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Die
Erfindung betrifft einen optischer Sensor mit einer Verbindungsanordnung
zweier Leiterplatten gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Ein
Sensor mit einer Verbindungsanordnung zweier Leiterplatten, die
senkrecht aufeinander stehen, ist u. a. aus
DE19838218A1 bekannt. Um
die zwei Leiterplatten sowohl mechanisch als auch elektrisch miteinander
zu verbinden, wird bei der Herstellung des Sensors eine mit Vorsprüngen
versehene erste Leiterplatte in eine mit passenden Ausschnitten versehene
zweite Leiterplatte gesteckt. Anschließend werden die beiden
Leiterplatten über an den Stoßstellen befindliche
lötfähige Abschnitte einseitig miteinander verlötet.
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Auf
diese Weise kann der im Gehäuse zur Verfügung
stehende Raum ohne Verwendung zusätzlicher Kontaktstifte
optimal genutzt werden.
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Hier
wird die mit einer ”gedruckten” Spule versehene
Sensorleiterplatte (Trägerleiterplatte) über mindestens
zwei Lötstellen mechanisch und elektrisch mit einer Schaltungsleiterplatte
verbunden. Sowohl die mechanische als auch die elektrische Verbindung
der Leiterplatten wird allein über das Lot hergestellt.
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Zweckmäßig
ist alle Lötverbindungen auf derselben Seite der jeweiligen
Leiterplatte vorzusehen. Wegen der beim Abkühlen der Leiterplatten
entstehenden mechanischen Spannungen erhält man aber eine
deutlich bessere Stabilität, wenn sich mindestens eine
Lötstelle auf der Gegenseite der Leiterplatte befindet.
Um einen zusätzlichen Arbeitsgang zu vermeiden, erfolgt
die Verbindung vorzugsweise durch eine Tauchlötung, indem
die beiden Leiterplatten in der gewünschten Ausrichtung
fixiert in ein Lötbad eingetaucht werden. Eine besonders
stabile Verbindung der Leiterplatten wird nach der Lehre der beiden
o. g. Schriften durch eine meniskusförmige Lotansammlung
zwischen den beiden im Wesentlichen rechtwinklig zueinander angeordneten
Lötflächen erreicht.
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Die
Verbindung bereits bestückter Leiterplatten ist nach diesem
Verfahren ebenfalls möglich, wenn die Bauelemente entweder
auf die Leiterplatte geklebt, oder Lote mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen
benutzt werden; d. h. die Bauelemente in einem vorherigen Arbeitsgang
mit einem höher schmelzenden Lot auf die zu verbindenden
Leiterplatten aufgelötet werden. Unabdingbare Voraussetzung
ist allerdings, dass die Bauelemente die thermische Belastung bzw.
eine Benetzung durch das Lot aushalten. Deshalb ist selektives Lötverfahren
an dieser Stelle besser geeignet.
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Hier
bietet sich neben dem Schwall- und Wellenlöten insbesondere
das Reflow-Lötverfahren an. Beim Reflow-Löten
wird das Lot vor der Bestückung in Form einer Paste auf
die Leiterplatte aufgetragen. Das kann mittels Siebdruck, durch
Lotformteile oder galvanisch geschehen. Die Erwärmung kann selektiv
erfolgen; d. h. nur die Lötstellen werden durch Heißluft
oder durch Infrarotstrahlung erwärmt. Insbesondere mit
einem Infrarot-Laser ist eine punktgenaue Erwärmung möglich.
Darüber hinaus erlaubt die hohe Energiedichte im Fokus
des Lasers extrem kurze Lötzeiten von nur 0,2 bis 0,4 Sekunden.
So werden die Leiterbahnen geschont und an den benachbarten Bauelementen
tritt fast keine Erwärmung auf.
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Für
die empfindlichen optischen Bauelemente wie LED's, Laserdioden,
Fotodioden oder Fototransistoren bietet sich aus diesen Gründen
das Laserlötverfahren an.
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Eine
einseitig ausgeführte Laserlötung besitzt aber,
wie bereits ausgeführt, weder die ausreichende mechanische
Stabilität noch die gewünschte Kontaktsicherheit
für die elektrischen Verbindungen. Eine beidseitige Lötung
ist möglich, erfordert aber einen bestimmten bauelementefreien
Raum hinter der senkrecht stehenden Sensorleiterplatte und einen zusätzlichen
Arbeitsgang. Außerdem ist mit mechanischen Spannungen zu
rechnen, wenn die beiden Seiten der Sensorleiterplatte in zwei aufeinander
folgenden Arbeitsgängen erwärmt werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen optischer Sensor mit
einer Verbindungsanordnung zweier Leiterplatten zu schaffen, der
die oben genannten Nachteile nicht ausweist, der insbesondere mechanisch
stabil, einfach und kostengünstig herstellbar und wobei
die Leiterplatten mit temperaturempfindlichen Bauelementen bestückbar
sind.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Die
wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, dass in einer ersten
Leiterplatte (Sensorleiterplatte), befindlichen Durchbrüche 5 nicht
nur an der Ober- und Unterseite der ersten Leiterplatte 1,
sondern zusätzlich von ”außen” über
Kontaktstellen auf der Kantenfläche 6 der ersten
Leiterplatte 1 mit lötfähigen Kontaktstellen
versehen, so dass Ober- und Unterseite elektrisch über
diese lötfähigen Kontaktstellen miteinander verbunden
sind.
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Das
kann beispielsweise durch eine zunächst den gesamten Rand
der ersten Leiterplatte 1 umfassende chemische Beschichtung
und einen nachfolgenden Fräsvorgang zur Trennung der einzelnen
Kontaktstellen erfolgen.
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Die
zweite Leiterplatte 2 (Schaltungsleiterplatte) besitzt
einen Vorsprung 7, der nur einseitig mit lötfähigen
Kontaktstellen versehen ist.
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So
entsteht beim Zusammenstecken der beiden Leiterplatten 1 und 2 ein
von den nun gegenüberliegenden lötfähigen
Kontaktstellen 8 und 9 gebildeter Lötspalt 13,
durch dessen Kapillarwirkung das Lot auch bei einseitiger Erwärmung
auf die andere Seite der ersten Leiterplatte 1 fließen
kann.
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Die
metallisierte Kantenfläche 6 unterstützt diesen
Vorgang, indem sie einen Teil der zum Aufschmelzen erforderlichen
Wärmeenergie überträgt.
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Vorteilhaft
kann nun eine mit temperaturempfindlichen Bauelementen bestückte
erste Leiterplatte 1 durch Laserlöten, vorzugsweise
mit einem im Spektralbereich zwischen 800 nm und 1000 nm arbeitenden
Diodenlaser in nur einem Arbeitsgang doppelseitig mit einer zweiten
Leiterplatte 2 verlötet werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf die Verbindung von einer mindestens einlagigen
mit einer zweilagige Leiterplatte beschränkt, sondern kann
auch für mehrlagige Leiterplatten Anwendung finden. Bei
mehrlagigen Leiterplatten können durch die über
den Rand der Leiterplatte geführten Kontaktstellen auch
innere Leiterebenen mit den Lötstellen verbunden werden. Prinzipiell
können also alle Leiterebenen elektrisch mit den lötfähigen
Kontaktstellen verbunden werden. Nicht gewünschte Verbindungen
werden durch ein entsprechendes Layout im Inneren der Leiterplatte unterbrochen.
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Eine
weitere Möglichkeit der Verbindung innerer Leiterebenen
besteht darin, diese in einem vorangehenden Arbeitsgang freizufräsen
oder freizuätzen.
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Die
freigelegten Leiterbahnen sind allerdings zusätzlich zu
beschichten, um eine lötfähigen Kontaktstelle
mit der erforderlichen Schichtdicke zu erhalten. Die Form der schmalseitigen
Kontaktstellen der Leiterplatten hängt also von deren konkreter
Ausgestaltung ab. Sie kann zusätzlich Kanten und/oder Absätze
enthalten.
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Empfindliche
Signalleitungen oder mit starken Pulsströmen beaufschlagte
Sendeleitungen der vorzugsweise optischen Sensoren können
so in inneren Lagen zwischen als Abschirmung dienenden äußeren
Lagen oder auch zwischen inneren Abschirmlagen der Leiterplatten
geführt werden. Auf diese Weise verhindert man Übersprechen
von den typischerweise mehrere 100 mA Pulsstrom führenden Sendeleitungen
auf die Signalleitungen innerhalb des Gerätes. Aber auch
die Störabstrahlung nach außen kann besonders
bei einem Kunststoffgehäuse durch diese Maßnahmen
verringert werden.
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Die
Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert:
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Es
zeigen:
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1 die
perspektivische Darstellung einer Verbindungsanordnung zweier Leiterplatten
in einem optischen Näherungsschalter in Zylinderbauform;
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2 die
Aufsicht auf die beiden Leiterplatten gemäß 1 vor
deren Verbindung;
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3 die
Schnittdarstellung einer Verbindungsanordnung gemäß 1;
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4 die
vergrößerte Darstellung des in 3 mit
Z gekennzeichneten Bereichs gemäß einer ersten
Variante wobei die Schaltungsleiterplatte einlagig und die Sensorleiterplatte
zweilagig ausgeführt sind;
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5 die
vergrößerte Darstellung des in 3 mit
Z gekennzeichneten Bereichs gemäß einer zweiten
Variante wobei die Schaltungsleiterplatte mehrlagig und die Sensorleiterplatte
zweilagig ausgeführt sind;
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6 die
vergrößerte Darstellung des in 3 mit
Z gekennzeichneten Bereichs gemäß einer dritten
Variante wobei die Schaltungsleiterplatte einlagig und die Sensorleiterplatte
zweilagig geführt sind;
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7 die
vergrößerte Darstellung des in 3 mit
Z gekennzeichneten Bereichs gemäß einer dritten
Variante wobei die Schaltungsleiterplatte einlagig und die Sensorleiterplatte
zweilagig geführt sind;
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Das
in der 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt
das Gehäuse eines optischen Näherungsschalter
in zylindrischer Bauform im Schnitt. Die beiden erfindungsgemäß miteinander
verbundenen Leiterplatten sind perspektivisch dargestellt. Die Frontscheibe
und das zur Trennung der Strahlengänge von Sender und Empfänger
erforderliche Sensorgehäuse sind nicht mit gezeichnet.
Alle elektronischen Bauelemente befinden sich auf den zwei senkrecht
miteinander verlöteten Leiterplatten. Die Sensorleiterplatte
trägt u. a. die Sendediode 11 und die Fotodiode 12.
Die nicht dargestellten vorzugsweise nach dem Spritzgussverfahren
aus Kunststoffen wie Plexiglas (PMMA) oder Polycarbonat hergestellten Optikbauteile
(Linsen) können vorteilhaft auf die Sensorleiterplatte 1 gesteckt
oder geklebt werden. Das ist besonders bei kurzbrennweitigen optischen
Systemen wichtig, da die Toleranzkette gegenüber einer Befestigung
an der Gerätehülse auf diese Weise deutlich verkürzt
werden kann.
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Die
Sensorleiterplatte 1 wurde außen abgerundet, um
sie an die zylindrische Gehäuseform des Sensors anzupassen.
Damit wird gleichzeitig die Zentrierung und Fixierung der Leiterplatten
im Sensorgehäuse erreicht.
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In
der 2 sieht man die beiden mit SMD-Bauelementen (Surface
Mounted Devices) bestückten Leiterplatten vor dem Zusammenbau.
Die Leiterzüge wurden nicht mit gezeichnet. Der mit 7 bezeichnete
Vorsprung an der Schaltungsleiterplatte 2 wird in die mit 5 bezeichnete Öffnung
in der Sensorleiterplatte 1 gesteckt. Während
des Lätvorganges müssen die beiden Leiterplatten
durch eine geeignete Klemmvorrichtung in der gewünschten
Position gehalten werden.
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3 zeigt
die beiden Leiterplatten eines optischen Näherungsschalters
im montierten Zustand in der Seitenansicht. Die Lötverbindungen
sind mit 10 gekennzeichnet. Die Verbindungszone Z wird
in den folgenden Figuren vergrößert dargestellt.
Beide Leiterplatten sind mehrlagig ausgeführt, und beidseitig bestückt.
So wird der zur Verfügung stehende Raum optimal genutzt.
Die Leitungsebenen im oberen Bereich der Sensorleiterplatte 1 wurden
nicht mit gezeichnet. Sämtliche Lötverbindungen 10 zwischen den
beiden Leiterplatten befinden sich im unteren Bereich der Sensorleiterplatte 1.
Zusätzliche Lötverbindungen im oberen Bereich
der Sensorleiterplatte 1 würden zwar die Stabilität
weiter verbessern, aber auch deutlich höhere Anforderungen
an die Toleranzen der Plattendicke der Schaltungsleiterplatte 2,
sowie der Öffnung in der Sensorleiterplatte 1,
und vor allem an die Stärke der aufzutragenden Kontaktschichten
und der Lotpaste stellen.
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4 zeigt
die Verbindungszone Z in vergrößerter Darstellung
am Beispiel einer einlagigen Schaltungsleiterplatte 2 und
einer zweilagigen Sensorleiterplatte 1. Diese Ausführung
stellt die Minimalvariante des erfindungsgemäßen
Näherungsschalters mit wenigstens einer beidseitigen Lötverbindung dar.
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Die
Leiterbahn 4 der Schaltungsleiterplatte 2 ist über
die einseitige Kontaktstelle 9 und die den Rand der Sensorleiterplatte 1 umschließende
Kontaktstelle 8 mit der Leiterbahn 3 verlötet.
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Das
Lot wurde nur als Kontur angedeutet. Selbstverständlich
ist der gesamte Lötspalt 13 mit Lot ausgefüllt.
Um die gewünschte beidseitige Lötverbindung zu
erhalten, muss die Schaltungsleiterplatte 2 geringfügig über
die Sensorleiterplatte 1 hinausragen. Das ist für
optische Sensoren durchaus erwünscht, da die absolut ”lichtdichten” Metallflächen einen
wesentlichen Beitrag zur Verhinderung von optischem Übersprechen
von der Sendediode auf den Empfänger leisten können.
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Das
ist von besonderer Bedeutung für energetische (Licht)-Taster,
denn wie das folgende Rechenbeispiel verdeutlicht, genügt
bei diesen Geräten ein sehr geringer Teil des ausgesendeten
Lichts, um den Schaltvorgang auszulösen.
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Ein
Infrarot-Emitter des Typs SFH 485 von der Firma Siemens besitzt
bei 100 mA Betriebsstrom eine Strahlungsleistung von ca. 25 mW.
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Eine
Fotodiode des Typs BPW 34 S der gleichen Firma hat in diesem Spektralbereich
eine Empfindlichkeit von ca. 0,6 A/W. Der millionste Teil der Strahlungsleistung
kann also einen Fotostrom vom 15 nA erzeugen, der mit der herkömmlichen
Verstärkertechnik ohne Weiteres nachweisbar ist. Bei dieser Abschätzung
wurde nicht berücksichtigt, dass der o. g. Infrarot-Emitter
durchaus mit Pulsströmen von 1 A beaufschlagt werden kann.
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Wenn
es nicht gelingt, das optische Übersprechen wirksam zu
verhindern, muss entweder die Schaltschwelle heraufgesetzt und/oder
die Empfindlichkeit der Empfangseinheit und damit auch die Reichweite
des Gerätes reduziert werden.
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Alternativ
dazu ist in der 5 die Verbindungszone Z von
zwei mehrlagigen Leiterplatten in ihrer endgültigen Position
allerdings vor dem Lötvorgang ohne Lot dargestellt. Auch
hier wird aus den oben genannten Gründen nur der untere
Bereich der Sensorleiterplatte 1 mit der Schaltungsleiterplatte 2 verlötet.
Eine Leiterbahn 4 in der unteren Leiterebene der Schaltungsleiterplatte 2 ist
mit der Leiterbahn 3 der Sensorleiterplatte 1 und
zusätzlich mit einer weiteren Leiterbahn in der mittleren
Leiterebene der Sensorleiterplatte 1 verbunden. Eine Leiterbahn 16 im
Inneren der Schaltungsleiterplatte 2 ist über
die Durchkontaktierung 14 angeschlossen. Die Leiterbahnen 15 in
der Sensorleiterplatte 1 werden zwar mit verlötet,
aber durch das Layout unterbrochen.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung wird in der 6 ebenfalls
vor dem Lötvorgang ohne Lot dargestellt. Hier wurde eine
innere Leiterbahn 16 der Schaltungsleiterplatte 2 freigelegt,
und mit einer lötfähigen Kontaktstelle 9 versehen.
Die nicht gewünschten elektrische Verbindungen zu der inneren Leiterbahn 15 wurden
unterbrochen.
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Da
nur der untere Bereich der Sensorleiterplatte 1 mit der
Schaltungsleiterplatte 2 verlötet wird, muss die Öffnung 5 in
der Sensorleiterplatte nicht an die an ihrem Vorsprung 7 verringerte
Plattendicke der Schaltungsleiterplatte 2 angepasst werden.
Die mechanische Stabilität kann verbessert werden, indem der
rechtwinklig zum Lötspalt 13 befindliche Zwischenraum
weitgehend mit Lot gefüllt wird, und die Lötverbindung
dadurch ein höheres Drehmoment aufnehmen kann. Allerdings
muss die gesamte Unterseite der Schaltungsleiterplatte 2 gleichmäßig
abgearbeitet werden, um sichere Lötverbindungen zu erreichen.
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Wie
man in 7 sieht, können alternativ zu der in 6 gezeigten
Ausgestaltung auch innere Leiterbahnen der Sensorleiterplatte 1 freigelegt,
und mit einer den Rand 6 der Leiterplatte umschließenden
lötfähigen Kontaktstelle 8 versehen werden.
Die Verbindungszone Z wird auch hier vor dem Lötvorgang,
also ohne Lot dargestellt. Im Gegensatz zu der in 6 gezeigten
Anordnung dienen die freigelegten inneren Leiterbahnen der Sensorleiterplatte 1 nicht
als Auflagefläche für die Lötverbindung 10.
Deshalb muss die Sensorleiterplatte 1 nicht wie die Schaltungsleiterplatte 2 in 6 über
die gesamte Auflagefläche auf eine einheitliche Plattendicke
gebracht werden. Es ist also möglich, Leiterbahnen aus unterschiedlichen
Leiterebenen freizulegen und direkt mit der Schaltungsleiterplatte 2 zu
verlöten. Damit werden Durchkontaktierungen auf der Sensorleiterplatte 1 überflüssig.
So kann die dort zu Verfügung stehende Fläche
kann besser genutzt werden. Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität
kann der durch die Bearbeitung der Sensorleiterplatte 1 entstandene
rechtwinklig zum Lötspalt 13 befindliche Zwischenraum
mit Lot gefüllt werden, so dass die Lötverbindung 10 ein
höheres Drehmoment aufnehmen kann. Im Gegensatz zu dem
in 6 gezeigten Aufbau kann die Erwärmung
des in dem o. g. Zwischenraum befindlichen Lots direkt, und nicht
durch Wärmeleitung über den Lötspalt 13 erfolgen,
was zu einer Verkürzung der notwendigen Lötzeit
führt.
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Mit
der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung für
einen optischen Näherungsschalter können mit temperaturempfindlichen
Bauelementen bestückte Leiterplatten in nur einem Arbeitsgang
effizient und schonend miteinander verlötet werden. Die beidseitige
Verlötung sorgt für eine hohe mechanische Stabilität
und gute Kontaktsicherheit. Die inneren Leiterbahnen mehrlagiger
Leiterplatten können ohne Durchkontaktierung angeschlossen
werden.
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- 1
- erste
Leiterplatte (Sensorleiterplatte)
- 2
- zweite
Leiterplatte (Schaltungsleiterplatte)
- 3
- erste
(äußere) Leiterbahnen
- 4
- zweite
(äußere) Leiterbahnen
- 5
- Öffnung
in der ersten Leiterplatte
- 6
- metallisierte
Kantenfläche (am Rand der ersten Leiterplatte)
- 7
- Vorsprung
an der zweiten Leiterplatte
- 8
- erster
Lötabschnitt der lötfähigen Kontaktstelle
- 9
- zweiter
Lötabschnitt der lötfähigen Kontaktstelle
- 10
- Lötverbindung
- 11
- LED
(Sendediode)
- 12
- Fotodiode
(Empfänger)
- 13
- Lötspalt
- 14
- Durchkontaktierung
- 15
- unterbrochene
Leiterbahn
- 16
- innere
Leiterbahn (innere Leiterebene)
- Z
- Verbindungszone
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19838218
A1 [0002]
- - DE 10048290 A1 [0004]
- - DE 10066293 B4 [0004]