels eines oder mehrerer Einpress-Stifte untereinander zu verbinden. Hierbei sind die Anforderung an die Genauigkeit der Pins bzw. Einpress Stifte, an die Abmessungen der Einpress-Öffnungen bzw. Kontaktierungsöffnungen in den Leiterplatten sowie an die Positionierung während des Einpressvorgangs noch höher. Es kann daher der Bedarf bestehen, derartige elektrische Kontaktierungen von zwei oder mehr Leiterplatten untereinander mittels Einpress-Stiften einfacher, fertigungssicherer und kostengünstiger zu machen. Vorteile der Erfindung
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist dabei vorgesehen, eine elektrische Verbindungsanordnung für die elektrische Verbindung von zwei oder mehr Leiterplatten untereinander mittels lötfreier Einpresskontaktierung bereitzustellen, bei der die oben dargestellten Nachteile vorteilhaft vermieden werden.
Dies wird dadurch bewirkt, dass die elektrische Verbindungsanordnung eine Leiterplatte mit wenigstens einer elektrischen Leiterbahn umfasst, wobei die Leiterplatte wenigstens eine durch die Leiterplatte hindurchgeführte erste Kontaktierungsöffnung aufweist, wobei die wenigstens eine erste Kontaktierungsöffnung einen ersten Innendurchmesser aufweist. Weiterhin weist die elektrische Verbindungsanordnung wenigstens eine weitere Leiterplatte auf, zum Beispiel eine einzige oder zwei oder drei oder vier oder fünf oder mehr als fünf weitere Leiterplatten, wobei die wenigstens eine weitere Leiterplatte wenigstens eine elektrische Leiterbahn aufweist, wobei die wenigstens eine weitere Leiterplatte wenigstens eine durch die wenigstens eine weitere Leiterplatte
hindurchgeführte zweite Kontaktierungsöffnung aufweist, wobei die wenigstens eine zweite Kontaktierungsöffnung einen zweiten Innendurchmesser aufweist. Schließlich weist die elektrische Verbindungsanordnung wenigstens einen Einpress-Stift mit einer sich entlang einer Einpress-Richtung erstreckenden Längsachse auf, wobei der wenigstens eine Einpress-Stift entlang seiner Längsachse einen ersten Einpress- Abschnitt mit einem ersten Außendurchmesser und einem zweiten Einpress-Abschnitt mit einem zweiten Außendurchmesser aufweist. Dabei ist die Leiterplatte mit der weiteren Leiterplatte bzw. mit den weiteren Leiterplatten durch den wenigstens einen Einpress-Stift elektrisch derart verbunden, dass der wenigstens eine Einpress-Stift mit seinem ersten Einpress-Abschnitt in der ersten Kontaktierungsöffnung der Leiterplatte eingepresst und mit der Leiterplatte elektrisch kontaktiert ist und mit seinem zweiten Einpress-Abschnitt in der zweiten Kontaktierungsöffnung der weiteren Leiterplatte eingepresst und mit der weiteren Leiterplatte elektrisch kontaktiert ist. Der erste Innendurchmesser ist dabei größer als der zweite Innendurchmesser und der erste Außendurchmesser des ersten Einpress-Abschnitts ist größer als der zweite Außendurchmesser des zweiten Einpress Abschnitts. Gegenüber dem Stand der Technik weist die elektrische Verbindungsanordnung den Vorteil auf, dass der Einpressvorgang einfach, sicher, für die Kontaktierungsöffnung bzw. Einpress-Öffnungen der Leiterplatten wenig belastend und mit wenig Kraft durchführbar ist.
Durch die Verbindung zweier Leiterplatten untereinander mittels eines Einpress-Stifts wird weiterhin vorteilhaft bewirkt, dass dadurch die Anzahl von Verbindungstechniken reduziert werden kann und dass Prozesse vereinfacht werden können. Es ist nämlich vorteilhaft möglich, durch die Erfindung beispielsweise auf Löt- oder Bondprozesse zu verzichten und die elektrische Kontaktierung der Leiterplatten untereinander allein durch die
Einpresskontaktierung zu bewerkstelligen.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Toleranzen der verschiedenen Fügepartner (Leiterplatte, weitere Leiterplatte, erster Einpress-Abschnitt, zweiter Einpress-Abschnitt) nicht alle gemeinsam voneinander abhängen, sondern nur die Toleranzen des jeweils miteinander verpressten Abschnitts mit seinem Außendurchmesser und der
Kontaktierungsöffnung mit ihrem Innendurchmesser. Dadurch wird die Konstruktion von zum Beispiel Spritzgussteilen oder Stanzteilen wie zum Beispiel der Einpress-Stifte deutlich einfacher, wodurch die Fertigungs-Werkzeugkosten deutlich sinken können. Durch die Erfindung wird es auch möglich, deutlich mehr als zwei Leiterplatten
untereinander durch das Einpressen eines Einpress-Stiftes miteinander elektrisch zu kontaktieren, wobei selbstverständlich auch die Kontaktierung mehrere Leiterplatten untereinander durch mehrere Einpress-Stifte möglich ist. Dies wird vorteilhaft dadurch bewirkt, dass der Einpress-Stift mit seinem zweiten Einpress-Abschnitt durch die erste Kontaktierungsöffnung mit ihrem größeren Innendurchmesser nahezu kraftfrei
durchgesteckt werden kann und erst beim Zusammentreffen mit der zum zweiten
Einpress-Abschnitt korrespondierenden zweiten Kontaktierungsöffnung mit dieser durch das Aufbringen einer Mindesteinpresskraft verpresst wird bzw. in diese eingepresst wird. Insbesondere bei der Verbindung von mehr als zwei Leiterplatten untereinander ist dies ein beträchtlicher Vorteil, da zum einen die einzelnen Kontaktierungsöffnungen nicht durch das kraftaufwändige Durchpressen des Einpress-Stiftes beschädigt werden und andererseits der Kraftaufwand sowie die Montagezeit insgesamt deutlich reduziert ist.
Bei der Kontaktierung mehrere Leiterplatten untereinander ist durch die Erfindung auch vorteilhaft möglich, dass beispielsweise nur eine erste und eine dritte Leiterplatte miteinander elektrisch kontaktiert werden, während eine zweite Leiterplatte, welche zwischen der ersten und der dritten Leiterplatte angeordnet ist, vom Einpress-Stift beispielsweise durchgriffen, aber nicht berührt bzw. nicht elektrisch kontaktiert wird. Weiterhin vorteilhaft ist die Prozessführung unabhängig von den einzelnen Fügepartnern, da eine Ausrichtung bzw. Justierung der Fügepartner untereinander während des Einpress-Vorgangs erfolgen kann. Insgesamt weist der Einpress-Stift eine Anzahl von Einpress-Abschnitten auf, die der Anzahl der durch den Einpress-Stift untereinander zu verbindenden Leiterplatten entspricht. Dabei weist jeder Einpress-Abschnitt einen eigenen Außendurchmesser auf. Im Falle von mehr als zwei untereinander verbundener Leiterplatten kann der Einpress- Stift mit je einem seiner Einpress-Abschnitte mit je einer Kontaktierungsöffnung je einer Leiterplatte verbunden sein. In einer derartigen Ausführungsform kann der Einpress-Stift eine gestufte Außenkontur aufweisen, bei der jeder Außendurchmesser jedes Einpress- Abschnitts sich von dem Außendurchmesser jedes anderen Einpress-Abschnitts unterscheidet. In gleicher Weise weisen die durch den Einpress-Stift verbundenen Kontaktierungsöffnungen der verschiedenen Leiterplatten jeweils unterschiedliche Innendurchmesser auf.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der erste Innendurchmesser um wenigstens 5 % größer ist, insbesondere um wenigstens 15 % größer ist, als der zweite Innendurchmesser und/oder dass der erste Außendurchmesser des ersten Einpress- Abschnitts wenigstens 5 % größer ist, insbesondere um wenigstens 15 % größer ist, als der zweite Außendurchmesser des zweiten Einpress-Abschnitts. Durch diese
Größenabstufung wird vorteilhaft bewirkt, dass der zweite Einpress-Abschnitt problemlos durch die erste Kontaktierungsöffnung hindurchgeführt werden kann, ohne eine dem Inneren der Kontaktierungsöffnung zugewandte Innenfläche zu berühren bzw. zu beschädigen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist am Einpress-Stift entlang seiner Längsachse entgegen der Einpress-Richtung betrachtet zunächst der zweite Einpress- Abschnitt angeordnet und dann der erste Einpress-Abschnitt. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass der Einpress-Stift mit dem zweiten Einpress-Abschnitt zunächst durch die erste Kontaktierungsöffnung der Leiterplatte annähernd kraftfrei hindurch gesteckt werden kann und dann der erste Einpress-Abschnitt mit der ersten Kontaktierungsöffnung der Leiterplatte verpresst werden kann. Der zweite Einpress-Abschnitt ist dann beispielsweise noch nicht mit der zweiten Kontaktierungsöffnung der weiteren Leiterplatte verpresst und kann anschließend mit der zweiten Kontaktierungsöffnung der weiteren Leiterplatte gepresst werden. Sollen mehr als zwei Leiterplatten untereinander durch den Einpress- Stift verbunden werden so kann der Einpress-Stift eine gestufte Form der Gestalt aufweisen, dass entgegen der Einpress-Richtung betrachtet die Außendurchmesser der Einpress-Abschnitte entlang der Längsachse immer größer werden. Der Einpress-Stift kann so in einem Längsschnitt entlang seiner Längsachse betrachtet eine treppenartige Gestalt aufweisen. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine erste Einpressverbindung zwischen dem ersten Einpress-Abschnitt und der ersten Kontaktierungsöffnung der Leiterplatte eine erste Mindestauspresskraft aufweist und eine zweite Einpressverbindung zwischen dem zweiten Einpress-Abschnitten der zweiten Kontaktierungsöffnung der weiteren Leiterplatte eine zweite Mindesteinpresskraft aufweist, wobei die erste Mindestauspresskraft um wenigstens 5 % größer ist, insbesondere um wenigstens 15 % größer ist oder um wenigstens 25% größer ist, als die zweite Mindesteinpresskraft. Durch diese
Weiterbildung wird vorteilhaft bewirkt, dass die elektrische Kontaktierung der Leiterplatten untereinander zuverlässig und sicher durch den Einpress-Stift bewirkt werden kann. Wird bei einem schrittweisen Fügen des Einpress Stiftes mit der Leiterplatte und der weiteren Leiterplatte, z.B. zunächst der erste Einpress-Abschnitt mit der ersten
Kontaktierungsöffnung der Leiterplatte verpresst und anschließend der zweite Einpress- Abschnitt mit der zweiten Kontaktierungsöffnung der weiteren Leiterplatte verpresst, so wird durch die Weiterbildung vorteilhaft bewirkt, dass beim Einpressen des Verbundes aus Kontaktstiften und Leiterplatte in die Kontaktierungsöffnung der weiteren Leiterplatte die dazu erforderliche zweite Mindesteinpresskraft nicht den Einpress-Stift mit seinem ersten Einpress-Abschnitt aus der ersten Kontaktierungsöffnung der Leiterplatte wieder hinaus presst, da die zweite Mindesteinpresskraft geringer ist als die erste
Mindestauspresskraft. Die Vorrichtungen und Methoden zur Erfassung bzw. Bestimmung der Mindesteinpresskraft bzw. Mindestauspresskraft sind beschrieben in der weiter oben zitierten DIN 60352-5. Es sei angemerkt, dass im Kontext dieser Anmeldung eine erste Mindesteinpresskraft für die mindestens erforderliche Kraft zum Herstellen der ersten Einpressverbindung und eine zweite Mindestauspresskraft die mindestens erforderliche Kraft für das Lösen bzw. Auspressen der zweiten Einpressverbindung bezeichnet. Dadurch, dass der erste Einpress-Abschnitt und/oder der zweiter Einpress-Abschnitt derart als ein Federabschnitt ausgebildet ist, dass die Federwirkung im Wesentlichen quer zu Einpress Richtung wirkt, wird vorteilhaft bewirkt, dass der Einpress-Stift einerseits besonders einfach und mit wenig Kraftaufwand in die erste bzw. zweite
Kontaktierungsöffnung eingepresst werden kann und dass andererseits zwischen
Einpress-Abschnitt und Kontaktierungsöffnung eine besonders gute kraft- und/oder formschlüssige Verbindung entsteht. Die als Federabschnitt ausgebildeten Einpress- Abschnitte können auch als flexible Fügezonen bezeichnet werden. In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Leiterplatte entlang der Einpress-Richtung eine Dicke auf und die weitere Leiterplatte entlang der Einpress Richtung eine weitere Dicke. Dabei erstreckt sich der erste Einpress-Abschnitt über wenigstens 70 % der Dicke der Leiterplatte entlang der Längsachse des Einpress-Stiftes, wobei der
Außendurchmesser des ersten Einpress-Abschnitts über eine Längenerstreckung von wenigstens 25 % der Dicke konstant ist. Dabei erstreckt sich außerdem der zweite Einpress-Abschnitt über wenigstens 70 % der weiteren Dicke der weiteren Leiterplatte entlang der Längsachse des Einpress-Stiftes, wobei der zweite Außendurchmesser des zweiten Einpress-Abschnitts über eine Längserstreckung von wenigstens 25 % der weiteren Dicke konstant ist. Durch diese Weiterbildung wird vorteilhaft bewirkt, dass die Einpresskontaktierung zwischen dem ersten Einpress-Abschnitt und der ersten
Kontaktierungsöffnung bzw. zwischen dem zweiten Einpress-Abschnitt und der zweiten Kontaktierungsöffnung besonders stabil und dauerhaft zuverlässig ist. Zudem weist die elektrische Verbindungsanordnung in einer derartigen Weiterbildung eine besonders hohe Stromtragfähigkeit auf, da in dieser Weiterbildung eine große Kontaktfläche zwischen dem Einpress-Stift und den Kontaktierungsöffnungen sichergestellt ist.
Die erste Kontaktierungsöffnung und/oder die zweite Kontaktierungsöffnung können jeweils eine dem Innern der Kontaktierungsöffnung zugewandte metallisierte
Innenwandung aufweisen.
Die Metallisierung der Innenwandung kann an jeder Stelle wenigstens 20 μηι Kupfer aufweisen und/oder eine Zinnbeschichtung aufweisen. Die Metallisierung der
Innenwandung kann an jeder Stelle auch aus einem anderen Metall, beispielsweise aus Aluminium oder einem Edelmetall wie z.B. Silber oder Gold oder aus eier Metalllegierung bestehen. Vorteilhaft wird durch die elektrische Verbindungsanordnung bewirkt, dass durch das Einpressen der Einpress-Stifte nur geringe Anforderungen beispielsweise an die Oberflächengüte, Materialreinheit oder andere Parameter der Innenwandung der Kontaktierungsöffnungen bzw. an eine Außenwandung der Einpress-Stifte gestellt werden müssen, wodurch die Fertigung besonders kostengünstig darstellbar ist.
Die erste Einpressverbindung aus dem ersten Einpress-Abschnitt und der ersten
Kontaktierungsöffnung und/oder die zweite Einpressverbindung aus dem zweiten
Einpress-Abschnitt und der zweiten Kontaktierungsöffnung können durch Kraftschluss und/oder durch Formschluss und/oder durch Stoffschluss hergestellt sein. Vorteilhaft entsteht auf diese Weise eine hochfeste mechanische und elektrische Verbindung mittels Kaltverschweißung. Ein Stoffschluss kann dabei durch die Bildung einer intermetallischen Phase zwischen einer Metallisierung der Kontaktierungsöffnung und einer metallischen Beschichtung bzw. dem metallischen Material des mit der Kontaktierungsöffnung verpressten Einpress-Abschnitts geschaffen sein. Durch Ultraschalleinwirkung beim Einpressvorgang und/oder durch Temperatureinwirkung (z.B. Tempern bei wenigstens 50°C oder bei wenigstens 80°C) kann die Bildung der intermetallischen Phase, die die stoffschlüssige Verbindung bewirkt beschleunigt, hergestellt werden bzw. ihre räumliche Ausdehnung vergrößert werden.
Der Einpress-Stift kann ein freies Ende aufweisen, welches als Spitze ausgeführt ist. Der Einpress-Stift kann mit dem freien Ende beispielsweise in einen elektrisch leitfähigen Kunststoff eingepresst werden, um auf diese Weise beispielsweise in einfacher Art und Weise eine Erdung oder einen Potenzialausgleich herzustellen.
Die elektrische Verbindung kann Leiterplatten untereinander verbinden, welche in
Leistungs- und Logikmodulen zur Anwendung kommen. So können Leistungsmodule untereinander verbunden werden oder Logikmodule untereinander verbunden werden oder eine Kombination aus Leistungs- und Logikmodulen.
In der elektrischen Verbindungsanordnung können klassische Ramm-Kontakte bzw. Ramm-Einpress-Stifte, die besonders kostengünstig hergestellt werden können oder auch flexible Kontakte bzw. flexible Einpress-Stifte, welche besonders zuverlässig sind, als Einpress-Stift zur Anwendung kommen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindungsanordnung für die elektrische Verbindung von Leiterplatten untereinander mittels lötfreier Einpresskontaktierung vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
■ Bereitstellung einer Leiterplatte mit wenigstens einer elektrische Leiterbahn, wobei die Leiterplatte wenigstens eine durch die Leiterplatte hindurchgeführte erste Kontaktierungsöffnung aufweist, wobei die wenigstens eine erste
Kontaktierungsöffnung einen ersten Innendurchmesser aufweist,
■ Bereitstellen wenigstens einer weiteren Leiterplatte mit wenigstens einer
elektrische Leiterbahn, wobei die wenigstens eine weitere Leiterplatte wenigstens eine durch die wenigstens eine weitere Leiterplatte hindurchgeführte zweite Kontaktierungsöffnung aufweist, wobei die wenigstens eine zweite
Kontaktierungsöffnung einen zweiten Innendurchmesser aufweist,
■ Bereitstellen von wenigstens einem Einpress-Stift mit einer sich entlang einer Einpress-Richtung erstreckenden Längsachse, wobei der wenigstens eine Einpress-Stift entlang seiner Längsachse einen ersten Einpress-Abschnitt mit einem ersten Außendurchmesser und einen zweiten Einpress-Abschnitt mit einem zweiten Außendurchmesser aufweist,
■ Elektrisches Verbinden der Leiterplatte mit der weiteren Leiterplatte mittels des wenigstens einen Einpress-Stiftes, wobei der wenigstens eine Einpress-Stift mit seinem zweiten Einpress-Abschnitt in der zweiten Kontaktierungsöffnung der weiteren Leiterplatte eingepresst wird und durch das Einpressen der weiteren Leiterplatte elektrisch und mechanisch verbunden wird.
Dabei ist der erste Innendurchmesser größer als der zweite Innendurchmesser und der erste Außendurchmesser des ersten Einpress-Abschnitts ist größer als der zweite
Außendurchmesser des zweiten Einpress-Abschnitts.
Gegenüber dem Stand der Technik weist dieses Verfahren den Vorteil auf, dass sich dadurch auf einfache, sichere und zuverlässige Weise mit wenig Kraftaufwand und mit geringen Kosten mehrere Leiterplatten untereinander durch den wenigstens einen Einpress-Stift elektrisch und mechanisch miteinander verbinden lassen.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird zunächst der erste Einpress-Abschnitt des Einpress-Stifts in die erste Kontaktierungsöffnung der Leiterplatte eingepresst und in einem separaten weiteren Schritt der zweite Einpress-Abschnitt des Einpress-Stifts in die zweite Kontaktierungsöffnung der weiteren Leiterplatte eingepresst. Durch diese
Weiterbildung wird vorteilhaft bewirkt, dass der Einpress-Stift in dem ersten
Verfahrensschritt nahezu kraftlos mit seinem zweiten Einpress-Abschnitt durch die erste Kontaktierungsöffnung hindurchgeführt und mit seinem ersten Einpress-Abschnitt kraft- und formschlüssig mit der ersten Kontaktierungsöffnung gepresst werden kann. Der Verbund aus dem wenigstens einen Einpress-Stift und der Leiterplatte kann dann modular weiter verwendet werden, beispielsweise durch eine Bestückung der Leiterplatte mit passiven oder integrierten elektrischen oder elektronischen Bauteilen (zum Beispiel Widerstände, Spulen, Kondensatoren, ASICs) oder durch den Weitertransport an eine andere Montagestation. Erst nach Abschluss all dieser Zwischenschritte kann dann die weitere Leiterplatte mit ihrer zweiten Kontaktierungsöffnung mit dem zweiten Einpress- Abschnitt des wenigstens einen Einpress-Stifts verbunden werden. Auf diese Weise wird der Aufbau-und Verbindungsprozess bei gleicher oder verbesserter Verbindungsqualität erheblich flexibilisiert. Auch die Verbindung von mehr als zwei Leiterplatten untereinander durch den schrittweisen Aufbau von Leiterplatten-Einpress-Stift-Verbünden ist mit diesem Verfahren in einfacher und zuverlässiger Weise möglich.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, in einem ersten Schritt die
Leiterplatte und die weitere Leiterplatte derart zueinander anzuordnen und zu fixieren, dass die erste Kontaktierungsöffnung und die zweite Kontaktierungsöffnung entlang der Einpress-Richtung koaxial zueinander angeordnet sind. In einem zweiten Schritt wird der Einpress-Stift mit seinem zweiten Einpress-Abschnitt durch die erste
Kontaktierungsöffnung hindurch gesteckt. In einem dritten Schritt werden gleichzeitig der erste Einpress-Abschnitt in die erste Kontaktieröffnung und der zweite Einpress-Abschnitt in die zweite Kontaktieröffnung eingepresst. Durch diese Weiterbildung wird vorteilhaft bewirkt, dass die Verbindung der Leiterplatten untereinander in einem einzigen
Arbeitsschritt schnell und zuverlässig bewirkt werden kann, ohne allzu große Kräfte aufbringen zu müssen bzw. ohne die erste Kontaktierungsöffnung zu beschädigen (z.B. durch Abrieb oder eine Weitung, falls das Hindurchstecken nur als ein Durchpressen möglich wäre). Insbesondere ergeben sich durch dieses Verfahren erheblich Zeitvorteil gegenüber einer Lötprozess oder einem Bondprozess. Da das Hindurchstecken des zweiten Einpress-Abschnitts durch die erste Kontaktieröffnung nahezu kraftfrei und beschädigungsfrei erfolgt ist der Prozess besonders zuverlässig und schnell
durchzuführen. Auf dieselbe Weise ist es selbstverständlich möglich, mehr als zwei Leiterplatten untereinander mittels eines Einpress-Stifts zu verbinden.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass für das Lösen einer ersten
Einpressverbindung zwischen dem ersten Einpress-Abschnitt und einer ersten
Kontaktierungsöffnung der Leiterplatte mittels eines Auspressvorgangs eine erste Mindestauspresskraft erforderlich ist und dass für die Herstellung einer zweiten
Einpressverbindung zwischen einem zweiten Einpress-Abschnitt einer zweiten
Kontaktierungsöffnung der weiteren Leiterplatte mittels eines Einpressvorgangs eine zweite Mindesteinpresskraft erforderlich ist, wobei die erste Mindestauspresskraft um wenigstens 5 % größer ist, insbesondere um mindestens 15 % größer ist, als die zweite Mindesteinpresskraft. Durch diese Weiterbildung wird vorteilhaft bewirkt, dass beim Fügen bzw. Herstellen der zweiten Einpress-Verbindung nicht unbeabsichtigt die erste Einpress- Verbindung gelöst bzw. zerstört bzw. in ihrer mechanischen und/oder elektrischen Qualität beeinträchtigt wird. Das Verfahren kann selbstverständlich auch derart gewählt werden, dass die erste Mindestauspresskraft um wenigstens 25 % oder wenigstens 35 % größer ist als die zweite Mindesteinpresskraft. Dadurch ergeben sich besonders günstige Herstellungsbedingungen.
Die Verfahren zur Herstellung einer lötfreien elektrischen Einpresskontaktierung können durch Ultraschall unterstützt werden oder einfach durch Kraftbeaufschlagung auf den Einpress-Stift mittels eines Stempels durchgeführt werden. Das Einpressen des wenigstens einen Einpress-Stifts kann durch eine flexible
Prozesssteuerung des Einpressvorgangs gezielt mit Ultraschall unterstützt werden, wobei mittels einer in-situ Verfahrensüberwachung der Ultraschall-Leistung, des Einpresswegs und der Einpresskraft eine genaue Prozessüberwachung und eine in-situ
Qualitätskontrolle möglich ist.
Das Verfahren ermöglicht eine einfache und zuverlässige Prozessentwicklung mittels einer Messung der Mindestauspresskraft, auch wenn mehrere Leiterplatten untereinander elektrisch und mechanisch kontaktiert werden.
Das Verfahren erlaubt die Anordnung der Verbindungsträger bzw. Leiterplatten übereinander, wobei die Kontaktierungsöffnungen der jeweiligen Leiterplatten koaxial zueinander ausgerichtet sein können oder in einem vorbestimmten Winkel bezüglich einer Normalen auf die Ebene der Leiterplatten zueinander versetzt sein können,
beispielsweise um bis zu 45°.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Einpress-Stift zur Verwendung in einer elektrischen Verbindungsanordnung vorgesehen. Der Einpress-Stift weist eine sich entlang einer Einpress-Richtung erstreckenden Längsachse auf, wobei der Einpress-Stift entlang seiner Längsachse einen ersten Einpress-Abschnitt mit einem ersten
Außendurchmesser und einem zweiten Einpress-Abschnitt mit einem zweiten
Außendurchmesser aufweist, wobei der erste Außendurchmesser des ersten Einpress- Abschnitts größer ist, insbesondere um wenigstens 5 % oder wenigstens 15 % größer ist, als der zweite Außendurchmesser des zweiten Einpress-Abschnitts. Gegenüber dem Stand der Technik weist ein derartiger Einpress-Stift besondere Vorteile beim
mechanischen und elektrischen Verbinden von zwei oder mehr Leiterplatten auf, da er mit seinem zweiten Einpress-Abschnitt nahezu kraftfrei durch eine erste
Kontaktierungsöffnung einer Leiterplatte hindurch geschoben werden kann, bevor er unter Aufbringung einer zweiten Mindesteinpresskraft in eine zweite Kontaktieröffnung einer weiteren Leiterplatte eingepresst werden kann.
Der wenigstens eine Einpress Stift kann in einem Querschnitt quer zu seiner Längsachse einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweisen. Er kann jedoch auch einen anderen Querschnitt, beispielsweise einen elliptischen, dreieckigen, viereckigen, fünfeckigen oder sechseckigen oder allgemein vieleckigen Querschnitt aufweisen.
Allgemein können unterschiedlichen Einpress-Abschnitte untereinander unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, beispielsweise der erste Einpress-Abschnitt einen runden Querschnitt und der zweite Einpress-Abschnitt einen rechteckigen Querschnitt. Auf diese Weise lässt sich vorteilhaft mittels des Schlüssel-Schloss-Prinzips z.B. eine haptische Rückmeldung darüber erzielen, ob die verschiedenen miteinander zu verbindenden Leiterplatten in der richtigen Reihenfolge hintereinander angeordnet sind, insbesondere, wenn die den verschiedenen Leiterplatten zugeordneten Kontaktierungsöffnungen jeweils zu dem Einpress-Abschnitt korrespondierende Querschnitte aufweisen, also z.B. die erste Kontaktierungsöffnung im Wesentlichen rund und die zweite Kontaktierungsöffnung rechteckig ausgebildet ist. Alternativ kann dadurch sogar das Verbinden der Leiterplatten ganz unterbunden werden, falls sie in einer falschen Abfolge zueinander angeordnet sind. Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische
Verbindungsanordnung;
Fig. 2a einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Einpress-Stift gemäß einer ersten Ausführungsform; Fig. 2b einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Einpress-Stift gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Figs. 3a und 3b die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Verbindungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform;
Figs. 4a bis 4c Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Verbindungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu
wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Verbindungsanordnung 100 in einem Querschnitt. Die elektrische Verbindungsanordnung 100 weist eine Leiterplatte 200 mit mehreren Leiterbahnen 270 auf, welche sich im Innern der Leiterplatte 200 befinden. Die Leiterbahnen können sich jedoch ebenso gut auf der Oberfläche der Leiterplatte 200 befinden. Auf der Leiterplatte 200 oder in die Leiterplatte 200 eingebettet können auch elektrische und/oder elektronische Bauelemente wie zum Beispiel Kondensatoren, Widerstände oder integrierte Schaltkreise elektrisch und mechanisch befestigt sein. Die Leiterplatte kann hierbei als FR4- Leiterplatte oder besser oder als flexible Leiterplatte ausgebildet sein. Die Leiterplatte 200 erstreckt sich in einer Ebene senkrecht zur
Zeichnungsebene. Die Leiterplatte 200 weist senkrecht zu ihrer Erstreckungsebene eine Dicke d1 auf, die beispielsweise 1 ,6 mm beträgt. Die Dicke d1 kann jedoch in einem Bereich zwischen 0,5 mm und 3 mm variieren und beispielsweise 0,6mm, 1 ,0mm oder 1 ,2mm betragen: Auch sind Dicken bis zu 5 mm möglich. Die Leiterplatte 200 weist erste Kontaktierungsöffnungen 210 auf, welche die Leiterplatte 200 vollständig kanalartig durchgreifen. Die ersten Kontaktierungsöffnungen 210 weisen im dargestellten
Ausführungsbeispiel eine metallisierte Innenwandung 212, vorzugsweise eine vollständig metallisierte Innenwandung 212 auf. Die ersten Kontaktierungsöffnungen 210 weisen einen ersten Innendurchmesser ID1 auf. Die ersten Kontaktierungsöffnungen 210 können im Querschnitt quer zur Erstreckungsebene der Leiterplatte 200 im Wesentlichen kreisrund, elliptisch oder dreieckig oder rechteckig oder allgemein vieleckigen ausgebildet sein.
Die elektrische Verbindungsanordnung 100 weist weiterhin eine weitere Leiterplatte 220 auf. Die weitere Leiterplatte 220 ist in der dargestellten Abbildung unterhalb der
Leiterplatte 200 angeordnet. Die weitere Leiterplatte 220 weist ebenfalls wenigstens eine Leiterbahn 270 auf. Die weitere Leiterplatte weist quer zu ihrer in die Bildebene hinein weisende Erstreckungsebene eine weitere Dicke d2 auf sowie wenigstens eine zweite Kontaktierungsöffnung 230, welche die weitere Leiterplatte 220 vollständig kanalartig durchgreift. Die zweiten Kontaktierungsöffnungen 230 weisen im dargestellten
Ausführungsbeispiel eine metallisierte Innenwandung 232, vorzugsweise eine vollständig metallisierte Innenwandung 232 auf. Die Metallisierung kann dabei wie bei der Leiterplatte 200 beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, verzinntem Kupfer, Gold oder Silber oder einem anderen Metall bestehen.
Der erste Innendurchmesser ID1 der ersten Kontaktierungsöffnung 210 der Leiterplatte 200 ist dabei größer gewählt als der zweite Innendurchmesser ID2 der zweiten
Kontaktierungsöffnung 230 der weiteren Leiterplatte 220. In der Figur ist außerdem ein Einpress-Stift 300 dargestellt. Der Einpress-Stift 300 weist eine längliche Gestalt entlang einer Längsachse 350 auf. Der Einpress-Stift 300 weist entlang seiner Längsachse 350 betrachtet (in der Figur von oben nach unten betrachtet) zunächst ein Anpress-Ende 302 auf, von dem quer zur Längsachse 350 ein
Kontaktieröffnung-Anschlag 304 abragt. Anschließend folgt ein erster Einpress-Abschnitt 310 mit einem ersten Außendurchmesser D1 . In Längsrichtung betrachtet weiter unten verjüngt sich der Außendurchmesser des Einpress-Stifts 300 konisch und geht in einen zweiten Einpress-Abschnitt 320 mit einem zweiten Außendurchmesser D2 über. Am unteren Ende des Einpress-Stifts verjüngt sich der Einpress-Stift 300 an seinem freien Ende zu einer Spitze 306. Aus der Figur ist deutlich zu erkennen, dass der erste
Außendurchmesser D1 größer ist als der zweite Durchmesser D2. Die
Außendurchmesser der Einpress-Abschnitte sind dabei über eine Längenerstreckung, die wenigstens ca. 25% der Dicke d1 der Leiterplatte 200 bzw. der weiteren Dicke d2 der weiteren Leiterplatte 220 entspricht, im Wesentlichen konstant.
Der erste Außendurchmesser D1 ist beispielsweise geringfügig größer gewählt als der erste Innendurchmesser ID1 der ersten Kontaktierungsöffnung 210 der Leiterplatte 200. Der zweite Außendurchmesser D2 ist beispielsweise geringfügig größer gewählt als der zweite Innendurchmesser ID2 der zweiten Kontaktierungsöffnung 230 der weiteren
Leiterplatte 220. Gleichzeitig ist der zweite Außendurchmesser D2 vorteilhaft kleiner als der erste Innendurchmesser ID1 der ersten Kontaktierungsöffnung 210 der Leiterplatte 200. Der erste Außendurchmesser D1 oder der zweite Außendurchmesser D2 kann dabei in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 2,0mm liegen und beispielsweise 0,4mm oder 0,6mm oder 0,8mm oder 1 ,0mm betragen, es sind jedoch auch Werte wie 1 ,6mm oder 1 ,8mm oder 2,0mm möglich. Über den Außendurchmesser bestimmt sich mittelbar auch die effektive Kontaktierfläche zwischen Einpress-Stift 300 und Kontaktieröffnung 210, 230 und damit die Stromtragfähigkeit. Der Unterschied zwischen dem ersten
Außendurchmesser D1 und dem ersten Innendurchmesser ID1 bzw. zwischen dem zweiten Außendurchmesser und dem zweiten Innendurchmesser kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,01 mm und 0,1 mm liegen. Er kann jedoch auch, je nach Duktilität des Einpress-Stifts 300 und der Innenwandung 212, 232 Kontaktieröffnungen 210, 230 auch bis zu 0,3mm betragen. Die elektrische Verbindungsanordnung 100 wird dadurch geschaffen, dass der Einpress- Stift 300 entlang einer Einpress-Richtung 280, welche sich im Wesentlichen parallel zu seiner Längsachse 350 erstreckt, mit seinem zweiten Einpress-Abschnitt 320 in eine zweite Kontaktierungsöffnung 230 der weiteren Leiterplatte 220 kraft- und/oder formschlüssig eingepresst ist und mit seinem ersten Einpress-Abschnitt 310 in eine erste Kontaktierungsöffnung 210 der Leiterplatte 200 eingepresst ist. Auf diese Weise ist die Leiterplatte 200 mittels des Einpress-Stifts 300 mit der weiteren Leiterplatte 220 elektrisch und mechanisch verbunden. Der Kontaktieröffnung-Anschlag 304 des Einpress-Stifts dient dazu, dass beim Einpressvorgang der Einpress-Stift 300 nicht zu weit in die
Leiterplatte 200 bzw. in die weitere Leiterplatte 220 eingepresst wird.
Zum Einpressen des Einpress-Stifts 300 mit seinem ersten Einpress-Abschnitt 310 in die erste Kontaktierungsöffnung 210 der Leiterplatte 200 ist eine erste Mindesteinpresskraft F1 |N erforderlich. Zum Einpressen des zweiten Einpress-Abschnitts 320 in die zweite Kontaktierungsöffnung ist eine zweite Mindesteinpresskraft F2,N erforderlich. Zum
Entfernen bzw. Lösen des Einpress-Stifts 300 aus der ersten Kontaktierungsöffnung 210 ist eine erste Mindestauspresskraft F1 0UT erforderlich. Zum Entfernen bzw. Lösen des Einpress-Stifts 300 aus der zweiten Kontaktierungsöffnung 230 ist eine zweite
Mindestauspresskraft F20UT erforderlich. Die geometrische Auslegung der ersten
Kontaktierungsöffnung 210, der zweiten Kontaktierungsöffnung 230, des ersten Einpress- Abschnitts 310 und des zweiten Einpress-Abschnitts 320 sind dabei so gewählt, dass die erste Mindestauspresskraft F1 0UT um wenigstens 5 % oder um wenigstens 10 %, bevorzugt um wenigstens 15% und ganz besonders bevorzugt um wenigstens 25 % größer ist als die zweite Mindesteinpresskraft F2,N .
Wird der Einpress-Stift 300 mit den Kontaktierungsöffnungen 210, 230 verpresst, so geht eine Außenwandung 308 des Einpress-Stifts 308 einen mechanischen und elektrischen Kontakt mit den Innenwandungen 212, 232 der Kontaktierungsöffnungen 210, 230 ein.
Fig. 2a zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Einpress-Stiftes 300. Der Einpress- Stift 300 weist hierbei in der Figur unterhalb des Kontaktieröffnung-Anschlags 304 den ersten Einpress-Abschnitt 310 und den zweiten Einpress Abschnitt 320 auf. Der erste Einpress-Abschnitt 310 weist eine erste Länge d1 1 entlang der Längsachse 350 auf und der zweite Einpress-Abschnitt 320 weist eine zweite Länge d22 entlang der Längsachse auf. Bevorzugt ist der erste Außendurchmesser D1 entlang der ersten Länge d1 1 im Wesentlichen konstant und der zweite Außendurchmesser D2 entlang der zweiten Länge d22 konstant. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verjüngt sich die Gestalt des
Einpress-Stiftes zwischen dem ersten Einpress-Abschnitt 310 und dem zweiten Einpress- Abschnitt 320 konisch, z.B. in Form einer Einführschräge. In der dargestellten
Ausführungsform kann der Einpress-Stift 300 aus Vollmaterial hergestellt sein, in der Art eines Stabes. Als Material kann hierbei beispielsweise Aluminium, Kupfer, Messing oder ein anderes Metall verwendet werden. Auch die Verwendung von leitfähigem Kunststoff ist möglich. Entscheidend ist, dass eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit gegeben ist.
In einer anderen, hier nicht dargestellten, Ausführungsform des Einpress-Stifts 300 weist der Einpress-Stift 300 weitere Einpress-Abschnitte auf, die aufeinanderfolgend jeweils geringere Außendurchmesser aufweisen. So wäre beispielsweise ein dritter
Außendurchmesser eines dritten Einpress-Abschnitts geringer als der zweite
Außendurchmesser des zweiten Einpress-Abschnitts und ein vierter Außendurchmesser eines vierten Einpress-Abschnitts geringer als der dritte Außendurchmesser.
Fig. 2b zeigt eine weitere Ausführungsform des Einpress-Stiftes, bei dem der erste Einpress-Abschnitt 310 und der zweite Einpress-Abschnitt 320 als Federabschnitte 360 ausgebildet sind. Dabei weist ein Federabschnitt 360 eine sich entlang der Längsachse 350 erstreckende Lamelle 362 mit einer dem Innern des Einpress-Stiftes 300
zugewandten Innenfläche 372 auf sowie wenigstens eine sich entlang der Längsachse 350 erstreckende weitere Lamelle 364 mit einer dem Innern des Einpress-Stiftes 300 zugewandten weiteren Innenfläche 374. Dabei sind im nicht eingepressten Zustand des Einpress-Stiftes 300 die Innenfläche 372 der Lamelle 362 und die wenigstens eine weitere Innenfläche 374 der wenigstens einen weiteren Lamelle 364 quer zur Längsachse zumindest abschnittsweise voneinander beabstandet. Der Federabschnitt 360 kann auch mehr als zwei Lamellen 362,364 aufweisen, beispielsweise drei Lamellen oder vier Lamellen, um auf diese Weise im Querschnitt z.B. eine ungefähr kreisförmige Gestalt aufzuweisen. In der dargestellten Abbildung sind die dem ersten Einpress-Abschnitt 310 zugeordneten Lamellen mit den Bezugszeichen 362a und 364a gekennzeichnet und die dem zweiten Einpress-Abschnitt 320 zugeordneten Lamellen mit den Bezugszeichen
362b und 364b. Beim Einpressvorgang werden die Lamellen 362,364 der Federabschnitte 360 gegeneinander gedrückt und Verspannen sich auf diese Weise aufgrund ihrer nach außen wirkenden Elastizität in ihrer jeweiligen Kontaktieröffnung. Auch in dieser
Ausführungsform ist der zweite Außendurchmesser D2 des zweiten Einpress-Abschnitts 320 geringer als der erste Außendurchmesser D1 des ersten Einpress-Abschnitts 310, wobei der Außendurchmesser jeweils im Bereich des Federabschnitts 360 quer zur Längsachse 350 bestimmt wird.
In den Figs. 3a und 3b ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen
Verbindungsanordnung nach einer ersten Ausführungsform dargestellt. In dieser
Ausführungsform des Verfahrens werden zunächst die Leiterplatte 200 und die weitere Leiterplatte 220 entlang der Einpress-Richtung 280 im richtigen Abstand zueinander übereinander angeordnet. Die Leiterplatte 200 und die weitere Leiterplatte 220 werden auch quer zur Einpress-Richtung 280 derart zueinander positioniert, dass die erste Kontaktierungsöffnung 210 und die zweite Kontaktierungsöffnung 230 koaxial zueinander ausgerichtet sind. Wenn die Leiterplatte 200 und die weitere Leiterplatte 220 relativ zueinander in allen drei Raumrichtungen richtig positioniert sind werden die Leiterplatte 200 die weitere Leiterplatte 220 fixiert. Anschließend wird ein Einpress-Stift 300 mit seinem zweiten Einpress-Abschnitt 320 durch die erste Kontaktieröffnung 210 nahezu kraftfrei hindurchgeführt, bis der Einpress-Stift 300 mit seiner Spitze 306 die zweite Kontaktierungsöffnung 230 der weiteren Leiterplatte 220 erreicht. Dann wird der Einpress- Stift 300 unter Aufbringung einer Einpresskraft gleichzeitig in die erste Kontaktieröffnung 210 der Leiterplatte 200 und die zweite Kontaktieröffnung 230 der weiteren Leiterplatte 220 eingepresst. Dabei geht der zweite Einpress-Abschnitt 320 eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung mit der zweiten Kontaktieröffnung 230 ein, wobei sich die Länge der Verbindung entlang der Einpress-Richtung 280 über wenigstens 25%, vorzugsweise über wenigstens 50 % der weiteren Dicke der weiteren Leiterplatte 220 erstrecken kann. Gleichzeitig geht der erste Einpress-Abschnitt 310 eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung mit der ersten Kontaktieröffnung 210 der Leiterplatte 200 ein, wobei die Verbindung entlang der Einpress-Richtung 280 über wenigstens 25%, vorzugsweise über wenigstens 50% der Dicke d1 der Leiterplatte 200 ausgebildet sein kann. Durch die optionale Anwendung von Ultraschall (US) beim Einpressvorgang, dargestellt durch die in Klammern gesetzte Bezeichnung„+US" und einen in Einpress- Richtung 280 zeigenden gezackten Pfeil, wird der Einpressvorgang erleichtert und die Ausbildung einer intermetallischen Phase, d.h. einer stoffschlüssigen Verbindung, zwischen dem Einpress-Stift 300 und der Innenwandung der jeweiligen Kontaktieröffnung 210, 230 als Folge einer Reibverschweißung begünstigt. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens werden also alle beteiligten Leiterplatten 200, 220 nahezu gleichzeitig mit dem Einpress-Stift 300 kontaktiert. Es ist selbstverständlich möglich, dass mit diesem
Verfahren auch mehr als zwei Leiterplatten durch einen Einpress-Stift 300 kontaktiert werden können oder dass zwei oder mehr Leiterplatten gleichzeitig oder nacheinander durch mehrere Einpress Stifte untereinander kontaktiert werden. Beispielsweise können zwei, drei, vier, fünf, sechs oder auch mehr, z.B. mehr als 20 Einpress-Stifte 300 in eine entsprechende Anzahl von Kontaktierungsöffnungen in der Leiterplatte 200 und der weiteren Leiterplatte 220 gleichzeitig oder nacheinander verpresst werden.
In den Figs. 4a bis 4c wird eine weitere Ausführungsform des Verfahrens dargestellt. In dieser Ausführungsform des Verfahrens wird in einem ersten Schritt zunächst der erste Einpress-Abschnitt 310 des Einpress-Stifts 300 in die erste Kontaktierungsöffnung 210 der Leiterplatte 200 eingepresst, optional unter Zuhilfenahme von Ultraschalleinwirkung. Auf diese Weise wird ein Verbund bzw. ein Modul aus der Leiterplatte 200 und dem Einpress-Stift 300 geschaffen. Dieser Verbund bzw. dieses Modul ist als solches transportierbar bzw. verbaubar. Auch können bereits an diesem Modul elektrische und/oder mechanische Qualitätsprüfungen vorgenommen werden. In einem zweiten, separaten Schritt wird dann der Verbund bzw. das Modul gegenüber der weiteren
Leiterplatte in allen drei Raumrichtungen positioniert und der zweite Einpress-Abschnitt 320 des Einpress-Stifts 300 wird in die zweite Kontaktierungsöffnung 230 der weiteren Leiterplatte 220 eingepresst, ebenfalls optional unter Anwendung von Ultraschall. Dieser Ausführungsform des Verfahrens ist selbstverständlich nicht auf die Anwendung mit lediglich zwei Leiterplatten beschränkt. Es können auch hier mehr als zwei beispielsweise drei, vier, fünf oder mehr Leiterplatten miteinander verbunden werden. Dabei kann beispielsweise im zweiten Schritt ein erweiterter Verbund aus dem Einpress-Stift 300, der Leiterplatte 200 und der weiteren Leiterplatte 220 hergestellt werden, wobei dieser Verbund anschließend mit einem - hier nicht dargestellten - dritten Einpress-Abschnitt in eine dritte Kontaktieröffnung einer dritten Leiterplatte eingepresst wird. Anschließend kann ein solcher Verbund aus drei Leiterplatten in eine vierte Leiterplatte eingepresst werden, usw.
Es ist jedoch auch eine Kombination aus der ersten Ausführungsform des Verfahrens und der zweiten Ausführungsform des Verfahrens möglich, wenn mehr als zwei Leiterplatten vorliegen. So kann beispielsweise zunächst gemäß der zweiten Ausführungsform des Verfahrens ein Verbund aus zwei Leiterplatten hergestellt werden, der sich als Verbund auf seine elektrische und mechanische Qualität hin überprüfen lässt. Ein solcher Verbund kann dann gemäß der ersten Ausführungsform des Verfahrens beispielsweise gleichzeitig in zwei weitere oder mehr übereinander angeordnete Leiterplatten eingepresst werden. Bei diesem Verfahren ist lediglich zu beachten, dass beim Einpressvorgang die bereits verpressten Verbindungen nicht gelöst werden. So können z.B. durch eine geeignete konstruktive Auslegung bewirkt werden, dass die Mindestauspresskräfte der bereits hergestellten Einpressverbindungen aus Einpress-Abschnitt und Kontaktieröffnung größer sind als die Mindesteinpresskräfte beim Herstellen der nächsten Verbindung. Auf diese Weise wird eine bereits hergestellte Einpressverbindung beim Herstellen der nächsten Einpressverbindung nicht beschädigt oder gelöst.
Derartige elektrische Verbindungsanordnungen, Verfahren und/oder Einpress-Stifte können Anwendung finden in elektrischen und elektronischen Steuergeräten,
beispielsweise für Kraftfahrzeuge oder auch in Leistung-und Logikmodulen von Rechnern, wie beispielsweise PCs.

Claims

Elektrische Verbindungsanordnung für die elektrische Verbindung von Leiterplatten untereinander mittels lötfreier Einpresskontaktierung, umfassend:
~ eine Leiterplatte (200) mit wenigstens einer elektrischen Leiterbahn (270), wobei die Leiterplatte (200) wenigstens eine durch die Leiterplatte (200)
hindurchgeführte erste Kontaktierungsöffnung (210) aufweist,
wobei die wenigstens eine erste Kontaktierungsöffnung (210) einen ersten
Innendurchmesser (ID1 ) aufweist,
~ wenigstens eine weitere Leiterplatte (220) mit wenigstens einer elektrischen Leiterbahn (270),
wobei die wenigstens eine weitere Leiterplatte (220) wenigstens eine durch die wenigstens eine weitere Leiterplatte (220) hindurchgeführte zweite
Kontaktierungsöffnung (230) aufweist,
wobei die wenigstens eine zweite Kontaktierungsöffnung (230) einen zweiten Innendurchmesser (ID2) aufweist,
~ wenigstens einen Einpress-Stift (300) mit einer sich entlang einer Einpress- Richtung (280) erstreckenden Längsachse (350),
wobei der wenigstens eine Einpress-Stift (300) entlang seiner Längsachse (350) einen ersten Einpress-Abschnitt (310) mit einem ersten Außendurchmesser (D2) und einen zweiten Einpress-Abschnitt (320) mit einem zweiten Außendurchmesser (D2) aufweist,
wobei die Leiterplatte (200) mit der weiteren Leiterplatte (220) durch den wenigstens einen Einpress-Stift (300) elektrisch derart verbunden ist, dass der wenigstens eine Einpress-Stift (300) mit seinem ersten Einpress-Abschnitt (310) in der ersten Kontaktierungsöffnung (210) der Leiterplatte (200) eingepresst und mit der
Leiterplatte (200) elektrisch kontaktiert ist und mit seinem zweiten Einpress- Abschnitt (320) in der zweiten Kontaktierungsöffnung (230) der weiteren Leiterplatte (220) eingepresst und mit der weiteren Leiterplatte (220) elektrisch kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Innendurchmesser (ID1 ) größer ist als der zweite Innendurchmesser (ID2) und dass der erste Außendurchmesser (D1 ) des ersten Einpress-Abschnitts (310) größer ist als der zweite Außendurchmesser (D2) des zweiten Einpress-Abschnitts (320).
2. Elektrische Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Innendurchmesser (ID1 ) um wenigstens 5% größer ist, insbesondere um wenigstens 15% größer ist, als der zweite Innendurchmesser (ID2) und/oder dass der erste Außendurchmesser (D1 ) des ersten Einpress-Abschnitts (310) um wenigstens 5% größer ist, insbesondere um wenigstens 15% größer ist, als der zweite Außendurchmesser (D2) des zweiten Einpress-Abschnitts (320).
Elektrische Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass
am Einpress-Stift (300) entlang seiner Längsachse (350) entgegen der Einpress- Richtung (280) betrachtet zunächst der zweiten Einpress-Abschnitt (320) angeordnet ist und dann der erste Einpress-Abschnitt (310).
Elektrische Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
eine erste Einpressverbindung zwischen dem ersten Einpress-Abschnitt (310) und der ersten Kontaktierungsöffnung (210) der Leiterplatte (200) eine erste
Mindestauspresskraft (F1 0UT) aufweist und
eine zweite Einpressverbindung zwischen dem zweiten Einpress-Abschnitt (320) und der zweiten Kontaktierungsöffnung (230) der weiteren Leiterplatte (220) eine zweite Mindesteinpresskraft (F2,N) aufweist,
wobei die erste Mindestauspresskraft (F1 OUT) um wenigstens 5% größer ist, insbesondere um wenigstens 15% größer ist, als die zweite Mindesteinpresskraft (F2,N).
Elektrische Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Einpress-Abschnitt (310) und/oder der zweite Einpress-Abschnitt (320) derart als ein Federabschnitt (360) ausgebildet ist, dass die Federwirkung im Wesentlichen quer zur Einpressrichtung (280) wirkt.
Elektrische Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Leiterplatte (200) entlang der Einpressrichtung (280) eine Dicke (d1 ) aufweist und
dass die weitere Leiterplatte (220) entlang der Einpressrichtung (280) eine weitere Dicke (d2) aufweist,
wobei sich der erste Einpress-Abschnitt (310) über wenigstens 70% der Dicke (d1 ) der Leiterplatte (200) entlang der Längsachse (350) des Einpress-Stiftes (300) erstreckt und wobei der erste Außendurchmesser (D1 ) des ersten Einpress-Abschnitts (310) über eine Längenerstreckung von wenigstens 25% der Dicke (d1 ) konstant ist, wobei sich der zweite Einpress-Abschnitt (320) über wenigstens 70% der weiteren Dicke (d2) der weiteren Leiterplatte (220) entlang der Längsachse (280) des Einpress-Stiftes (300) erstreckt,
wobei der zweite Außendurchmesser (D2) des zweiten Einpress-Abschnitts (320) über eine Längenerstreckung von wenigstens 25% der weiteren Dicke (d2) konstant ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindungsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für die elektrische Verbindung von Leiterplatten untereinander mittels lötfreier Einpresskontaktierung, umfassend folgende Schritte:
■ Bereitstellen einer Leiterplatte (200) mit wenigstens einer elektrischen
Leiterbahn (270),
wobei die Leiterplatte (200) wenigstens eine durch die Leiterplatte (200) hindurchgeführte erste Kontaktierungsöffnung (210) aufweist,
wobei die wenigstens eine erste Kontaktierungsöffnung (210) einen ersten Innendurchmesser (ID1 ) aufweist,
■ Bereitstellen wenigstens einer weiteren Leiterplatte (220) mit wenigstens einer elektrischen Leiterbahn (270),
wobei die wenigstens eine weitere Leiterplatte (220) wenigstens eine durch die wenigstens eine weitere Leiterplatte (220) hindurchgeführte zweite Kontaktierungsöffnung (230) aufweist,
wobei die wenigstens eine zweite Kontaktierungsöffnung (230) einen zweiten Innendurchmesser (ID2) aufweist,
■ Bereitstellen von wenigstens einem Einpress-Stift (300) mit einer sich entlang einer Einpress-Richtung (280) erstreckenden Längsachse (350),
wobei der wenigstens eine Einpress-Stift (300) entlang seiner Längsachse (350) einen ersten Einpress-Abschnitt (350) mit einem ersten
Außendurchmesser (D1 ) und einen zweiten Einpress-Abschnitt (320) mit einem zweiten Außendurchmesser (D2) aufweist,
■ Elektrisches Verbinden der Leiterplatte (200) mit der weiteren Leiterplatte (220) mittels des wenigstens eines Einpress-Stiftes (300),
wobei der wenigstens eine Einpress-Stift (300) mit seinem ersten Einpress- Abschnitt (310) in der ersten Kontaktierungsöffnung (210) der Leiterplatte (200) eingepresst und durch das Einpressen mit der Leiterplatte (200) elektrisch und mechanisch verbunden wird
und wobei der Einpress-Stift (300) mit seinem zweiten Einpress-Abschnitt (320) in der zweiten Kontaktierungsöffnung (230) der weiteren Leiterplatte (220) eingepresst wird und durch das Einpressen mit der weiteren Leiterplatte (220) elektrisch und mechanisch verbunden wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Innendurchmesser (ID1 ) größer ist als der zweite Innendurchmesser (ID2) und dass der erste Außendurchmesser (D1 ) des ersten Einpress-Abschnitts (310) größer ist als der zweite Außendurchmesser (D2) des zweiten Einpress-Abschnitts (320).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
zunächst der erste Einpress-Abschnitt (310) des Einpress-Stifts (300) in die erste Kontaktierungsöffnung (210) der Leiterplatte (200) eingepresst wird und dass in einem separaten weiteren Schritt der zweite Einpress-Abschnitt (320) des Einpress- Stifts (300) in die zweite Kontaktierungsöffnung (230) der weiteren Leiterplatte (220) eingepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
- in einem ersten Schritt die Leiterplatte (200) und die weitere Leiterplatte (220) derart zueinander angeordnet und fixiert werden, dass die erste Kontaktieröffnung (210) und die zweite Kontaktieröffnung (230) entlang der Einpress-Richtung (280) koaxial zueinander angeordnet sind
- und dass in einem zweiten Schritt der Einpress-Stift (300) mit seinem zweiten Einpress-Abschnitt (320) durch die erste Kontaktieröffnung (210) hindurch gesteckt wird
- und dass in einem dritten Schritt gleichzeitig der erste Einpress-Abschnitt (310) in die erste Kontaktieröffnung (210) eingepresst und der zweite Einpress-Abschnitt (320) in die zweite Kontaktieröffnung (230) eingepresst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für das Lösen einer ersten Einpressverbindung zwischen dem erstem Einpress- Abschnitt (310) und einer ersten Kontaktierungsöffnung (210) der Leiterplatte (200) mittels eines Auspressvorgangs eine erste Mindestauspresskraft (F1 0UT) erforderlich ist und
wobei für die Herstellung einer zweiten Einpressverbindung zwischen einem zweitem Einpress-Abschnitt (320) und einer zweiten Kontaktierungsöffnung (230) der weiteren Leiterplatte (220) mittels eines Einpressvorgangs eine zweite
Mindesteinpresskraft (F2,N) erforderlich ist,
wobei die erste Mindestauspresskraft (F1 QUT) um wenigstens 5% größer ist, insbesondere um wenigstens 15% größer ist, als die zweite Mindesteinpresskraft (F2,N). Einpress-Stift zur Verwendung in einer elektrischen Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der Einpress-Stift (300) eine sich entlang einer Einpress-Richtung (280)
erstreckende Längsachse (350) aufweist,
wobei der Einpress-Stift (300) entlang seiner Längsachse (350) einen ersten Einpress-Abschnitt (310) mit einem ersten Außendurchmesser (D1 ) und einen zweiten Einpress-Abschnitt (320) mit einem zweiten Außendurchmesser (D2) aufweist,
wobei der erste Außendurchmesser (D1 ) des ersten Einpress-Abschnitts (310) größer ist, insbesondere um wenigstens 5% oder um wenigstens 15% größer ist, als der zweite Außendurchmesser (D2) des zweiten Einpress-Abschnitts (320).
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