DE10015046C2 - Schaltungsanordnung mit mindestens zwei Leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit mindestens zwei übereinan­ der angeordneten Leiterplatten, die durch Kontakte miteinander elektrisch ver­ bunden sind, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Beim Entwurf von Schaltungsanordnung müssen häufig Vorgaben des zur Ver­ fügung stehenden Bauraumes berücksichtigt werden, den eine Schaltungsan­ ordnung bzw. ein Gehäuse der Schaltungsanordnung einnehmen kann. Dadurch wird es oft notwendig die Schaltungsanordnung auf mehreren übereinander an­ geordneten Leiterplatten aufzubauen und diese durch Kontakte miteinander zu verbinden. Die Kontakte sind vorzugsweise in Bohrungen in den Leiterplatten angeordnet und beispielsweise durch ein Lötmittel mit Leiterbahnen der Leiter­ platten verbunden. Zwischen den Leiterplatten wird dabei vorteilhaft eine elek­ trisch isolierend wirkende Trägerplatte angeordnet.

Eine derartige Trägerplatte ist aus der gattungsbildenden Druckschrift DE 44 20 527 bekannt, die ein Verbindungssystem zum Kontaktieren von Bauelementen auf Leiterplatten beschreibt. Dabei sind in die Trägerplatte Bohrungen für Pins der Bauelemente und für Kontaktstifte der Leiterplatte ausgebildet, die durch in den Bohrungen angeordneten Doppelfedern miteinander kontaktiert sind. Der Hauptvorteil einer derartig ausgebildeten Trägerplatte besteht in der Trenn­ barkeit der Verbindung zwischen dem Bauelement und der Leiterplatte. Der wesentliche Nachteil dieser Trägerplatte liegt in der Kontaktierung durch die Doppelfedern, die durch mechanische Belastungen, beispielsweise durch Schwingungen während dem Betrieb eines Kraftfahrzeugs, zu Kontaktproblemen führen können.

Aus der DE 196 02 637 C1 ist ein Steuergerät bekannt, bei dem zwischen zwei Leiterplatten eine Kühlplatte angeordnet ist, wobei eine Leiterplatte mit einem Steckerstifte aufweisenden Steckerteil verbunden ist.

Zudem ist aus der DE 42 37 632 A1 bekannt, daß bei einer Schaltungsanord­ nung mit einem auf einer Leiterplatte angeordneten Kühlbauteil Kontaktelemente mittels einer Andrückvorrichtung geführt werden, welche ein elektrisch isolieren­ des Substrat aufweist.

Bei komplexen Schaltungsanordnungen, die zur Kontaktierung eine hohe Anzahl von Kontakten zwischen zwei Leiterplatten benötigen, wird der Aufwand für die genaue Plazierung und Ausrichtung der Kontakte so hoch, daß eine maschinelle Fertigung der Schaltungsanordnung nicht mit der geforderten Zuverlässigkeit durchführt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit minde­ stens zwei übereinander angeordneten Leiterplatten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, durch welche die die Leiterplatten verbindenden Kontakte zuverlässig plaziert werden, so daß eine zuverlässige maschinelle Fer­ tigung durchgeführt werden kann. Zudem soll eine gegenseitige Beeinflussung der auf den zwei Leiterplatten elektronischen Bauelemente vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst, wonach einem Kanal der Trägerplatte genau ein Kontakt zugeordnet ist, und wonach jeweils ein Ende der Kanäle zum Einfädeln der Kontakte ausgebildet ist, wonach das andere Ende der Kanäle zur exakten Positionierung der Kontakte ausgebildet ist. In der Trägerplatte sind Mittel zur elektromagnetischen Abschirmung der Leiterplatten und/oder der elektronischen Bauelemente angeordnet.

Beispielsweise ist diese elektromagnetische Abschirmung als ein mit dem Mas­ seanschluß der Schaltungsanordnung verbundenes, in der Trägerplatte inte­ griertes metallisches Netz ausgebildet.

Von den Kanälen der Trägerplatte ist jeweils genau ein Ende trichterförmig oder konisch ausgebildet, wodurch das einfädeln der Kontrakte beim zusammenset­ zen zweier Leiterplatten vereinfacht wird.

Das nicht trichterförmig oder konisch ausgebildete Ende eines Kanals der Trä­ gerplatte weist exakt den Querschnitt des Kontakts auf, wodurch der Kontakt ex­ akt an der gegenüberliegenden Leiterplatte plaziert ist.

In einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Kontakte als metallische, vor­ zugsweise vergoldete Kontaktstifte ausgebildet sind.

Ebenso können die Kontakte als elektronische Bauelemente ausgebildet sein, beispielsweise Widerstände, Dioden oder Transistoren. Die zur Aufnahme dieser Kontakte vorgesehen Kanäle der Trägerplatte sind entsprechend dem Gehäuse der elektronischen Bauelemente ausgebildet.

Zudem können in der Trägerplatte Mittel zur Kühlung, zur Heizung und/oder zur thermischen Isolation der weiteren elektronischen Bauelemente angeordnet sein. Die Anschlüsse bzw. Kontakte dieser Mittel sind beispielsweise seitlich aus der Trägerplatte herausgeführt.

In einer nächsten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Träger­ platte eine plane Auflage der Leiterplatten bildet, wobei in der Trägerplatte ex­ akte Aussparungen zur Aufnahme der auf den Leiterplatten angeordneten elek­ tronischen Bauelemente ausgebildet sind. Dadurch stellt die Trägerplatte für die Leiterplatten eine plane Auflagefläche dar. Darüber hinaus können in der Trä­ gerplatte weitere Aussparungen eingebracht sein, die der Gewichtsreduzierung dienen.

Zudem ist es vorteilhaft die Trägerplatte derart auszubilden, daß es auf die Schaltungsanordnung einwirkende Kräfte kompensieren kann. Beispielsweise werden die Aussparungen in der Trägerplatte so angeordnet, daß Verstrebungen entstehen. Ebenso können in der Trägerplatte zusätzliche, beispielsweise metal­ lische Streben, angeordnet werden.

Das Verfahren zur Herstellung der Schaltungsanordnung erfolgt in den Verfah­ rensschritten:
Zuerst werden auf zumindest einer ersten Leiterplatte Kontakte angebracht, wo­ bei gegebenenfalls alle Leiterplatten einer Schaltungsanordnung mit Kontakten bestückt werden. Dabei werden beispielsweise in die Leiterplatten im Bereich ei­ ner Leiterbahn Löcher gebohrt, in die jeweils ein Kontakt eingesetzt und mit der Leiterbahn verlötet wird. An den Punkten einer Leiterplatte, an denen Kontakte einer gegenüberliegenden Leiterplatte kontaktiert werden sollen, wird lediglich eine Bohrung eingebracht. Dabei sind die Kanäle der Trägerplatte so ausgebil­ det, daß das trichterförmig ausgebildete Ende jeweils zu der Seite hin ausge­ richtet ist, von der ein Kontakt einer Leiterplatte auf die Trägerplatte aufgesetzt wird.

Danach werden die mit Kontakten bestückten Leiterplatten auf die Trägerplatte aufgesetzt und angedrückt. Dabei werden die Kontakte der Leiterplatten ausge­ richtet. Das dem trichterförmig ausgebildeten Ende gegenüberliegende Ende der Kanäle ist mit besonderer Fertigungsgenauigkeit ausgebildet, wodurch die Kon­ takte exakt an den vorbestimmten Punkten bzw. Bohrungen der gegenüberlie­ genden Leiterplatte positioniert sind.

Anschließend werden gegebenenfalls Leiterplatten ohne Kontakte auf die Trä­ gerplatte bzw. auf die über die Trägerplatte hinausragenden Kontakte einer ge­ genüberliegenden Leiterplatte aufgesetzt. Die Enden der auf einer Leiterplatte befestigten Kontakte enden exakt in den Bohrungen einer gegenüberliegenden Leiterplatte.

Zum Schluß werden die in den Bohrungen einer Leiterplatte endenden Kontakte mit den jeweiligen Leiterbahnen der Leiterplatte beispielsweise durch Löten elektrisch kontaktiert.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bewirkt das zuverlässige Positio­ nieren der elektrischen Kontakte zweier gegenüberliegender Leiterplatten, wo­ durch eine zuverlässige maschinelle Fertigung durchgeführt werden kann.

Im folgenden ist eine Schaltungsanordnung mit zwei übereinander angeordneten Leiterplatten, zwischen denen eine Kanäle aufweisende Trägerplatte angeordnet ist, die der Positionierung der Kontakte dienen, anhand von einem Ausführungs­ beispiel im Zusammenhang mit zwei Figuren dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schnittbild durch eine in einem Gehäuse angeordnete Schal­ tungsanordnung mit zwei übereinander angeordneten Leiterplat­ ten, zwischen denen zur Isolierung eine Kanäle aufweisende Trä­ gerplatte angeordnet ist.

Fig. 2 ein schematische Darstellung der Leiterplatten und der Träger­ platte mit den Kanälen, durch die die Kontakte geführt und ausge­ richtet sind.

In Fig. 1 ist eine in einem Gehäuse 1 angeordnete Schaltungsanordnung dar­ gestellt. Die Schaltungsanordnung bildet beispielsweise das Steuergerät einer elektromagnetischen Ventilsteuerung für eine Brennkraftmaschine, bei der die Gaswechselventile der Brennräume nicht durch eine Nockenwelle sondern durch elektromagnetischen Aktoren betätigt werden. Von dem Steuergerät werden die Zeitpunkte zum Öffnen und Schließen der Gaswechselventile in Abhängigkeit der Kurbelwellendrehzahl und des Kurbelwellendrehwinkels bestimmt.

Für eine kompakte Bauweise des Gehäuses 1 des Steuergerätes und zur Um­ setzung des elektronischen Funktionsumfangs der Schaltungsanordnung sind eine erste Leiterplatte 2 und eine zweite Leiterplatte 3 übereinander angeordnet und durch ca. 250 Kontakte 4.1, 4.3 miteinander elektrisch verbunden. Als Kon­ takte 4.1, 4.3 werden beispielsweise metallische, vorzugsweise vergoldete Kon­ taktstifte 4.1 verwendet, die vorzugsweise auf einer der beiden Leiterplatten 2, 3 in Bohrungen 4.2 befestigt und mit auf der Leiterplatte befindlichen Leiterbahnen kontaktiert sind. Zudem können als Kontakte 4.1, 4.3 mehrpolige elektronische Bauelemente 4.3 verwendet werden, von den jeweils mindestens ein Pol die er­ ste Leiterplatte 2 kontaktiert und mindestens ein weiterer Pol die zweite Leiter­ platte 3 kontaktiert.

Zwischen der ersten Leiterplatte 2 und der zweiten Leiterplatte 3 ist eine vorge­ fertigte Trägerplatte 5 angeordnet, das aus einen elektrisch isolierendem Poly­ mer, beispielsweise Polybutelenterrefftalat, besteht. Die Trägerplatte 5 wird bei­ spielsweise durch einem Spritzgußverfahren hergestellt, bei dem in der Träger­ platte 5 Kanäle 5.1 entstehen, durch welche die Leiterplatten 2, 3 aufgebrachten Kontakte 4.1, 4.3 beim Aufsetzen der Trägerplatte 5 geführt und ausgerichtet werden. Dadurch werden Mängel in der Fertigungsgenauigkeit beim Verbinden der Kontakte 4.1, 4.3 mit den Leiterplatten 2, 3 ausgeglichen, indem die Kanäle 5.1 der Trägerplatte 5 die Kontakte 4.1, 4.3 in ihre exakte Position zwängen. Das problemlose Aufsetzen und Kontaktieren der zweiten, für die ca. 250 Kontakte 4.1, 4.3 Bohrungen 4.2 aufweisenden Leiterplatte 3 auf die Kontakte 4.1, 4.3 der ersten Leiterplatte 2 ist somit gewährleistet. Dabei können vorteilhaft alle benö­ tigten ca. 250 Kontakte 4.1, 4.3 zuerst mit beispielsweise der ersten Leiterplatte 2 kontaktiert sein, oder die Kontakte 4.1, 4.3 können beliebig auf beide Leiter­ platten 2, 3 verteilt sein.

Zum vereinfachten Aufsetzen der Trägerplatte 5 auf die Kontakte 4.1, 4.3 tra­ genden Leiterplatten 2, 3 ist jeweils das einem Kontakt 4.1, 4.3 zugewandte En­ de eines Kanals 5.1 konisch oder trichterförmig ausgebildet.

Die Kanäle 5.1 der Trägerplatte 5 sind entsprechend der Form der Kontakte 4.1, 4.3 ausgebildet. Zur Aufnahme metallischer, vergoldeter Kontaktstifte 4.1 weisen die Kanäle 5.1 den gleichen Querschnitt der Kontaktstifte 4.1 auf, beispielsweise einen runden oder rechteckigen Querschnitt. Zur Aufnahme der mehrpoligen elektronischen Bauelemente 4.3, beispielsweise Widerständen, Dioden oder Transistoren, stellen die Kanäle 5.1 entsprechen den Gehäusen dieser elektroni­ schen Bauelemente 4.3 geformte Hohlräume dar, wobei in der Regel ein Pol des elektronischen Bauelementes 4.3 durch einen kurzen Kanal geführt ist, wodurch die Plazierung dieses Pols gewährleistet ist.

Fig. 2 zeigt, daß die den Leiterplatten 2, 3 zugewandten Seiten der Trägerplatte 5 entsprechend der Oberfläche der Leiterplatten 2, 3 geformt sind. Dazu sind in der Trägerplatte 5 Aussparungen 5.2 ausgeformt, in welche sich die elektroni­ schen Bauteile 6 einfügen, mit denen die Leiterplatten 2, 3 bestückt sind. Durch diese Maßnahme kommt ein großer Teil der Trägerplatte 5 direkt auf den Leiter­ platten 2, 3 oder auf den elektronischen Bauteilen 6 zu Auflage, wodurch die Schaltungsanordnung eine hohe Biegesteifigkeit erhält und hohen einwirkenden Kräften Stand hält. Zudem können in der Trägerplatte 5 weitere Aussparungen ausgebildet sein, die der Gewichtsreduzierung dienen.

Bei der Verwendung elektromagnetisch strahlender Bauteile 6 oder solcher Bauteile 6, die mit einer hohen Frequenz getaktet sind, sind zur Vermeidung von Fehlfunktionen der Schaltungsanordnung in der Trägerplatte 5 Mittel zur elek­ tromagnetischen Abschirmung 7 eingearbeitet. Diese elektromagnetischen Ab­ schirmung 7 kann beispielsweise als engmaschiges metallisches Netz oder als metallische Folie ausgebildet sein, welche die Kanäle 5.1 der Trägerplatte 5 zur Vermeidung von Kurzschlüssen aussparen. Die elektromagnetische Abschir­ mung 7 ist mit einem Masseanschluß der Schaltungsanordnung verbunden und verhindert eine elektromagnetische Beeinflussung einer Leiterplatte 2, 3 durch die gegenüberliegende Leiterplatte 2, 3. Zudem kann die elektromagnetische Abschirmung 7 spezielle Ausformungen aufweisen, welche einen elektronischen Baustein 6 einer Leiterplatte 2, 3 und/oder ein als Kontakt 4.1, 4.3 fungierendes elektronisches Bauelemente 4.3 möglichst eng umschließen.

In der Trägerplatte 5 ist zudem eine Anordnung zur Kühlung 8 elektronischer Bauteile 6 der Schaltungsanordnung, beispielsweise von Leistungstransistoren, integriert. Die Anordnung zur Kühlung 8 kann beispielsweise durch einen in die Trägerplatte 5 eingearbeiteten Kupferring mit Anschlüssen 9 ausgebildet sein, der von Kühlwasser durchspült wird. Die Anschlüsse 9 können vorteilhaft seitlich aus der Trägerplatte 5 herausgeführt werden. Alternativ könnte die Vorrichtung zur Kühlung als Miniaturlüfter ausgebildet sein, die entweder an der Schaltungs­ anordnung angeschlossen sind, oder separat an einer Stromquelle angeschlos­ sen sind.

Gegebenenfalls können in der Trägerplatte 5 auch Mittel zum Erwärmen von Bauteilen der Schaltungsanordnung, beispielsweise temperaturabhängigen Wi­ derständen, angeordnet sein. Die elektrische Kontaktierung 10 eines Heizdrah­ tes können ebenfalls aus der Trägerplatte 5 herausgeführt sein.

Durch die vorgefertigte Trägerplatte 5 werden die auf der ersten Leiterplatte 2 und der zweiten Leiterplatte 3 angebrachten Kontakte 4.1, 4.3 zuverlässig bei den Bohrurnen 4.1 der jeweils gegenüberliegenden Leiterplatte 2, 3 plaziert, wo­ durch eine maschinelle Serienfertigung zuverlässig durchführbar ist.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung mit mindestens zwei übereinander angeordneten Lei­ terplatten (2, 3), die durch Kontakte (4.1, 4.3) miteinander elektrisch verbun­ den sind, wobei zwischen mindestens zwei der Leiterplatten (2, 3) eine Kanäle (5.1) aufweisende Trägerplatte (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß einem Kanal (5.1) der Trägerplatte (5) genau ein Kontakt (4.1, 4.3) zuge­ ordnet ist, und daß jeweils ein Ende der Kanäle (5.1) zum Einfädeln der Kon­ takte (4.1, 4.3) ausgebildet ist, und daß das andere Ende der Kanäle (5.1) zur exakten Positionierung der Kontakte (4.1, 4.3) ausgebildet ist, und daß in der Trägerplatte (5) Mittel zur elektromagnetischen Abschirmung (7) angeordnet sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Kanäle (5.1) zum Einfädeln der Kontakte (4.1, 4.3) trichterförmig oder konisch ausgebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Kanäle (5.1) zum Positionieren der Kontakte (4.1, 4.3) mit dem Querschnitt des zu positionierenden Kontaktes (4.1, 4.3) ausgebildet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontakte (4.1, 4.3) als metallische Kontaktstifte (4.1) aus­ gebildet sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontakte (4.1, 4.3) als ein Gehäuse aufweisende elektroni­ sche Bauelemente (4.3) ausgebildet sind, und daß die diesen Kontakten (4.3) zugeordneten Kanäle (5.1) der Trägerplatte (5) zur Aufnahme der Gehäuse der elektronischen Bauelemente (4.3) ausgebildet sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der Leiterplatte (2, 3) elektronische Bauteile (6) angeordnet sind, und daß in der Trägerplatte (5) Mittel zur Kühlung (8) und/oder zur Hei­ zung und/oder zur thermischen Isolation der elektronischen Bauteile (6) an­ geordnet sind, und daß Anschlüsse (9) und/oder elektrische Kontaktierungen (10) dieser Mittel aus der Trägerplatte (5) herausgeführt sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trägerplatte (5) Aussparungen (5.2) zur Aufnahme der auf den Leiterplatten (2, 3) angeordneten Bauteile (6) aufweist, und daß die Trä­ gerplatte (5) weitere Aussparungen zur Gewichtsreduzierung aufweist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen den Aussparungen (5.2) der Trägerplatte (5) Verstrebungen ausgebil­ det sind, durch welche die Trägerplatte (5) zur Kompensation von auf die Leiterplatten (2, 3) einwirkenden Kräften ausgebildet ist.

9. Verfahren zur Herstellung der Schaltungsanordnung nach einem der voran­ gegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrens­ schritte:

• - Verbinden der Kontakte (4.1, 4.3) mit mindestens einer ersten Leiterplatte (2),
• - Aufsetzen und Andrücken der Trägerplatte (5) auf die Kontakte (4.1, 4.3) der ersten Leiterplatte (2), wobei die Kontakte (4.1, 4.3) ausgerichtet wer­ den,
• - Aufsetzen und Andrücken einer mindestens zweiten Leiterplatte (3) auf die Trägerplatte (5) und auf die Kontakte (4.1, 4.3) der ersten Leiterplatte (2),
• - Verbinden der Kontakte (4.1, 4.3) der ersten Leiterplatte (2) mit der minde­ stens zweiten Leiterplatte (3) und gegebenenfalls Verbinden der Kontakte (4.1, 4.3) der mindestens zweiten Leiterplatte (3) mit der ersten Leiterplatte (2).