DE102012021323A1

DE102012021323A1 - Formgebungsverfahren

Info

Publication number: DE102012021323A1
Application number: DE201210021323
Authority: DE
Inventors: Silke Achtmann
Original assignee: POWER2PCB GmbH
Current assignee: Mtconnectivity Power2pcb De GmbH
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-11-01
Also published as: DE102012021323B4

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung eines einpressbaren oder lötbaren elektrischen Anschlusselements (10, 24, 26) zur Verbindung von Verdrahtungen, Steckelementen oder mechanischen Bauelementen mit einer Leiterplatte (28) oder anderen Bauelementen, wobei das Anschlusselement (10, 24, 26) oder eines seiner Teile durch ein Urformverfahren hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Formgebungsverfahren insbesondere für ein Anschlusselement zur Leistungsversorgung von Leiterplatten oder für andere elektrische Bauelemente.
Stand der Technik
Leiterplatten dienen zum Haltern und Verbinden von elektronischen Bauteilen. Es ist daher erforderlich, die Leiterplatten mit Strom zu versorgen. Zum Einspeisen dienen Anschlusselemente, an denen eine Zuleitung angeordnet werden kann. Die Anschlusselemente müssen eine doppelte Aufgabe erfüllen. Zum einen müssen sie gewährleisten, dass Strom ohne Eigenerwärmung auf die Leiterplatte übertragen wird, zum anderen müssen sie eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen.
Bekannte Anschlusselemente sind üblicherweise aus einem Stück Metall hergestellt und weisen eine Vielzahl von Kontaktelementen auf, mit denen sie in durchkontaktierte Bohrungen eingepresst werden können.
Bekannt sind Anschlusselemente zur Leistungsversorgung von Leiterplatten, die gedreht oder gefräst hergestellt werden. Die Kontaktstifte beispielsweise werden dadurch hergestellt, dass eine zunächst ebene Endfläche des Anschlusselements mehrfach in zwei verschiedenen Richtungen gefräst wird. Diese Herstellungsart ist jedoch sehr zeitaufwendig und kostenintensiv. Darüber hinaus wäre es zu aufwendig, die Kanten der Anschlusselemente abzuflachen oder abzurunden, so dass die Anschlussleitungen durch Kontakt mit diesen Kanten leicht beschädigt werden können.
Aus der Offenlegungsschrift DE 3433038 A1 ist ein elektrisches Anschlusselement für Leiterplatten in Einpresstechnik bekannt, das als Stanzteil hergestellt ist. Dieses elektrische Anschlusselement ist sehr kostengünstig in der Herstellung, da beim Stanzen mit einem Werkzeug innerhalb kurzer Zeit hohe Stückzahlen realisiert werden können. Aufgrund der dünnen Wandstärken und des Aufbaus hat sich jedoch als nachteilig gezeigt, dass dieses Anschlusselement eine zu geringe mechanische Stabilität aufweist. Problematisch kann beispielsweise die Aufnahme hoher Drehmomente beim Anschrauben z. B. einer Mutter sein.
Das Gebrauchsmuster DE 8605937 U1 zeigt ein elektrisches Anschlusselement, das in einem spanenden Verfahren einstückig hergestellt wird und dadurch eine deutlich höhere Belastbarkeit zeigt, als das in Stanztechnik hergestellte Anschlusselement aus der DE 3433038 A1 . Dies zeigt sich sowohl in der dauerhaften Verbindung zwischen Anschlusselement mit massiver Einpresstechnik nach DIN EN 60352-5 und der Leiterplatte, als auch beim Anschraubdrehmoment. Durch den massiven Aufbau der Elemente und die Vielzahl der Einpresspins können sehr hohe Ströme auf die Leiterplatte oder eine Kupferschiene übertragen werden. Für die dauerhafte Verbindung werden hier massive vierkantige Einpressstifte verwendet, deren Diagonale etwas größer ist, als die durchkontaktierte Bohrung. Somit schneidet sich der Pin beim Einpressen in die Kupferhülse ein und gewährt eine dauerhafte und feste Verbindung des Elements mit der Leiterplatte. Nachteilig sind jedoch auch hier die zeitaufwendige und kostenintensive Herstellung und die Beschädigungsanfälligkeit der Anschlussleitungen bei unvorsichtiger Handhabung.
Ein in spanendem Verfahren hergestelltes elektrisches Anschlusselement zeigt die EP 1720387 A1 . Das Anschlusselement wird in einer beispielhaften Ausführungsform aus einem gezogenen Messingstab gefräst und in einem zweiten Arbeitsgang mit gerändelten Einpressstiften in massiver Einpresstechnik bestückt.
Ein Nachteil des spanenden Verfahrens, z. B. Fräsen, ist die Notwendigkeit, Werkstoffe mit relativ weichen Materialeigenschaften, in der Regel CuZn39Pb3, einzusetzen. Diese lassen sich bedingt durch die entsprechende Zerspanbarkeit gut verarbeiten, schränken jedoch gleichzeitig die mechanische Belastungsgrenze, vor allem das Anzugsdrehmoment, im Vergleich zu handelsüblichen Schrauben/Muttern, deutlich ein. Dadurch kann es vorkommen, dass beim Anschrauben eines Kabelschuhs mittels Mutter an das angeschnittene Gewinde des Stromeinspeisungselements der gesamte Gewindestift abgerissen wird. Ein weiterer Nachteil bedingt durch das spanende Herstellungsverfahren ist die lange Bearbeitungszeit und somit relativ hohe Stückpreise.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das die Herstellung eines konstruktiv verbesserten und kostengünstiger herzustellenden Anschlusselements ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Zur Herstellung von Anschlusselementen zur Leistungsversorgung von Leiterplatten oder anderen elektrische Bauelementen werden alternative Verfahren formgebender Herstellungsarten vorgeschlagen. In Frage kommen Urformverfahren wie Sintern, Metallpulverspritzgießen (z. B. MIM), oder Druckguss (z. B. Aluminium-Druckguss).
In einem ersten vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird ein Anschlusselement durch Sintern hergestellt. Beim Sintern dient z. B. ein Eisenpulver als Basisrohstoff. Dieses Pulver hat einen sehr niedrigen Einkaufspreis. Durch Hinzufügen verschiedener Metallpulver kann der Werkstoff in den mechanischen und elektrischen Eigenschaften im Vergleich zum eingesetzten Ausgangswerkstoff spanender Herstellverfahren, optimiert werden. Das Pulver wird in ein Werkzeug gepresst und anschließend wärmebehandelt, wodurch es seine endgültige Form bekommt und final beibehält.
Durch die besseren mechanischen Eigenschaften des Materials ist das Anschlusselement fester und das maximale Drehmoment kann durch den Metallpulvermix im Vergleich zum eingesetzten Ausgangswerkstoff spanender Verfahren, deutlich höher sein. Es ist durch die Anwendung von Urformverfahren eine größere Formenvielfalt bei der Ausgestaltung des Anschlusselements mit höheren Freiheitsgraden als bei spanenden Verfahren möglich.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt bei der Herstellung des elektrischen Anschlusselements ist die beim Sintern mögliche Rauigkeit bzw. Porosität der Oberfläche des Endprodukts. Durch diese Eigenschaft kann eine stark vergrößerte Oberfläche entstehen, die zu einer höheren Stromübertragung führen kann.
Dabei wird der konstruktive Aufbau des Anschlusselements dahingehend verbessert, dass ohne zusätzlichen Aufwand die Kanten des Anschlusselements abgerundet bzw. abgeflacht sind. Dies wird dadurch erzielt, dass das Anschlusselement in einem nicht spanenden Verfahren, also in einem Urformverfahren, insbesondere gesintert, ausgeführt ist. Dies hat den Vorteil, dass abgehende Kabel im Falle von Vibrationen nicht beschädigt werden und dies Kurzschlüsse verhindert. Die Herstellung von abgerundeten Kanten ist gegenüber einem aufwändigen Fräsverfahren gemäß dem Stand der Technik bei den erfindungsgemäßen Urformverfahren einfacher und es lassen sich leichter komplexere Formen realisieren.
In einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird das Anschlusselement durch ein Metallpulverspritzgussverfahren ausgeführt. Das Metallpulverspritzgussverfahren ermöglicht es die Elemente mit Festigkeitswerten herzustellen, die vergleichbar mit Stahl sind, und gleichzeitig die Gestaltung der äußeren Form, so wie es bei Kunststoffspritzgussteilen möglich ist, entsprechend auszuführen. Darüber hinaus wird der konstruktive Aufbau dahingehend verbessert, dass ohne zusätzlichen Aufwand die Kanten des Anschlusselements abgerundet bzw. abgeflacht werden. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass abgehende Kabel im Falle von Vibrationen nicht beschädigt werden und dies Kurzschlüsse vermeidet.
In einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird das Anschlusselement mittels eines Druckgussverfahrens ausgebildet. Hierfür kommen in der Regel metallische Werkstoffe mit niedrigem Schmelzpunkt zum Einsatz. Beim Druckguss wird die flüssige Schmelze unter hohem Druck und mit einer sehr hohen Formfüllgeschwindigkeit in eine Druckgussform gedrückt, wo sie dann erstarrt. Das Besondere am Druckgussverfahren ist, dass mit einer Dauerform gearbeitet wird. Damit wird eine hohe Mengenleistung erzielt. Mögliche Ausführungsformen sind Alu-, Stahl- oder Feinguss. Besonders geeignet ist das Aluminium-Druckguss-Verfahren. Aber auch die Verwendung von anderen Werkstoffen wie Zink, Magnesium oder Siliziumtombak ist möglich.
Die erfindungsgemäß hergestellten elektrischen Anschlusselemente weisen dabei mindestens zwei Pins mit einer Einpresszone oder mindestens zwei Lötpins auf. Die Anschlusselemente dienen dabei der Verbindung von Verdrahtungen, Steckelementen oder mechanischen Bauelementen mit einer Leiterplatte oder anderen Bauelementen. Das elektrische Anschlusselement kann sowohl einpressbar als auch lötfähig ausgebildet sein.
Die Herstellungsverfahren für Anschlusselemente zur Leistungsversorgung von Leiterplatten haben dabei den Vorteil, dass neben der gegenüber den herkömmlichen Verfahren günstigeren Herstellkosten eine Verbesserung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der damit hergestellten Anschlusselemente erzielt wird. Die Herstellungsverfahren ermöglichen höhere Freiheitsgrade bei der Formgebung der Anschlusselemente. Es können komplexere Ausformungen der Anschlusselemente realisiert werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Figurenbeschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein elektrisches Anschlusselement mit Lötpins in einer Schrägansicht von unten,
2 ein elektrisches Anschlusselement mit Außengewinde in einer Schrägansicht von oben,
3 ein elektrisches Anschlusselement mit Innengewinde in einer Schrägansicht von oben,
4 zwei elektrische Anschlusselemente auf einer Leiterplatte in einer Schrägansicht von oben,
5 eine Pinanordnung eines elektrischen Anschlusselements in einer Draufsicht,
6a ein elektrisches Anschlusselement in abgerundeter Bauform in einer Schrägansicht von oben sowie
6b ein elektrisches Anschlusselement in abgerundeter Bauform in einer Schrägansicht von unten.
1 zeigt ein elektrisches Anschlusselement 10 in eckiger Bauform als Powerelement mit Lötpins 12 zum Verbinden von Zuleitungselementen, Kabeln, Verdrahtungen, Steckelementen, mechanischen Bauteilen odgl. mit einer Leiterplatte. Das elektrischen Anschlusselement 10, das der Leistungsversorgung von Leiterplatten oder anderen elektrische Bauelementen dient, wird durch ein formgebendes Herstellungverfahren ausgebildet. In Frage kommen Urformverfahren wie Sintern, Metallpulverspritzgießen (z. B. MIM), oder Druckguss (z. B. Aluminium-Druckguss). Diese Urformverfahren werden in der DIN 8580 zusammengefasst.
2 zeigt ein elektrisches Anschlusselement 10 in eckiger Bauform mit einem Außengewinde 14, bei dem ein Kabelschuh 16 mit einer Mutter 18 befestigt ist. Die Einpresszone 20 ist dabei gerändelt ausgebildet.
3 zeigt ein elektrisches Anschlusselement 10 in eckiger Bauform mit einem Innengewinde, bei dem der Kabelschuh 16 mit einer Schraube 22 befestigt ist. Die Einpresszone 20 ist wiederum gerändelt ausgebildet.
4 zeigt zwei elektrische Anschlusselemente 24 und 26, die mit einer Leiterplatte 28 verpresst sind. Dabei weist das erste elektrische Anschlusselement 24 ein Außengewinde 30 und das zweite elektrische Anschlusselement 26 ein Innengewinde 32 auf.
5 zeigt eine beispielhafte Anordnung flexibler und massiver Einpresszonen an der Unterseite eines elektrischen Anschlusselements 10 in einer im Wesentlichen runden Ausführung eines Grundelements. Dabei ist die flexible Einpresszone als gerändelte Einpresszone 20 ausgebildet. Die quadratisch gekennzeichneten Einpresszonen sind als massive Einpresszonen 34 ausgebildet.
In 6a ist ein elektrisches Anschlusselement 10 mit Außengewinde 30 dargestellt. Das elektrische Anschlusselement 10 ist ein in einem Urformverfahren hergestelltes Element, dessen Kanten 36 abgerundet sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Urformverfahren Sintern.
In 6b ist das elektrische Anschlusselement 10 nach 6a dargestellt. An seiner Unterseite befinden sich massive Einpresszonen 34 sowie gerändelte Einpresszonen 20.
Das erfindungsgemäß hergestellte elektrische Anschlusselement 10 weist mindestens zwei Lötpins 12, das Anschlusselement 24 oder 26 mindestens zwei Pins mit einer Einpresszone 34 und/oder mindestens zwei gerändelte Einpresszonen 20 auf. Die Anschlusselemente 10, 24 oder 26 dienen dabei der Verbindung von Verdrahtungen, Steckelementen oder mechanischen Bauelementen mit einer Leiterplatte 28 oder anderen Bauelementen.
Das erfindungsgemäß hergestellte Anschlusselement 10, 24 oder 26 zur Leistungsversorgung von Leiterplatten 28 weist verbesserte elektrische und mechanische Eigenschaften auf. Des weiteren weist das erfindungsgemäß hergestellte Anschlusselement 10, 24 oder 26 höhere Freiheitsgrade bei der Formgebung auf. Es können komplexere Ausformungen der Anschlusselemente 10, 24 oder 26 realisiert werden. Insbesondere können die Kanten 36 abgerundet ausgebildet werden, ohne dass zusätzliche Arbeitsschritte notwendig sind.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

10: Anschlusselement
12: Lötpin
14: Außengewinde
16: Kabelschuh
18: Mutter
20: Einpresszone (Rändel)
22: Schraube
24: erstes Anschlusselement
26: zweites Anschlusselement
28: Leiterplatte
30: Außengewinde
32: Innengewinde
34: massive Einpresszone
36: abgerundete Kante

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3433038 A1 [0005, 0006]
DE 8605937 U1 [0006]
EP 1720387 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 60352-5 [0006]
DIN 8580 [0028]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Anschlusselements (10, 24, 26) zur Verbindung von Verdrahtungen, Steckelementen oder mechanischen Bauelementen mit einer Leiterplatte (28) oder anderen Bauelementen, wobei das Anschlusselement (10, 24, 26) mindestens zwei Pins (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (10, 24, 26) oder eines seiner Teile durch ein Urformverfahren hergestellt wird, wobei dadurch komplexe Formgebungen erzielt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Urformverfahren Sintern ist.
Verfahren nach Anspruch 2 mit folgenden Schritten: – Bereitstellung von Eisenpulver als Basisrohstoff – Hinzufügen verschiedener Metallpulver – Einpressen in ein Werkzeug – Wärmebehandlung – Formgebung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (10, 24, 26) durch ein Metallpulverspritzgussverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (10, 24, 26) durch ein Druckgussverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgussverfahren ein Alu-, Stahl- oder Feingussverfahren ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (10, 24, 26) einen Grundkörper umfasst und Verbindungsmittel (14, 22) zum Verbinden des Anschlusselements (10, 24, 26) mit strombeaufschlagten Teilen verdrehsicher mit dem Grundkörper des Anschlusselements (10, 24, 26) verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Anschlusselements (10, 24, 26) mit der Leiterplatte (28) durch Einpressen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine flexible Einpresszone (20) während des Herstellungsprozesses aus einem Stück ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (14, 22) in den Grundkörper des Anschlusselements (10, 24, 26) versenkt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 4, 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsmittel (14, 22) umspritzt werden und dadurch mit dem Grundkörper des Anschlusselements (10, 24, 26) zu einer funktionellen Einheit verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Anschlusselements (10) mit der Leiterplatte (28) durch Löten erfolgt.