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Die
Erfindung betrifft einen Schaltungsträger mit zumindest zwei isolierenden
Schichten, zwischen denen eine stromführende Schicht angeordnet ist.
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Um
die Verdrahtungsdichte eines Schaltungsträgers optimieren und gleichzeitig
die Flexibilität
bei der Führung
von Leiterzügen
optimieren zu können,
sind Schaltungsträger
typischerweise aus mehreren Schichten aufgebaut. Dabei ist zwischen jeweils
zwei isolierenden Schichten eine Strom führende Schicht vorgesehen.
Die Strom führende Schicht,
welche zumindest Leiterzüge
umfasst, wird üblicherweise
aus einer Metallschicht gebildet. Die Leiterzugstruktur wird z.
B. durch einen galvanischen Prozess und/oder einen mechanischen
Fertigungsprozess hergestellt. Die Leiterzugstruktur einer derart ausgebildeten,
isolierenden Schicht eignet sich jedoch meist nur dazu, geringe
Ströme
zu tragen.
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Um
hohe Ströme
leiten zu können,
sind große
Leiterquerschnitte notwendig. Um die Gefahr von Berührungen
ausschließen
zu können,
müssen
derartige Leiter isoliert werden. Die Isolierung dient ferner dazu,
die Leiter gegen Kurzschluss und Spannungsüberschlag zu sichern. Neben
einer ausreichenden Isolation muss ein solcher Hochstrom-Leiter eine
ausreichende Elastizität
aufweisen, um einen Toleranzausgleich bereitzustellen. Dieser ist
notwendig, da beim Einbau des Leiters in einen Trägerkörper, wie
z. B. einen Schaltungsträger,
Verspannungen auftreten können.
Auch während
des Betriebs des Leiters wird der Toleranzausgleich zum Trägerkörper aufgrund
auftretender Temperaturzyklen und Vibrationen benötigt.
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Die
Integration eines Leiters in einen Schaltungsträger ist beispielsweise dort
erwünscht,
wo durch die auf dem Schaltungsträger ausgebildete elektronische
Schaltung hohe Leistungen erzeugt werden bzw. benötigt werden.
Dies ist bei spielsweise bei Steuerschaltungen für elektrische Motoren, z. B. Hybridmotoren,
sowie Hochstromanwendungen zur Ansteuerung von Relais oder Schützen notwendig.
In diesem Zusammenhang ist es bekannt, einen massiven elektrisch
leitenden (Metall-)Kern in einen Schaltungsträger zu integrieren, wobei der
Kern länger
als der Schaltungsträger
ist, um eine Anschlussmöglichkeit
des Leiters zu gewähren.
Um diesen Metallkern elektrisch kontaktieren zu können, ist
es jedoch notwendig, zusätzlich
einen flexiblen Leiter vorzusehen, der auch den Toleranzausgleich übernimmt.
Diese zusätzliche
Verbindung erhöht
zum einen die Kosten der Herstellung und mindert zum anderen die
Zuverlässigkeit
der Anordnung.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schaltungsträger anzugeben,
welcher sich für
Hochstrom-Anwendungen eignet und darüber hinaus eine verbesserte
Handhabung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Schaltungsträger mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die abhängigen Patentansprüche.
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Erfindungsgemäß umfasst
die Strom führende
Schicht einen flexiblen Leiter, der einen ersten und einen zweiten
Längenabschnitt
umfasst, wobei der erste Längenabschnitt
unbeweglich zwischen den zwei isolierenden Schichten angeordnet
ist und wobei der zweite Längenabschnitt
flexibel entweder außerhalb
des Schaltungsträgers
oder im Bereich einer Aussparung zumindest einer der isolierenden Schichten
(2, 3) des Schaltungsträgers (1) angeordnet
ist, wodurch dieser im Bereich des flexiblen, zweiten Längenabschnitts
mittels eines Kontaktmittels mechanisch und elektrisch kontaktierbar
ist.
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Durch
die Integration eines flexiblen Leiters in den Schaltungsträger, der
zu dessen elektrischer Kontaktierung einen flexiblen Abschnitt wahlweise
im Bereich des Schaltungsträgers
oder außerhalb
des Schaltungsträgers
aufweist, kann einerseits ein ausreichender Querschnitt zur Stromübertragung gewährleistet
werden. Andererseits ermöglicht
dessen Flexibilität
im Bereich der elektrischen Kontaktierung den Ausgleich von Einbautoleranzen
(z. B. Verspannungen oder Längenunterschiede
beim Einbau) und Betriebstoleranzen, z. B. verursacht durch Temperaturzyklen
oder Vibrationen. Darüber
hinaus ist durch das abschnittsweise Einbetten des flexiblen Leiters
in den Schaltungsträger
zumindest in diesem Bereich ein Isolationsschutz gewährleistet.
Ferner wird durch den Leiter die Leitungsführung realisiert.
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Die
elektrische Kontaktierung des flexiblen zweiten Abschnitts im Bereich
des Schaltungsträgers kann
beispielsweise durch das Vorsehen einer Aussparung in einer der
beiden isolierenden Schichten realisiert sein. Durch die Aussparung
hindurch kann dann ein elektrischer Kontakt zu dem Leiter herstellt werden.
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Die
elektrische Kontaktierung des flexiblen zweiten Abschnitts außerhalb
des Schaltungsträgers kann
auf unterschiedliche Weisen erfolgen. Gemäß einer Ausgestaltung ist der
flexible Leiter einstückig über zumindest
eine Seitenkante des Schaltungsträgers hinaus geführt. Aufgrund
der Flexibilität
des Leiters kann dieser an der Seitenkante des Schaltungsträgers weder
brechen noch reißen.
Alternativ oder zusätzlich
kann der flexible Leiter einstückig
durch eine der isolierenden Schichten hindurch über zumindest eine Hauptfläche des
Schaltungsträgers
hinaus geführt
sein. Gemäß dieser
Ausgestaltung ist der zweite flexible Längenabschnitt aus der Ebene
der Strom führenden
Schicht gebogen herausgeführt,
so dass das Ende zwar im Bereich, d. h. einer Projektion, des Schaltungsträgers zum
Liegen kommen kann. Die elektrische Kontaktierung erfolgt bei dieser Variante
somit außerhalb
der zwischen den isolierenden Schichten vorgesehenen Strom führenden Schicht.
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Es
ist besonders zweckmäßig, wenn
der erste Längenabschnitt
des Leiters mit den zwei ihn einbettenden isolierenden Schichten
stoffschlüssig
verbunden ist. Hierdurch weist der flexible Leiter im Bereich seines
ersten Längenabschnitts
einen genau definierten Verlauf auf, wobei ein Ablösen zwischen dem
flexiblen Leiter und den zwei an ihn grenzenden, isolierenden Schichten
verhindert werden kann. Andererseits ist der flexible Leiter während der
Herstellung des Stoffschlusses ausreichend elastisch, um eventuell
auftretende Verspannungen auszugleichen.
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Es
ist besonders bevorzugt, wenn der flexible Leiter aus einer Vielzahl
an Einzelleitern gebildet ist, welche miteinander verflochten sind.
Ein geflochtener Leiter weist in x-, y- und z-Richtung (welche jeweils senkrecht
zueinander stehen) eine Flexibilität auf. Dadurch ist ein Ausgleich
aller auftretenden Bewegungen während
der Herstellung des Schaltungsträgers
ohne Weiteres möglich.
Der flexible Leiter besteht insbesondere aus einem Metall oder einer
Metalllegierung, insbesondere aus Kupfer und Aluminium, oder aus
Kevlar. Prinzipiell kann jedes geeignete elektrisch leitfähige Material
zur Ausbildung des flexiblen Leiters verwendet werden. Soll der
flexible Leiter aus einer Vielzahl an Einzelleitern gebildet werden,
so müssen
die Einzelleiter eine ausreichende Flexibilität zum Verflechten aufweisen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung sind die isolierenden Schichten als Prepregs
oder als glasfaserverstärkter
Kunststoff, insbesondere FR-4 oder CEM-1, ausgebildet. Beim Verpressen
der isolierenden Schichten und dem dazwischen liegenden isolierenden
Leiter unter Druck- und Temperaturbeaufschlagung wird Harz der isolierenden
Schichten in den insbesondere geflochtenen Leiter gezogen, wodurch
auf einfache und zuverlässige
Weise die stoffschlüssige
Verbindung zwischen den isolierenden Schichten und dem flexiblen
Leiter hergestellt wird. Dies hat zur Folge, dass der flexible Leiter
nach der Herstellung im Bereich seines ersten Längenabschnitts seine Flexibilität verloren
hat und dadurch hervorragend an die isolierenden Schichten angebunden
ist. Demgegenüber
bleibt die Flexibilität
im Bereich des zweiten Län genabschnitts
bestehen, so dass über
diesen eine einfache Kontaktierung des Schaltungsträgers erfolgen
kann.
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Zur
elektrischen Kontaktierung des ersten Längenabschnitts des Leiters
sind eine oder mehrere Durchkontaktierungen in einer oder beiden
der isolierenden Schichten vorgesehen, um die Ausbildung einer Lötverbindung
oder einer Pressfit-Verbindung
zu einem Kontaktelement zu ermöglichen.
Unter dem Begriff der Durchkontaktierung wird in der Beschreibung
das Einbringen von Löchern
in die eine oder in beide der Schichten verstanden, wobei die Wandungen
der Löcher,
die bis an den Leiter grenzen, einem Galvanikprozess unterzogen
werden, so dass eine elektrische Verbindung zu dem Leiter hergestellt
ist.
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Es
ist weiterhin zweckmäßig, wenn
der zweite, flexible Längenabschnitt
des Leiters zur Vermeidung von Oxidationsvorgängen oberflächenbehandelt ist. Hierzu können alle
bekannten Prozesse der Leiterplattenherstellung angewandt werden.
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Es
ist weiterhin zweckmäßig, wenn
der zweite, flexible Längenabschnitt
des Leiters mit einer Isolation umgeben ist. Die Isolation kann
beispielsweise durch einen im Bereich des zweiten Längenabschnitts
vorgesehenen Schlauch aus Kunststoff gebildet sein. Die Isolation
kann auch durch Eintauchen des zweiten Längenabschnitts des Leiters
in ein isolierendes Material und anschließendes Aushärten gebildet sein.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
ist der zweite, flexible Längenabschnitt des
Leiters, insbesondere an seinem von der Seitenkante des Schaltungsträgers abgewandten
Ende, mit einem geschraubten, gecrimpten, verschweißten oder
vernieteten Kontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden.
Im Gegensatz zum Stand der Technik kann, sofern erwünscht, auf
eine stoffschlüssige
Verbindung, wie beispielsweise einen Schweißvorgang verzichtet werden,
der lediglich optional zum Einsatz kommen kann. Stattdessen ist
es aufgrund der Flexibilität
des Leiters im Bereich seines zweiten Län genabschnittes möglich, einen
Bolzen beispielsweise mit diesem zu verschrauben. Hierdurch können Übergangswiderstände, welche
beispielsweise bei einer Verschweißung auftreten, klein gehalten werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend näher
anhand dreier Ausführungsbeispiele
in der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
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1 in
einer schematischen Querschnittsdarstellung einen erfindungsgemäßen Schaltungsträger in einer
ersten Ausführungsvariante,
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2 in
einer schematischen Querschnittsdarstellung einen erfindungsgemäßen Schaltungsträger in einer
zweiten Ausführungsvariante,
und
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3 in
einer schematischen Querschnittsdarstellung einen erfindungsgemäßen Schaltungsträger in einer
dritten Ausführungsvariante.
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Ein
erfindungsgemäßer Schaltungsträger 1 umfasst
in allen drei dargestellten Ausführungsvarianten
zwei isolierende Schichten 2, 3, zwischen denen
ein flexibler Leiter 4 angeordnet ist. Der in den jeweiligen
Querschnittsdarstellungen gezeigte flexible Leiter 4 ist
Teil einer Strom führenden
Schicht, die zwischen den zwei isolierenden Schichten 2, 3 angeordnet
ist. Neben dem flexiblen Leiter 4 können in einem erfindungsgemäßen Schaltungsträger 1 weitere flexible
Leiter oder auch eine aus einer Metallstruktur herausgearbeitete
Leiterzugstruktur zwischen den isolierenden Schichten 2, 3 vorgesehen
sein.
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Der
flexible Leiter 4 ist bevorzugt aus einer Vielzahl an Einzelleitern
gebildet, welche miteinander verflochten sind. Der Vorteil eines
geflochtenen Leiters besteht darin, dass dieser in sämtliche
Erstreckungsrichtungen (d. h. x-, y- und z-Richtung) flexibel ist,
wodurch ein Ausgleich aller auftretenden Toleranzen während der
Fertigung sowie während
des Be triebs des Schaltungsträgers
möglich
ist. Die Einzelleiter des flexiblen Leiters können aus einem Metall, insbesondere
Kupfer oder Aluminium, einer Metalllegierung oder Kevlar bestehen.
Prinzipiell kann jedes leitfähige
Material verwendet werden.
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Die
isolierenden Schichten 2, 3 können beispielsweise als Prepregs
ausgebildet sein. Prepreg ist die englische Kurzform für Preimpregnated
Fibers, d. h. vorimprägnierte
Fasern. Prepreg bezeichnet ein Halbzeug, bestehend aus Endlosfasern
und einer ungehärteten
duroplastischen Kunststoffmatrix. Die Endlosfasern können als
unidirektionale Schicht, als Gewebe oder Gelege vorliegen. Als Fasertypen
kommen Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern zum Einsatz.
Die Prepreg-Matrix
besteht aus einer Mischung von Harz und Härter, wobei eine Aushärtung unter
erhöhter
Temperatur erfolgt. Die Verarbeitung kann mit Heißpresstechnik
oder Autoklavtechnik erfolgen. Bei beiden Techniken erhöht sich durch
den Druck der Faservolumenanteil. Die isolierenden Schichten 2, 3 können auch
als glasfaserverstärkter
Kunststoff, GFK, ausgebildet sein. Dies ist ein Faser-Kunststoff-Verbund
aus einem Kunststoff und Glasfasern. Als Kunststoff kommt beispielsweise Polyesterharz,
Epoxydharz oder Polyamid zum Einsatz. Insbesondere kann hierbei
ein Epoxydharz-Laminat, das als FR-4 oder CEM-1 bekannt ist, zum Einsatz
kommen.
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Der
flexible Leiter 4 ist im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 über eine
Seitenkante 5 des Schaltungsträgers 1 hinausgeführt. Der
flexible Leiter 4 kann in einer nicht dargestellten Ausgestaltung
auch über
mehrere Seitenkanten des Schaltungsträgers hinausgeführt sein.
Dabei bietet es sich bei dieser Ausführungsvariante an, den flexiblen
Leiter über
die beiden gegenüberliegenden
Seitenkanten des Schaltungsträgers
hinauszuführen.
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Der
flexible Leiter 4 umfasst einen ersten Längenabschnitt 9 der
Länge l1, der unbeweglich zwischen den zwei isolierenden
Schichten 2, 3 angeordnet ist, und sich nahezu über die
ge samte Breite der isolierenden Schichten 2, 3 erstreckt.
Die Länge
l1, insbesondere im Verhältnis zur Länge bzw. Breite des Schaltungsträgers 1 kann
prinzipiell beliebig gewählt
werden. Ein zweiter Längenabschnitt 10 des flexiblen
Leiters 4 ist flexibel außerhalb des Schaltungsträgers angeordnet,
wodurch dieser aufgrund seiner Flexibilität mittels einer in der Figur
nicht näher dargestellten
Kontaktmittels mechanisch und elektrisch kontaktierbar ist. Der
zweite, flexible Längenabschnitt 10 weist
eine Länge
l2 auf, die typischerweise einige Zentimeter
beträgt
und den Anforderungen entsprechend gewählt werden kann.
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Der
erste Längenabschnitt 9 des
Leiters 4 ist mit den zwei ihn einbettenden isolierenden
Schichten zweckmäßigerweise
stoffschlüssig
verbunden, wobei der Stoffschluss durch das Verpressen der isolierenden
Schichten 2, 3 und dem Leiter 4 unter
Druck- und Temperaturbeaufschlagung realisiert sein kann. Beim Vorgang
des Verpressens wird Harz der isolierenden Schichten 2, 3 durch
Kapillarkräfte
in den aus einer Vielzahl an Einzelleitern gebildeten flexiblen Leiter
gezogen, wodurch die bevorzugte stoffschlüssige Verbindung hergestellt
ist. Durch die stoffschlüssige
Verbindung ist eine optimale Fixierung des elektrischen Leiters 4 im
Inneren der isolierenden Schichten 2, 3 sichergestellt.
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Die
elektrische Kontaktierung des Leiters 4 im Bereich seines
ersten Längenabschnitts 9 erfolgt durch
das Einbringen einer Bohrung 7 (eines sog. Vias), deren
Wandung und Boden anschließend
mit einer Metallschicht 8 versehen wird. In die Bohrung 7 kann
dann ein nicht dargestellter Hochstromsteckverbinder, ein Pressfit-Kontaktstift
und dergleichen eingesteckt werden. Ebenso ist es möglich, eine
Lötverbindung
eines elektrischen Leiters zu der Durchkontaktierung herzustellen.
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Die
elektrische Kontaktierung des Leiters 4 im Bereich seines
zweiten Längenabschnitts 10 erfolgt
vorzugsweise an einem Leiterende 6, das an dem der Seitenkante 5 gegenüber liegen den
Ende liegt. Aufgrund der Flexibilität des Leiters 4 in
seinem zweiten Längenabschnitt 10 kann
die Herstellung der elektrischen Verbindung durch Verschraubung,
Vercrimpung, Vernietung oder gegebenenfalls einer Verschweißung erfolgen.
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Um
eine elektrische Isolation zur Vermeidung von Gesundheitsschäden, Kurzschlüssen oder Spannungsüberschlägen zu erhalten,
kann weiterhin vorgesehen sein, den zweiten, flexiblen Längenabschnitt 10 des
Leiters 4 mit einer Isolation zu umgeben. Die Isolation
kann durch einen um den zweiten Längenabschnitt 10 herum
aufgebrachten Kunststoffschlauch oder eine Isolationsbeschichtung
gebildet sein.
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Darüber hinaus
ist es zweckmäßig, wenn
der zweite, flexible Längenabschnitt
des Leiters 4 zur Vermeidung von Oxidationsvorgängen oberflächenbehandelt
ist. Die Oberflächenbehandlung
kann unter Einsatz aller bekannten Prozesse der Leiterplattenherstellung
erfolgen.
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Die
in 2 dargestellte, zweite Ausgestaltungsvariante
unterscheidet sich von 1 dadurch, dass der flexible
zweite Längenabschnitt 10 nicht über die
Seitenkante 5, sondern über
eine Hauptfläche 11 der
isolierenden Schicht 2 hinausgeführt ist. Der flexible zweite
Längenabschnitt 10 ist
damit aus der Ebene der Strom führenden
Schicht gebogen herausgeführt,
so dass sein Ende 6 im Bereich, d. h. einer Projektion,
des Schaltungsträgers 1 zum
Liegen kommt. Je nach Länge
des zweiten Längenabschnitts 10,
kann dessen Ende auch seitlich über
den Schaltungsträger
hinaus ragen. Die elektrische Kontaktierung erfolgt bei dieser Variante
somit außerhalb der
zwischen den isolierenden Schichten 2, 3 vorgesehenen
Strom führenden
Schicht am Ende 6 des zweiten Längenabschnitts 10.
Die Herstellung der elektrischen Verbindung kann durch Verschraubung, Vercrimpung,
Vernietung oder gegebenenfalls einer Verschweißung erfolgen.
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Ein
Vorteil gegenüber
herkömmlichen
Lösungen
bei beiden beschriebenen Ausführungsvarianten
besteht darin, dass ein einstückiger,
flexibler Leiter 4 über
entweder über
die Seitenkante 5 oder die Hauptfläche 11 einer der isolierenden
Schichten 2, 3 hinausgeführt ist, wobei dessen Flexibilität außerhalb
des Schaltungsträgers
gewährleistet
bleibt. Dadurch kann die Anzahl an Kontaktübergängen gering gehalten werden,
wodurch sich gute elektrische Eigenschaften ergeben.
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3 zeigt
eine dritte Ausführungsvariante des
erfindungsgemäßen Schaltungsträgers 1,
die sich von den ersten beiden Varianten darin unterscheidet, dass
der flexible Längenabschnitt 10 nicht über die
Seitenkante 5 oder eine Hauptfläche 11, einer der
isolierenden Schichten 2, 3 hinausgeführt ist. Stattdessen
liegt der flexible Längenabschnitt 10 in der
Ebene der Strom führenden
Schicht und kann durch die Aussparung 7 in der isolierenden
Schicht 2 kontaktiert werden. Über die Breite der Aussparung 7 ist
der Leiter 4 flexibel, d. h. die Breite der Aussparung 7 entspricht
der Länge
l2 des zweiten Längenabschnitts 10.
Der erste Längenabschnitt 9,
in dem der Leiter 4 fest mit den isolierenden Schichten 2, 3 verbunden
ist, erstreckt sich beidseitig der Aussparung 7 und umfasst
zwei Abschnitte der Länge
l1 und l3.
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Die
Flexibilität
des Leiters 4 im Bereich der Aussparung ermöglicht einen
hervorragenden Toleranzausgleich bei der Herstellung der elektrischen Verbindung
zu einem z. B. auf der isolierenden Schicht 2 aufgebrauchten
Bauelement. Die Herstellung der elektrischen Verbindung erfolgt
z. B. mittels Lötung
oder Verschweißung.
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Der
Einsatz eines flexiblen Leiters, insbesondere in Gestalt eines geflochtenen
Leiters, ermöglicht darüber hinaus
die Bereitstellung nahezu beliebiger Querschnitte, wodurch auch
Hochstromanwendungen auf oder in einem Schaltungsträger ermöglicht werden.
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Die
Herstellung eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers kann
unter Verwendung bekannter Herstellungsverfahren erfolgen. Insbesondere
ist die Herstellung von Durchkontaktierun gen aus dem Bereich der
Leiterplattenherstellung bestens bekannt.
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Die
Erfindung schlägt
somit vor, eine üblicherweise
zwischen zwei isolierenden Schichten eines Schaltungsträgers vorgesehene
Leiterfolie durch einen flexiblen Leiter, insbesondere ein geflochtenes Leiterband,
zu ersetzen, welches an zumindest einer Seite des Schaltungsträgers mehrere
Zentimeter über
die Hüllfläche des
Schaltungsträgers
geführt wird
oder durch eine Aussparung einer der isolierenden Schichten hindurch
kontaktierbar ist. Der Leiter wird im Bereich des Schaltungsträgers mit
Prepreg oder einem glasfaserverstärkten Kunststoff „umbacken”, wodurch
dieser im Bereich des Schaltungsträgers seine Flexibilität verliert.
Der Teil des Leiters, der außerhalb
der Leiterplatte verbleibt oder nicht beiseitig von dem Material
der isolierenden Schichten umgeben ist, bleibt jedoch in alle drei
Richtungen flexibel.