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Befestigungsstift zur mechanischen Befestigung und elektrischen Anbindung einer Leiterplatte an einem metallischen Träger, Verbund und Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbunds
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Die Erfindung betrifft einen Befestigungsstift zur mechanischen Befestigung und elektrischen Anbindung einer Leiterplatte an einen metallischen Träger und ein Verfahren zur Herstellung eines Verbunds aus einem Befestigungsstift und einer Leiterplatte. Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch ein Verfahren zur Befestigung eines solchen Verbunds an einen metallischen Träger.
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Bei elektronischen Geräten wird sehr oft aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EVM) eine mechanische Befestigung von Leiterplatten bei gleichzeitiger elektrischer Anbindung an ein metallisches Gehäuse oder einen Träger gefordert. Dies wird gewöhnlich mittels Schraubverbindungen oder durch Nieten realisiert. Diese Art der mechanischen Befestigung und Masseanbindung der Leiterplatten hat mehrere Nachteile. Zum einen kann es leicht zu Montagefehlern beim Zusammenbau kommen. Auch sind Schraubprozesse trotz moderner Elektroschrauber immer noch als kritisch einzustufen. Zum Beispiel kann es zu einem Schraubenabriss oder nicht richtig angezogener Schrauben kommen, was zur Erhöhung des elektrischen Übergangswiderstands der Masseanbindung und Ausfällen, insbesondere bei Vibrationen oder Stößen, führen kann. Darüber hinaus sind manuelle Schraubprozesse sowie deren Vollautomatisierung vergleichsweise kostenintensiv.
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Eine Leiterplattenklemme gemäß der Druckschrift
JP H08- 148 205 A umfasst einen zylindrischen Körper und einen Flansch. Ein Paar erste Rippen und ein Paar zweite Rippen in einer in axialer Richtung verschobenen Position sind im Bereich der Seite des Körpers vorgesehen. Die zweiten Rippen sind in der Mitte in einem Raum zwischen den ersten Rippen positioniert. Nach dem Einpressen in eine Leiterplatte werden die Rippen mit den Öffnungen in Eingriff gebracht und dadurch die Klemme gehalten.
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Die Druckschrift
US 4 155 321 A betrifft einen Verbinder zum Verbinden mehrerer leitender Schichten in einer Leiterplatte. Der Verbinder enthält ein Paar länglicher elektrischer Anschlüsse und einen nachgiebigen Abschnitt dazwischen. Auf einer Außenfläche des nachgiebigen Abschnitts sind mehrere im Allgemeinen parallele erhabene Druckkanten enthalten. Der Verbinder kann vorteilhafterweise in mehrere halbgetrennte Segmente unterteilt sein, wodurch die Verbindung einer axial ausgerichteten Spur von Leiterplatten ermöglicht wird.
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Die Druckschrift
US 5 497 546 A zeigt Lastanschlüsse, die auf einer Leiterplatte montiert werden, indem an jedem Leitungsanschluss und an jeder leitenden Innenwandfläche der in der Leiterplatte ausgebildeten Löcher eine Lötschicht vorgesehen wird. Die Anschlussklemmen werden in entsprechende Löcher geschoben, und Kontaktteile der Lötschichten werden mit einem Energiestrahl bestrahlt, um ausreichend Wärme zum flusslosen Schweißen jedes Leitungsanschlusses an die Innenwandoberfläche seines jeweiligen Lochs zu erzeugen.
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Die Druckschrift
US 4 109 295 A betrifft eine Leiterplattenkomponente, umfassend: ein zylindrisches Körperelement; eine elektrische Komponente, die in dem zylindrischen Körperelement montiert ist; elektrisch leitendes Material, das an Abschnitten der Außenflächen des Körperelements positioniert ist; Leitungen, die die elektrische Komponente mit dem elektrisch leitenden Material durch das zylindrische Körperelement verbinden; und Verzahnungen in dem elektrisch leitenden Material zum Eingreifen in eine Kontaktfläche auf einer Leiterplatte.
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Die Druckschrift
US 5 073 118 A betrifft eine elektronische Komponente mit Kontaktflächen, die mittels elektrischer Anschlüsse an einer Leiterplatte oberflächenmontiert ist, die jeweils einen Kopf mit einer flachen Kontaktfläche aufweisen und einen Schaft, der die Form eines nachgiebigen Stifts haben kann und sich normalerweise von der Eingriffsfläche des Polsters erstreckt. Jede Pad-Eingriffsfläche hat eine Goldabdeckung, die durch Galvanisieren oder Einlegen bereitgestellt wird. Die Leiterplatte hat Metall, das durch Löcher im gleichen Muster wie die Pads der elektronischen Komponente ausgekleidet ist. Der Schaft jeder Klemme wird in die Metallauskleidung eines jeweiligen Lochs in der Leiterplatte eingeführt, so dass der Kopf der Klemme an einem Steg einer der Auskleidungen anliegt, wonach die elektronische Komponente auf der Leiterplatte sitzt, wobei jedes Kontaktfeld der elektronischen Komponente mit der goldbedeckten Fläche eines entsprechenden Terminals in Eingriff steht.
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In der Druckschrift
DE 10 2007 005 877 A1 wird ein Verbindungssystem für Leiterplatten mit Durchkontaktierung bereitgestellt, in dem auf einem separaten flexiblen Kontaktträger ein oder mehrere Kontaktstifte eingesteckt sind, der Kontaktträger mit einer ersten Leiterplatte und mindestens mit einer zweiten Leiterplatte mittels Einpressen verbindbar ist und die Einpress-Kontaktstifte mindestens zwei voneinander beabstandete Bereiche von Einpresszonen aufweisen. Mit dem erfindungsgemäßen Verbindungssystem kann ein modulares Verbindungssystem bereitgestellt werden, das gegenüber den bisher einzeln eingefädelten und montierten Einpress-Stiften den entscheidenden Vorteil aufweist, dass es eine vereinfachte Montage auch vieler Kontaktstifte gleichzeitig erlaubt und zudem die Vorteile der Einpressverbindungen zeigt. Insbesondere in größeren Abmessungen der Leiterplatte ohne zusätzliche Fädelhilfe sichergestellt werden bei gleichzeitigem Toleranzausgleich durch die Flexibilität des Kontaktträgers.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Befestigung einer bestückten Leiterplatte, beispielsweise einer Motorsteuerung, an einen metallischen Träger, wie einem Leichtmetallgehäuse oder einer metallischen Kühlplatte, in einfacher und kostengünstiger Weise zu ermöglichen. Die Befestigung soll darüber hinaus eine ausreichende, mechanische Festigkeit besitzen und eine zuverlässige elektrische Masseanbindung der Leiterplatte an den metallischen Träger ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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1. Erfindungsgemäß wird ein Befestigungsstift zur mechanischen Befestigung und gleichzeitigen elektrischen Anbindung einer Leiterplatte an einen metallischen Träger bereitgestellt, der einen Kopfabschnitt und einen sich an den Kopfabschnitt anschließenden Einpressabschnitt zur mechanischen Befestigung und zur elektrischen Anbindung an einen Träger umfasst, wobei der Kopfabschnitt Mittel zur gasdichten elektrischen Verbindung mit leitenden Abschnitten der Leiterplatte an einer ersten Seite der Leiterplatte aufweist und dass der Einpressabschnitt Erhebungen an seiner Mantelfläche aufweist. Der Einpressabschnitt ist zur mechanischen Befestigung und zur elektrischen Anbindung an den Träger an einer der ersten Seite der Leiterplatte gegenüberliegenden Seite vorgesehen.
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Der erfindungsgemäße Befestigungsstift ist zweckgemäß aus elektrisch leitendem Material gefertigt, welches zudem eine ausreichende Festigkeit aufweist, die eine stabile und dauerhafte Befestigung einer Leiterplatte an einem Träger gewährleistet. Bevorzugt ist der Befestigungsstift aus metallischem Material, beispielsweise aus Stahl gefertigt.
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Unter dem Begriff Kopfabschnitt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Teil des Befestigungsstifts bezeichnet, der bei einer Einführung des Befestigungsstifts in und durch die Aussparung einer Leiterplatte auf der Oberfläche der Leiterplatte verbleibt. Der Kopfabschnitt kann beispielsweise mit einem im Wesentlichen runden Querschnitt ausgestaltet sein, aber auch andere Querschnittgeometrien sind möglich. Der Kopfabschnitt des Befestigungsstifts kann weiterhin eine plane, zum Einpressabschnitt gewandte Auflagefläche aufweisen, die zumindest teilweise mit der Oberfläche einer Leiterplatte verbunden und/oder zur Anlage gebracht werden kann. Der Kopfabschnitt in Richtung des Einpressabschnitts ist dabei mit einer lötbaren Oberfläche versehen.
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Als Einpressabschnitt wird der Teil des erfindungsgemäßen Befestigungsstifts bezeichnet, der in und durch eine Aussparung einer Leiterplatte geführt werden kann. Dieser Einpressabschnitt kann beispielsweise im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet sein. Der Einpressabschnitt schließt sich direkt an den Kopfabschnitt an. Hierbei verjüngt sich der Querschnitt des Befestigungsstifts, wobei der Einpressabschnitt bevorzugt stufenartig gegenüber dem Kopfabschnitt abgesetzt ist. Der Einpressabschnitt weist mit anderen Worten in der Diagonalen einen kleineren Querschnitt auf als der Kopfabschnitt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Befestigungsstift an seinem Kopfabschnitt mindestens eine Kontaktnase aufweist. Die Kontaktnase oder die Kontaktnasen sind erfindungsgemäß Mittel zur gasdichten elektrischen Verbindung mit leitenden Abschnitten der Leiterplatte. Unter den erfindungsgemäßen Kontaktnasen sind an der Auflagefläche des Kopfabschnitts, also zum Einpressabschitt hin gerichtete, angeformte oder ausgebildete Erhöhungen oder Überstände. Die Kontaktnasen können dabei insbesondere am Umfangsrand des Kopfabschnitts in Richtung des Einpressabschnitts ausgebildet sein. Die Kontaktnasen des Befestigungsstifts können vorteilhafterweise beim Verpressen einer Leiterplatte mit einem metallischen Träger gasdicht mit der Leiterplatte verbunden und elektrisch kontaktiert werden. Die erfindungsgemäßen Kontaktnasen dienen also zum einen dazu, den elektrischen Kontakt des Befestigungsstifts zu einer Leiterplatte nach einem Verpressen der damit bestückten Leiterplatte mit einem metallischen Träger zu sichern und weiterhin auch eine Relativbewegung zwischen der Leiterplatte und dem Befestigungsstift und eine möglicherweise daraus folgende Lockerung des Presssitzes zu vermeiden.
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Weiterhin ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Befestigungsstifts der Erfindung vorgesehen, dass die Erhebungen des Einpressabschnitts als Rillen oder Kerben ausgebildet sind.
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Die Rillen oder Kerben sind dabei zweckmäßigerweise im Wesentlichen senkrecht ausgebildet. Mit anderen Worten kann der Einpressabschnitt ein Rillenprofil an seiner Mantelfläche aufweisen. Senkrecht bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Rillen oder Kerben im Wesentlichen in Einpressrichtung ausgestaltet sind. Hierdurch kann das Einpressen des Befestigungsstifts in eine Aussparung in einem metallischen Träger mit deutlich geringeren Einpresskräften erfolgen. Diese Ausgestaltung hat weiterhin den Vorteil, dass im eingepressten Zustand eine Relativbewegung zwischen dem Träger und dem Befestigungsstift und eine möglicherweise daraus folgende Lockerung des Presssitzes vermieden werden kann. Eine solche Einpressverbindung mit einem erfindungsgemäßen Befestigungsstift kann daher zum einen leicht hergestellt werden und zum anderen eine verbesserte Stoß- und Vibrationsfestigkeit aufweisen. Dies ist besonders für Anwendungen in der Automobiltechnik vorteilhaft.
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Der erfindungsgemäße Befestigungsstift kann sich zum Beispiel mit dem Rillenprofil in einen metallischen Träger einschneiden. Dabei kann eine Kaltverschweißung zwischen der Umfangsfläche des Befestigungsstifts mit dem Rillenprofil und der metallischen Oberfläche der Aussparung des Trägers entstehen, die zu sehr geringen Übergangswiderständen führen kann.
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Der erfindungsgemäße Befestigungsstift kann erfindungsgemäß auch als Einpressrillenstift oder Einpresskerbenstift bezeichnet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Einpressabschnitt des Befestigungsstifts an seinem dem Kopfabschnitt abgewandten Ende eine Fase aufweisen. Die Fase als Materialverjüngung in Form einer abgeschrägten Fläche kann zum einen als Einführhilfe dienen und auch das Zentrieren des Befestigungsstifts innerhalb einer Aussparung in einem metallischen Träger erleichtern und somit gleichermaßen als Einweiser dienen.
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Im Rahmen einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kopfabschnitt der Befestigungsstifts einen im Wesentlichen planen Bereich zur Anbringung einer Kodierung aufweist. Dieser plane Bereich kann beispielsweise am Umfangsrand des Kopfbereichs ausgebildet sein. Eine Kodierung kann vorteilhafterweise die automatisierte Bestückung mit den Befestigungsstiften erleichtern, die Präzision der Bestückung erhöhen und eine nachfolgende Qualitätskontrolle ermöglichen.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile der erfindungsgemäßen Befestigungsstifte wird hiermit explizit auf die Ausführungen zu den erfindungsgemäßen Verfahren in ihren möglichen Ausgestaltungen verwiesen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Verbunds aus einer Leiterplatte und einem erfindungsgemäßen Befestigungsstift, wie er vorstehend in verschiedenen Ausführungsformen beschrieben wurde. Wesentlicher Schritt in diesem Verfahren ist, dass der Befestigungsstift automatisiert in einem Verfahren zur Oberflächenmontage (SMT Surface Mounting Technology) auf der Leiterplatte bestückt wird. Mit anderen Worten kann die Bestückung einer Leiterplatte mit SMD Bauteilen und einem oder mehreren erfindungsgemäßen Befestigungsstiften in einem einzigen SMT-Bestückungsprozess vollautomatisch in einem Prozessschritt erfolgen.
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Der Kopfabschnitt des Befestigungsstifts kann dabei eine plane, die Aussparung in einer Leiterplatte überragende, zum Einpressabschnitt gewandte Auflagefläche aufweisen, die mit der Oberfläche der Leiterplatte verbunden und/oder zur Anlage gebracht werden kann. Mit anderen Worten kann der Kopfabschnitt mit einem größeren Querschnitt ausgebildet sein als der Einpressabschnitt und die Aussparung in der Leiterplatte abdecken. Die Auflagefläche des Kopfabschnitts kann beispielsweise mit Lotpunkten versehen und/oder mit Lötpads auf einer Leiterplattenoberfläche verbunden werden.
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Zweckmäßigerweise kann der Einpressabschnitt in Relation zur Dicke der ausgewählten Leiterplatte in einer Länge ausgestaltet sein, dass der Einpressabschnitt des Befestigungsstifts die Leiterplatte durchgreift und darüber hinausragt und so mit einem, dem Kopfabschnitt abgewandten, Endabschnitt zur weiteren Verbindung mit einem metallischen Träger, beispielsweise einem Leichtmetallgehäuse oder einer Kühlplatte, zur Verfügung steht.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist daher als wesentlicher Schritt vorgesehen, dass die Leiterplatte automatisiert in einem SMT-Verfahren mit einem oder mehreren erfindungsgemäßen Befestigungsstiften bestückt wird, wobei dies vorteilhafterweise gleichzeitig mit der Bestückung mit anderen SMD Bauteilen erfolgen kann. Vorteilhafterweise kann erfindungsgemäß gegenüber den sonst notwendigen Schraubprozessen die Zahl der Fertigungsschritte reduziert und die Montagekosten erheblich gesenkt werden.
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Die Abkürzung SMD kommt von Surface Mounted Devices und bedeutet Oberflächen-montierbare Bauteile. Solche Bauteile haben keine Drahtanschlüsse, sondern werden über Anschlussflächen direkt auf einer Leiterplatte befestigt. Vorteilhafterweise sind bei diesem SMT-Verfahren daher keine aufwendigen Bohrungen, Verschraubungen auf der Leiterplatte oder Bedrahtungen notwendig, die bei der Durchsteckmontage (Through-the-hole-Technology, THT oder auch Pin-in-hole-Technology, PIH) unvermeidlich sind.
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Die Bestückung mit den Befestigungsstiften und Bauteilen kann automatisiert und mit hoher Präzision erfolgen. Zudem kann durch die Vermeidung von Schraubverbindungen und zugehörigen Bohrungen eine erfindungsgemäße Leiterplatte deutlich kostengünstiger gefertigt werden. Weiterhin kann durch die automatisierte Bestückung der Leiterplatte mit den Einpressrillenstiften durch SMT-Verfahren nicht nur eine schnelle Produktion, sondern auch eine besonders gute Fertigungsqualität erzielt werden. Die Fertigungsqualität kann zudem durch eine mögliche automatische optische Inspektion (AOI)gesteigert werden. Insgesamt ist es damit problemlos möglich die Bestückung der Leiterplatte mit einem oder mehreren Befestigungsstiften und die Bestückung der Leiterplatte mit weiteren Bauteilen eines gewünschten Layouts in einem Prozess zu integrieren und gegebenenfalls in einem Verfahrensschritt durchzuführen. Darüber hinaus kann der Flächenbedarf der Leiterplatte für das oder die Befestigungselemente gegenüber den üblicherweise verwendeten Schrauben reduziert werden. Auch der Materialverbrauch für das oder die Befestigungselemente kann minimiert werden, da beispielsweise das Gewicht des einzelnen Befestigungsstifts kleiner sein kann als das einer üblich verwendeten M3 Schraube.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Befestigungsstift mittels eines Lötschrittes mechanisch mit der Leiterplatte bis zur Verpressung mit einem Träger verbunden werden. Mit anderen Worten kann der Befestigungsstift mittels einer Lötverbindung zumindest vorübergehend auf der Leiterplatte vorfixiert werden. Die im SMT-Verfahren auf der Leiterplatte platzierten Befestigungsstifte können gleichzeitig mit den weiteren SMD Bauteilen, beispielsweise in einem Reflow-Prozess, gelötet werden. Die auf der Leiterplatte platzierten Befestigungsstifte können mit einer oder mehreren vergleichsweise kleinen Lötstellen gehalten werden. Diese Lötstellen können die Befestigungsstifte beispielsweise während des Transports und beim Testen der Leiterplatte sichern Diese Lötverbindung kann also als reine Vorfixierung dienen, die keine elektrische Verbindung darstellt.
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Das Reflow-Löten bietet den Vorteil, dass mit relativ dem SMD Verfahren, beispielsweise einem einfachem Pick & Place Bauteile auf der Leiterplatte platziert und anschließend in einem Batch-Prozess gemeinsam in einem Ofen gelötet werden können. Der Befestigungsstift wird beim Platzieren mit seinem Einpressabschnitt in und durch die Aussparung geführt, wobei die Aussparung einen größeren Querschnitt aufweisen kann als der Einpressabschnitt. Die dem Einpressabschnitt zugewandte Auflagefläche am Kopfabschnitt weist eine lötbare Oberfläche auf und wird mit der Oberfläche der Leiterplatte zur Anlage gebracht und mit Lötpads auf der Oberfläche der Leiterplatte verbunden.
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Während des Reflows kann außerdem ein Selbstjustageeffekt ausgenutzt werden. Vorteilhafterweise können beispielsweise kleine Positionierungsfehler bei der SMT-Bauteilbestückung beim Reflow-Löten automatisch durch die Oberflächenspannung des flüssigen Lots korrigiert werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Verbunds aus einer Leiterplatte mit einem metallischen Träger umfassend ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Verbunds aus einer Leiterplatte und einem erfindungsgemäßen Befestigungsstift wie es vorstehend beschrieben wurde. In einem zusätzlichen Schritt wird hierbei die Leiterplatte mittels des Befestigungsstifts mit dem metallischen Träger verpresst, wobei der Befestigungsstift mit Mitteln an seinem Kopfabschnitt eine gasdichte Pressverbindung mit elektrisch leitenden Abschnitten der Leiterplatte bildet und weiterhin mindestens ein Teil des Einpressabschnitts in eine Aussparung des metallischen Trägers geführt wird und mit dem Träger eine Pressverbindung eingeht. Zum einen wird erfindungsgemäß auf diese Weise eine zuverlässige elektrische Masseanbindung zwischen einer bestückten Leiterplatte und Träger und gleichzeitig eine ausreichende mechanische Befestigung hergestellt. Die bestückte Leiterplatte kann beispielsweise eine Motorsteuerung sein, die an einem Leichtmetallgehäuse befestigt wird. Beim Einpressprozess kann die Vorfixierung des Befestigungsstifts auf der Leiterplatte mittels einer oder mehrerer Lötstellen gerissen oder gebrochen werden, um Positionstoleranzen montierter Bauteile ausgleichen zu können.
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Erfindungsgemäß können die Mittel zur gasdichten elektrischen Verbindung mit leitenden Abschnitten der Leiterplatte eine Kontaktnase mehrere Kontaktnasen sein, wie sie vorstehend in der Beschreibung des Befestigungsstifts wiedergegeben sind. Die Kontaktnasen des Befestigungsstifts können vorteilhafterweise beim Verpressen einer Leiterplatte mit einem metallischen Träger gasdicht mit der Leiterplatte verbunden und elektrisch kontaktiert werden. Die erfindungsgemäßen Kontaktnasen dienen zum einen dazu, den elektrischen Kontakt des Befestigungsstifts zu einer Leiterplatte nach dem Verpressen der bestückten Leiterplatte mit einem metallischen Träger zu sichern und weiterhin auch dazu eine Relativbewegung zwischen der Leiterplatte und dem Befestigungsstift und eine möglicherweise daraus folgende Lockerung des Presssitzes zu vermeiden.
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Der Einpressabschnitt des Befestigungsstifts durchgreift die Leiterplatte und ragt darüber hinaus, so dass der dem Kopfabschnitt abgewandte Endabschnitt des Einpressabschnitts eine Pressverbindung mit einem metallischen Träger, beispielsweise einem Leichtmetallgehäuse oder einer Kühlplatte, bilden kann. Im eingepressten Zustand kann eine Relativbewegung zwischen dem Träger und dem Befestigungsstift und eine möglicherweise daraus folgende Lockerung des Presssitzes durch das Rillen- oder Kerbenprofil des Einpressabschnitts vermieden werden kann. Die Pressverbindung einer Leiterplatte zu einem Träger mit einem erfindungsgemäßen Befestigungsstift kann zum einen leicht hergestellt werden und zum anderen eine verbesserte Stoß- und Vibrationsfestigkeit aufweisen. Dies ist besonders für Anwendungen in der Automobiltechnik vorteilhaft.
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Der erfindungsgemäße Befestigungsstift kann sich zum Beispiel mit dem Rillenprofil in den metallischen Träger einschneiden. Dabei kann eine Kaltverschweißung zwischen der Umfangsfläche des Befestigungsstifts mit dem Rillenprofil und der metallischen Oberfläche der Aussparung des Trägers entstehen, die zudem zu vorteilhaft geringen Übergangswiderständen führen kann.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren wird hiermit im Weiteren explizit auf die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Befestigungsstift in ihren möglichen Ausgestaltungen verwiesen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines Befestigungsstifts in einer elektrischen Steuerung, wobei die elektrische Steuerung eine Getriebe- oder Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs sein kann. Die Erfindung umfasst mit anderen Worten auch eine elektrische Getriebe- oder Motorsteuerung, enthaltend eine oder mehrere erfindungsgemäße Befestigungsstifte.
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Hinsichtlich der Vorteile der Verfahren wird hiermit im Weiteren explizit auf die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Leiterplatte in ihren möglichen Ausgestaltungen und auf das erfindungsgemäße Verfahren verwiesen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens eine erfindungsgemäße elektrische Steuerung. Hinsichtlich der Vorteile wird hiermit im Weiteren explizit auf die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Befestigungsstift in seinen möglichen Ausgestaltungen und auf die erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen. I
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert ohne hierauf beschränkt zu sein.
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Es zeigen:
- 1a und 1b: eine schräge Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Befestigungsstift;
- 2: eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäß bestückte und mit einem Träger verbundene Leiterplatte;
- 3: eine schematische Draufsicht auf eine Detailansicht X aus 2;
- 4: eine schematische Draufsicht auf eine Detailansicht X aus 2 ohne den Befestigungsstift; und
- 5: eine Schnittdarstellung eines montierten Befestigungsstifts.
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In 1a und 1b ist in einer schematischen Draufsicht ein Befestigungsstift 1 gezeigt. Dieser umfasst einen Kopfabschnitt 2 und einen sich an den Kopfabschnitt 2 anschließenden Einpressabschnitt 3 zur mechanischen Befestigung und zur elektrischen Anbindung einer Leiterplatte 10 an einen Träger 11 umfasst. Der Einpressabschnitt 3 schließt sich direkt an den Kopfabschnitt 2 an. Der Kopfabschnitt 2 weist Kontaktnasen 4, als Mittel zur gasdichten elektrischen Verbindung mit leitenden Abschnitten der Leiterplatte 10 auf. Der Einpressabschnitt 3 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltetet und weist Erhebungen 5 an seiner Mantelfläche auf, die ein Rillenprofil bilden. Der Kopfabschnitt 2 des Befestigungsstifts 1 weist in der gezeigten Ausführungsform einen im Wesentlichen planen Bereich 6 zur Anbringung einer Kodierung auf, der am Umfangsrand des Kopfbereichs 2 ausgebildet ist. Eine Kodierung kann vorteilhafterweise die automatisierte Bestückung mit den Befestigungsstiften 1 erleichtern, die Präzision der Bestückung erhöhen und eine nachfolgende Qualitätskontrolle ermöglichen. Der Kopfabschnitt 2 weist weiterhin eine zum Einpressabschnitt 3 gewandte plane Auflagefläche 7 auf, die mit der Oberfläche einer Leiterplatte verbunden und/oder zur Anlage gebracht werden kann. Die Auflagefläche 7 des Kopfabschnitts 2 kann beispielsweise mit einer lötbaren Oberfläche versehen und mit Lötpads 14 auf einer Leiterplattenoberfläche verbunden werden. Der Einpressabschnitt 3 des Befestigungsstifts 1 weist an seinem dem Kopfabschnitt 2 abgewandten Ende eine Fase 8 auf. Die Fase 8 als Materialverjüngung in Form einer abgeschrägten Fläche kann zum einen als Einführhilfe dienen und auch das Zentrieren des Befestigungsstifts 1 innerhalb einer Aussparung 13 in einem metallischen Träger 11 erleichtern und somit gleichermaßen als Einweiser dienen.
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2 zeigt in einer schematischen Draufsicht auf eine mit erfindungsgemäßen Befestigungsstiften 1 (siehe 1a und 1b) bestückte Leiterplatte 10, die an einem Träger 11, beispielsweise einer Kühlplatte aus Aluminium oder einem Leichtmetallgehäuse befestigt ist.
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Die 3 zeigt den vergrößerten Detailausschnitt X aus 2 wobei auf der Leiterplatte 10 in diesem Ausschnitt ein erfindungsgemäßer Befestigungsstift 1 montiert ist. In der Draufsicht ist lediglich der Kopfabschnitt 2 des Befestigungsstifts 1 mit dem planen Bereich 6 zur Anbringung einer Kodierung sichtbar.
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Die 4 zeigt den vergrößerten Detailausschnitt X aus 2, wobei im Gegensatz zur Ansicht in 3 der erfindungsgemäße Befestigungsstift 1 nicht gezeigt ist, so dass die darunter angeordnete Aussparung 12 in der Leiterplatte 10 sowie die nochmals darunter angeordnete Ausnehmung 13 im Träger 11 zur Aufnahme des Einpressabschnitts 3 sichtbar sind. Darüber hinaus ist auf der Oberfläche der Leiterplatte 10 ein Lötpad 14 zur Verbindung mit dem Befestigungsstift 1 angeordnet, wobei diese Verbindung beispielsweise als Vorfixierung in einem Reflow-Prozess hergestellt werden kann. Diese Vorfixierung des Befestigungsstifts 1 kann dann in einem nachfolgenden Pressschritt wieder gerissen oder gebrochen werden.
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Die 5 zeigt eine Schnittdarstellung eines montierten Befestigungsstifts 1 in einem Verbund aus einer Leiterplatte 10 und einem Träger 11, wie er beispielsweise in 2 gezeigt ist. Der Kopfabschnitt 2 bildet mit mindestens einer Kontaktnase 4 an der Auflagefläche 7 eine gasdichte elektrische Verbindung mit leitenden Abschnitten der Leiterplatte 10 und sichert so zum einen den elektrischen Kontakt. Zudem fixiert die Kontaktnase 4 den Befestigungsstift 1 auch auf der Oberfläche der Leiterplatte 10 und kann so eine Relativbewegung zwischen der Leiterplatte 10 und dem Befestigungsstift 1 und eine möglicherweise daraus folgende Lockerung des Presssitzes vermeiden. Der Einpressabschnitt 3 durchgreift die Aussparung 12 in der Leiterplatte 10. Die Aussparung 12 in der Leiterplatte 10 ist zweckmäßigerweise im Querschnitt größer als der Einpressabschnitt 3 des Befestigungsstifts 1. Hierdurch kann in der SMT Bestückung und auch im nachfolgenden Pressschritt zur Verbindung mit dem Träger 11 ein Toleranzausgleich, beispielsweise zwischen Positionen mehrerer Befestigungsstifte 1 und den Lochpositionen, also Positionen der Ausnehmungen 13, im metallischen Träger 11 ermöglicht werden. Der dem Kopfabschnitt 2 des Befestigungsstifts 1 abgewandte Endabschnitt des Einpressabschnitts 3 ist weiterhin in eine Ausnehmung 13 eines metallischen Trägers 11 beispielsweise eines Leichtmetallgehäuse oder einer Kühlplatte, eingeführt und bildet eine Pressverbindung mit dieser aus. Im eingepressten Zustand kann eine Relativbewegung zwischen dem Träger 11 und dem Befestigungsstift 1 und eine möglicherweise daraus folgende Lockerung des Presssitzes durch das Rillen- oder Kerbenprofil des Einpressabschnitts 3 vermieden werden. Die Einpressverbindung mit einem erfindungsgemäßen Befestigungsstift 1 kann nicht nur leicht hergestellt werden sondern auch eine verbesserte Stoß- und Vibrationsfestigkeit aufweisen. Dies ist besonders für Anwendungen in der Automobiltechnik vorteilhaft. Der erfindungsgemäße Befestigungsstift 1 kann sich zum Beispiel beim Einführen und verpressen mit dem Rillenprofil des Einpressabschnitts 3 in den metallischen Träger 11 einschneiden. Dabei kann eine Kaltverschweißung zwischen der Umfangsfläche des Befestigungsstifts 1 mit dem Rillenprofil und der metallischen Oberfläche der Aussparung 13 des Trägers 11 entstehen.
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Zusammenfassend werden erfindungsgemäß ein Befestigungsstift und Verfahren zur vereinfachten Herstellung einer Befestigung einer Leiterplatte an einem Träger bereitgestellt, mit dem die Anzahl der Fertigungsschritte reduziert und die Montagekosten erheblich gesenkt werden kann.
