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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur lösbaren Montage von Bauelementen
auf einer Leiterplatte, welche Bauelemente zur Herstellung einer
elektrischen Verbindung mit zumindest zwei Anschlüssen versehen
sind, und wobei die Leiterplatte Leiterbahnen für die elektrische Verbindung
zwischen den Bauelementen aufweist.
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Aus
dem Stand der Technik sind Verfahren zur lösbaren Montage von Bauelementen
für höhere Leistungen
bekannt, bei denen die Bauelemente über zusätzliche Elemente oder Konstruktionen
mit der Leiterplatte bzw. den Leiterbahnen verbunden werden. Beispielsweise
erfolgt dies über
einen an der Leiterplatte befestigten Winkel, auf welchem die Bauelemente
lösbar
befestigt werden, und welche anschließend mit der Leiterplatte verdrahtet
werden. Ebenso ist es möglich,
dass die Bauelemente lösbar an
einem externen Kühlkörper befestigt
werden, wobei die Anschlüsse
der Bauelemente über
einen Anschlussdraht mit den Leiterbahnen der Leiterplatte verbunden
werden.
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Nachteilig
ist hierbei, dass mehrere zusätzliche
Arbeitsschritte bis zur vollständigen
Funktion der elektrischen Schaltung erforderlich sind, wie die Verdrahtung
der Bauelemente, welche beispielsweise an einem Kühlkörper befestigt
sind. Ebenso ist nachteilig, dass durch derartige Montagen der Platzbedarf wesentlich
erhöht
wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein oben genanntes Verfahren
zur Montage von Bauelementen insbesondere höherer Leistung zu schaffen, bei
dem ein möglichst
hoher Automatisierungsgrad bei der Bestückung einer Leiterplatte erreicht
werden kann. Die oben genannten Nachteile sollen vermieden oder
reduziert und ein möglichst
guter Stromübergang
mit größeren Kontakten
bzw. Kontaktflächen geschaffen
werden.
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Die
Aufgaben der Erfindung werden dadurch gelöst, dass zumindest ein elektrisch
leitfähiges
metallisches Plättchen
mit einer Bohrung in einem zumindest an einer Seite der Leiterplatte
mit einer Leiterbahn umgebenen Durchbruch an der Leiterplatte befestigt
wird, und dass Anschlüsse
des Bauelements lösbar über die
Bohrung des Plättchens
mit diesem verbunden wird, so dass eine elektrische Verbindung des
Bauelements mit der Leiterplatte hergestellt wird. Vorteilhaft ist
hierbei, dass die metallischen Kontaktflächen der Anschlüsse der
Bauelemente am elektrisch leitfähigen
metallischen Plättchen
aufliegen, wodurch ein optimaler Stromübergang durch die direkte Metall/Metall-Verbindung stattfindet.
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Vorteilhafterweise
werden metallische Plättchen
mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere aus Kupfer,
für einen
optimalen Stromübergang
zwischen den Anschlüssen
des Bauelements und den Leiterbahnen an der Leiterplatte befestigt.
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Von
Vorteil ist auch, wenn das Plättchen
automatisiert auf der Leiterplatte befestigt und die elektrische
Verbindung mit den Leiterbahnen der Leiterplatte hergestellt wird.
Dadurch kann die lösbare Montage
der Bauelemente in einem Fertigungsschritt mit der automatisierten
Bestückung
sonstiger Bauelemente und der Herstellung der elektrischen Verbindung
mit den Leiterbahnen der gesamten Leiterplatte erfolgen.
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In
vorteilhafter Weise, werden die Anschlüsse der Bauelemente mit dem
Plättchen
verschraubt. Durch die Schraubverbindung des Bauelements mit dem
Plättchen
kann das Anzugsmoment auch größer gewählt werden
und dadurch der Stromübergang verbessert
und Materialermüdungen
des Leiterplattenmaterials ausgeschlossen werden. Weiters werden
dadurch in vorteilhafter Weise Servicearbeiten erleichtert.
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Wenn
die Größe des Plättchens
in Abhängigkeit
der Verlustwärme
des Bauelements ausgewählt wird,
wird eine Verminderung der Erwärmung
der Leiterplatte erreicht und somit ein Schwund bzw. Materialermüdung der
Leiterplatte vermieden, da das Plättchen als Kühlelement
dient bzw. am Plättchen
wiederum ein Kühlprofil
montierbar ist. Ebenso ist vorteilhaft, dass die Größe des Plättchens
an die Größe des lösbar zu
montierenden Bauelements und dessen Leistung angepasst wird.
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Der
Durchbruch zur Aufnahme der Anschlüsse der lösbar zu montierenden Bauelemente
wird vorteilhafterweise in Größe und Form
an die Anschlüsse
angepasst. Dadurch kann eine Reduktion des Platzbedarfs, insbesondere
in der Höhe
für die Baugruppe
inklusive einem allfälligen
Kühlprofil
bzw. der Leiterplattenhalterung, erzielt werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen
näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 eine
exemplarische Darstellung einer Draufsicht einer Leiterplatte;
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2 die
Leiterplatte gemäß 1 in
geschnittener Seitenansicht entlang der Schnittlinie II-II;
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3 das
erfindungsgemäße Plättchen im Grundriss
schematisch dargestellt;
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4 die
Positionierung des Plättchens
auf der Leiterplatte;
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5 die
Leiterplatte mit bestückten
Bauelementen in geschnittener Seitenansicht entlang der Schnittlinie
II-II in 1; und
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6 die
Leiterplatte nach der Endmontage aller Bauelemente in geschnittener
Seitenansicht entlang der Schnittlinie II-II in 1.
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Einführend wird
festgehalten, dass gleiche Teile des Ausführungsbeispiels mit gleichen
Bezugszeichen versehen werden. In 1 ist eine
Leiterplatte 1 dargestellt, auf welcher elektronische Schaltungen,
beispielsweise eine Steuerung, realisiert werden. Bei der dargestellten
Leiterplatte 1 werden verschiedene Montagemethoden für Bauelemente 2 einer
elektronischen Schaltung eingesetzt. Je nach den Anforderungen der
Schaltung werden die Bauelemente 2 entsprechend auf der
Leiterplatte 1 angeordnet und untereinander verbunden.
Die Verbindungen zwischen den Bauelementen 2 sind in der
Leiterplatte 1 integriert und werden entsprechend der gewünschten
Schaltung hergestellt. Zur Herstellung der elektrischen Verbindungen
unter den Bauelementen 2 ist die Leiterplatte 1 aus
mehreren Schichten aufgebaut, was im Schnittbild gemäß 2 besser
ersichtlich ist. Hieraus ist zu erkennen, dass die Leiterplatte 1 aus
einer Grundplatte 3, einer elektrisch leitenden Schicht 4 und
zumindest einer Isolierschicht 5 besteht. Bevorzugt ist
die leitende Schicht 4 an der Unterseite der Grundplatte 3 angeordnet
und mit einer Isolierschicht 5 geschützt. Die Grundplatte 4 kann auch
an der Oberseite mit einer Isolierschicht 5 geschützt sein.
Dadurch ergeben sich zwei unterschiedliche Seiten einer Leiterplatte 1,
die sogenannte Bauelementseite 6 und die Lötseite 7.
Im dargestellten Beispiel befindet sich die Bauelementseite 6 an
der Oberseite der Grundplatte 3 und die Lötseite 7 an
der Unterseite der Grundplatte 3.
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Die
Leiterplatte 1 kann auch aus mehreren elektrisch leitenden
Schichten 4, den sogenannten Layern, bestehen. Bei derartigen
Ausführungen,
auf welche nicht näher
eingegangen wird, können
die Bauelemente 2 beidseitig angebracht werden und somit
die Bauelementseite 6 nicht strikt von der Lötseite 7 getrennt
werden. Aus der elektrisch leitenden Schicht 4 werden während dem
Herstellungsprozess eine oder mehrere Leiterbahnen 8 zur
elektrischen Verbindung zwischen den Bauelementen 2 gebildet. Die
Leiterbahnen 8 können
an den Enden kreisförmig ausgebildet
sein. Diese kreisförmigen
Ausbildungen werden als sogenannte Lötaugen 9 bezeichnet
und bevorzugt für
herkömmliche
Bauelemente 2, d.h., Bauelemente 2 mit Anschlüssen 10 in
Form von Drähten
wie beispielsweise ein Widerstand 11 oder ein Kondensator 12,
verwendet. Da ein Bauelement 2 zumindest zwei Anschlüsse 10 aufweist,
benötigt das
Bauelement 2 zur Montage auf der Leiterplatte 1 zumindest
zwei Lötaugen 9,
welche nicht über
eine Leiterbahn 8 miteinander verbunden sind. Das Lötauge 9 kann
auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise quadratisch oder
rechteckig, wie dies für neuartigere
Bauelemente 2, die sogenannten SMD (Surface mounted device)
Bauelemente 2, wie beispielsweise eine Spule 13,
der Fall ist. Die Lötaugen 9 und
die Leiterbahnen 8 dienen nach Montage der Bauelemente 2 zur
Herstellung fester Verbindungen zu den Bauelementen 2 bzw.
den Anschlüssen 10 der
Bauelemente 2. Damit dies ermöglicht wird, ist die Isolierschicht 5 für die Größe der Lötaugen 9 unterbrochen.
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Weiters
weisen die Lötaugen 9 für die Montage
herkömmlicher
Bauelemente 2 in ihrem Mittelpunkt eine Bohrung 14 auf,
durch welche die drahtförmigen
Anschlüsse 10 auf
die Lötseite 7 geführt werden.
Auf der Lötseite 7 erfolgt
in weiterer Folge die Verbindung zwischen den Anschlüssen 10 und den
Lötaugen 9.
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Erfindungsgemäß wird die
Montagemethode für
Bauelemente 2, insbesondere für lösbare Bauelemente 15,
derart erweitert, dass diese an einem Plättchen 16 befestigt
werden. Bevorzugt werden lösbare Bauelemente 15 für höhere Leistungen,
d.h. höhere Ströme, eingesetzt,
wodurch die Bauteile ab Hersteller mit größeren Anschlüssen 10 ausgestattet
sind. Aus diesem Grund weisen die Lötaugen 9 für die lösbaren Bauelemente 15 anstelle
der Bohrung 14 einen Durchbruch 17 in der Leiterplatte 1 auf,
damit die größeren Anschlüsse 10 der
lösbaren
Bauelemente 15 mit dem Plättchen 16 verbunden
werden können.
Die Verbindung der Plättchen 16 mit
den Anschlüssen 10 eines
lösbaren
Bauelements 15 erfolgt beispielsweise über eine Schraubverbindung
mit einer Schraube 18. Hierzu ist die Form des Plättchens 16 entsprechend
anzupassen, wie dies nachfolgend näher beschrieben wird.
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In 3 ist
das Plättchen 16 für eine Schraubverbindung
dargestellt. Damit der Anschluss 10 eines lösbaren Bauelements 15 über die
Schraube 18 mit dem Plättchen 16 verbunden
werden kann, ist eine Bohrung 19 im Plättchen 16 erforderlich.
Weiters ist es nötig,
dass die Größe des Durchbruchs 17 zumindest
an die Größe der Anschlüsse 10 der
lösbaren
Bauelemente 15 angepasst ist. Somit liegen die Anschlüsse 10 vollständig am
Plättchen 16,
welches größer als
der Durchbruch 17 ausgebildet ist, auf und können mit
der Schraube 18 fixiert werden. Hierzu ist der Durchmesser
der Bohrung 19 an den Durchmesser des Gewindes der Schraube 18 angepasst,
welcher wiederum an das Innengewinde des Anschlusses 10 des
lösbaren
Bauelements 15 angepasst ist. Die Anordnung der Bohrung 19 ist
von der Anordnung der Anschlüsse 10 des
lösbaren
Bauelements 15, der Anordnung der Durchbrüche 17 und der
Größe des Plättchens 16 abhängig. Beispielsweise
ist das Plättchen 16 rechteckig
ausgeführt
und der Mittelpunkt der Bohrung 19 im Zentrum des Plättchens 16 angeordnet.
Der über
die Anschlüsse 10 des
lösbaren
Bauelements 15 fließende
hohe Strom, welcher aus den Berechnungen für die Schaltung bekannt ist, erwärmt die
Anschlüsse 10 und
somit das Plättchen 16.
Das Plättchen 16 nimmt
die Wärme
auf und gibt wiederum einen Teil davon an die Leiterplatte 1 ab.
Die vom Plättchen 16 an
die Leiterplatte 1 abgegebene Wärme ist von der Größe des Plättchens 16 abhängig, woraus
die Größe und Form
des Durchbruchs 17 resultiert. Ebenso hängt die vom Plättchen 16 an
die Leiterplatte 1 abgegebene Wärme von dessen Positionierung
bei der Montage ab. Die Montage des Plättchens 16 erfolgt über das
aus dem Stand der Technik bekannte SMD-Verfahren. Die Montage der
Bauelemente 2 bzw. der lösbaren Bauelemente 15 wird
in den folgenden 4 und 5 näher beschrieben.
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In 4 ist
die Positionierung des Plättchens 16 am
entsprechenden Lötauge 9 dargestellt.
Damit die lösbaren
Bauelemente 15 über
die Schraube 18 am Plättchen 16 montiert
werden können,
muss dieses zuerst an der Leiterplatte 1 befestigt werden. Dies
erfolgt an der Lötseite 7 der
Leiterplatte 1, wobei bei Verwendung einer Leiterplatte 1 mit
mehreren Layern eine Befestigung an der Bauelementseite 6 ebenso
möglich
ist. Hierbei wird das Plättchen 16 am entsprechenden
Lötauge 9 bevorzugt
verklebt, damit in den weiteren Schritten eine Verbindung zwischen Lötauge 9 und
Plättchen 16 hergestellt
werden kann. Die Positionierung des Plättchens 16 am Lötauge 9 ist
im Wesentlichen vom lösbaren
Bauelement 15, welches am Plättchen 16 in weiterer
Folge montiert wird, und insbesondere dessen benötigten Strom abhängig. Abhängig von
der benötigten
Stromhöhe
ist ein gewisser Mindestleitungsquerschnitt für den Stromübergang von den Leiterbahnen 8 zum
Plättchen 16 bzw.
umgekehrt erforderlich, woraus eine Überlappung 20 vom
Lötauge 9 bzw.
der Leiterbahn 8 resultiert, d.h., dass das Plättchen 16 am
Lötauge 9 aufliegt
bzw. dieses überdeckt.
Ebenso muss berücksichtigt
werden, dass die Überlappung 20 durch das
beim Herstellen der Verbindung zwischen Lötauge 9 und Plättchen 16 aufgetragene
Lot 21, beispielsweise Lötzinn, vergrößert wird.
Die Menge des Lots 21 wird durch einen definierten Abstand 22 zwischen Plättchen 16 und
Isolierschicht 5 begrenzt. Dies erfolgt derart, dass die
Isolierschicht 5, welche beispielsweise aus einem sogenannten
Lötstopplack gebildet
ist, das während
der Verarbeitung zähflüssige Lot 21 stoppt.
Somit ist der Stromübergang
von den Leiterbahnen 8 zum Plättchen 16 durch die Überlappung 20 und
den Abstand 22 de finiert. Hierbei ist jedoch zu beachten,
dass das Material der Leiterbahnen 8, des Plättchens 16 und
des Lots 21 den Stromübergang
beeinflusst. Beispielsweise bestehen die Leiterbahnen 8 und
das Plättchen 16 aus
beschichtetem Kupfer, Messing, usw. und das Lot 21 aus
z.B. einer Zinn-Legierung. Durch eine Veränderung der Überlappung 20 bzw.
des Abstandes 22 kann somit aufgrund der verwendeten Materialen
der Stromübergang
an das lösbare
Bauelement 15 angepasst werden. Hierbei bewirkt eine höhere Überlappung 20 und
eine Vergrößerung des
Abstands 22, wodurch zusätzliches Lot 21 aufgebracht
werden kann, eine Verbesserung des Stromübergangs.
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Grundsätzlich erwärmt sich
ein Bauelement 2 bzw. ein lösbares Bauelement 15,
wenn es mit Strom durchflossen wird. Teilweise wird die produzierte
Wärme,
welche von der Stromhöhe
abhängt, beispielsweise über Kühlkörper an
die unmittelbare Umgebung abgegeben. Die Wärme wird aber auch teilweise über die
Anschlusskontakte 10 der Bauelemente 2 bzw. der
lösbaren
Bauelemente 15 abgegeben. Somit erwärmt sich die Leiterplatte 1 über die Leiterbahnen 8,
wodurch die Leiterplatte 1 thermisch belastet wird. Dies
kann in weiterer Folge die Leiterplatte 1 bzw. die Leiterbahnen 8 beschädigen oder sich
negativ auf die Eigenschaften der elektrischen Schaltung auswirken.
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Deshalb
sind die Anschlüsse 10,
insbesondere der lösbaren
Bauelemente 15, erfindungsgemäß am Plättchen 16 befestigt.
Dadurch wird der elektrische Überganswiderstand
verringert und durch die Wärmeleitfähigkeit
des Plättchens 16 die
auftretende Verlustwärme
der lösbaren
Bauelemente 15 großflächiger abgeleitet,
wodurch sich das Plättchen 16 entsprechend
erwärmt.
Dies ist von der Größe und Stärke des
Plättchens
abhängig.
Dadurch wird die Verlustwärme
nur langsam und in geringen Mengen vom Plättchen 16 an die Leiterplatte 1 weitergeleitet.
Dies ist wiederum von der Überlappung 20 und dem
Abstand 22 abhängig.
Ebenso kann die Verlustwärme über einen
am Plättchen 16 befestigten
Kühlkörper abgegeben
werden.
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Im
Gegensatz zum Stromübergang
ist hierbei eine geringe Überlappung 20 bzw.
ein geringer Abstand 22 von Vorteil, da dies die Erwärmung der Leiterplatte 1 verzögert. Somit
ist individuell für
jedes Bauelement 2 bzw. lösbares Bauelement 15 die
geeignete Überlappung 20 bzw.
der geeignete Abstand 22 zu wählen, um den erforderlichen
Stromübergang und
einen geringen Wärmeübergang
auf die Leiterplatte 1 zu erreichen.
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Weiters
ist im Schnittbild ein Abstand 23 für die Montage bzw. Positionierung
des Plättchens 16 dargestellt,
welcher beispielsweise für
die Fertigung relevant sein kann. Innerhalb dieses Abstandes 23 befindet
sich keine leitende Schicht 4 und keine Isolierschicht 5,
da dieser Abstand 23 frei vom Lot 21 sein soll.
Dies kann aus Gründen
der Fertigung bzw. dem verwendeten SMD-Verfahren notwendig sein, auf
welche nicht näher
eingegangen wird.
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In 5 ist
die Leiterplatte 1 gemäß 1 im
Schnittbild mit den automatisiert bestückten Bauelementen 2 dargestellt.
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Bei
der automatisierten Montage der herkömmlichen Bauelemente 2,
beispielsweise des Widerstands 11 und des Kondensators 12 werden
die zumindest zwei Anschlüsse 10 der
Bauelemente 2 von der Bauelementseite 6 durch
die entsprechenden Bohrungen 14 der Lötaugen 9 auf die Lötseite 7 geführt. Die
Montage der SMD-Bauelemente 2, wie der Spule 13,
erfolgt auf der Lötseite 7.
Da das Plättchen 16 erfindungsgemäß hier auch
auf der Lötseite 7 angeordnet
ist, wird das Plättchen 16 ebenfalls
als SMD-Bauelement 2 betrachtet.
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Nachdem
alle für
die Schaltung nötigen
Bauelemente 2 korrekt positioniert wurden, wird die Leiterplatte 1 einem
herkömmlichen
SMD-Lötprozess unterzogen.
Hierbei werden die Anschlüsse 10 der herkömmlichen
Bauelemente 2 und der SMD-Bauelemente 2 sowie
das Plättchen 16 mit
den entsprechenden Lötaugen 9 verbunden.
Dies erfolgt über das
in einem Lötbad
befindliche elektrisch leitende Lot 21, wodurch eine elektrische
Verbindung mit den Leiterbahnen 8 hergestellt wird.
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Somit
ist die vollautomatische Bestückung bzw.
Montage der Bauelemente 2, d.h. der herkömmlichen
Bauelemente 2, der SMD-Bauelemente 2 und des Plättchens 16,
sowie die Herstellung der elektrischen Verbindungen zwischen den
Bauelementen 2 abgeschlossen.
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Nun
folgt die Montage der lösbaren
Bauelemente 15, wie dies im Folgenden näher beschrieben wird.
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In 6 ist
die Leiterplatte 1 gemäß 1 im
Schnittbild, nach der Endmontage der lösbaren Bauelemente 15,
dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Montagemethode von
lösbaren
Bauelementen 15 erfolgt derart, dass die Anschlüsse 10 bzw.
die Kontaktflächen
der lösbaren
Bauelemente 15 von der Bauelementseite 6 vollständig auf
die entsprechenden Plättchen 16 gesetzt werden.
Zur Herstellung der Verbindung zwischen den Anschlüssen 10 und
den Plättchen 16 sind
die Anschlüsse 10 mit
einem Innengewinde versehen. Ebenso ist es möglich, dass entsprechend zu
den Anschlüssen 10 ein
Innengewinde bzw. eine Mutter im Gehäuse, beispielsweise einem sogenannten
Isotop-Gehäuse,
der lösbaren
Bauelemente 15 integriert ist. Dadurch ist es möglich, die
Schraube 18 von der Lötseite
her durch die Bohrung 19 im Plättchen 16 zu führen und
den Anschluss 10 mit dem Plättchen 16 zu verschrauben.
Daraus resultiert, dass die Schraube 18 eine Metall/Metall-Verbindung herstellt,
wodurch das Anzugsmoment für
die Schraube 18 erhöht
werden kann und somit ein optimaler Stromübergang zwischen den Anschlüssen 10 der
lösbaren
Bauelemente 15 und dem Plättchen 16 gewährleistet
ist. Die Verschraubung der lösbaren Bauelemente 15 mit
dem Plättchen 16 kann
selbstverständlich
manuell oder automatisiert erfolgen.
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Hierbei
wird zusätzlich
erreicht, dass durch das Versenken der Anschlüsse 10 der lösbaren Bauelemente 15 in
der Leiterplatte 1, d.h. im Durchbruch 17, die
Gesamthöhe
nach der Endbestückung
der Leiterplatte 1 minimiert wird. Somit kann auch der
erforderliche Platz für
die Bauelemente 2 bzw. die lösbaren Bauelemente 15 reduziert
werden. Umgekehrt ist es aber auch möglich, dass das lösbare Bauelement 15 durch
entsprechende Distanzstücke
zwischen Plättchen 16 und
Anschluss 10 den Abstand zwischen Leiterplatte 1 und
der Unterseite des lösbaren
Bauelements 15 zu erhöhen.
Dadurch kann möglicherweise
die Größe der Leiterplatte 1 minimiert werden.
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Im
Allgemeinen sei zu den 1 bis 6 erwähnt, dass
das be schriebene Montageverfahren selbstverständlich für alle aus dem Stand der Technik bekannten
Leiterplattentypen verwendet werden kann. Beispielsweise kann auch
eine doppelseitige Leiterplatte 1, bei welcher sich beidseitig
der Grundplatte 3 eine leitende Schicht 4 und
die entsprechenden Leiterbahnen 8 befinden, nach diesem
Verfahren bestückt
werden.
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Weiters
ist es ebenso möglich,
dass die lösbaren
Bauelemente 15 anstelle der Schraube 18, beispielsweise
mit einer Niete, nicht-lösbar elektrisch und
mechanisch mit dem Plättchen 16 befestigt
werden. Dies hat selbstverständlich
keine negativen Auswirkungen auf den Stromübergang bzw. die Wärmeableitung.