DE102012213812A1 - Einpresskontaktierung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Kontaktierung, insbesondere ausgeführt als Einpresspin (16) für einen Schaltungsträger (10). Dieser umfasst mindestens eine Einpresszone (14) an der Leiterbahnen (30) kontaktierbar sind. Der Einpresspin (16) ist entweder aus Al-Vollmaterial (36) gefertigt, oder enthält mindestens einen Al-Materialabschnitt (40), oder ist aus Aluminiumvollmaterial (36, 46) mit einer Cu-Mantelbeschichtung (48) ausgeführt.
Description
- Stand der Technik
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DE 10 2009 042 385 A1 bezieht sich auf eine Steckervorrichtung zum elektrischen Verbinden eines Leiters mit einer Leiterplatte mittels direktem Einsteckens der Steckvorrichtung in ein Kontaktloch der Leiterplatte in eine Kontaktöffnung der Leiterplatte. Hierzu weist die Steckervorrichtung einen Befestigungsbereich auf und einen Übertragungsbereich zum Übertragen eines Stromes von dem Leiter auf die Leiterplatte. Der Übertragungsbereich oder die gesamte Steckervorrichtung kann aus Aluminium hergestellt sein. Als Einsatzzweck für die Steckervorrichtung werden Automobilanwendungen genannt, wobei beispielsweise hohe mechanische Belastungen vorliegen und starke Ströme übertragen werden. -
DE 10 2005 018 780 A1 offenbart einen Platinenverbindungsanschluss mit einem stabilen elektrischen Kontakt bei starker Haltekraft des Anschlusses. Der Anschluss kann ein Presspassanschluss oder ein Einpressanschluss sein, welcher in einer Busleiste für gedruckte Schaltungen oder eine gedruckte Leiterplatte eingesetzt beziehungsweise geklemmt und mit einer Platine elektrisch verbunden wird. Dadurch wird Strom aus einer Batterie übertragen oder elektrische Signale werden ohne Lötstelle übertragen. Der Anschluss ist aus einem leitfähigen Material, so z.B. aus einer Aluminiumlegierung hergestellt und wird durch Stanzen und Pressen des leitfähigen Materials geformt. Der Anschluss stellt die elektrische Energie für die Busleiste eines Schaltkreises in einem elektrischen Verbinderkasten, z.B. eine Anschlussdose oder ein Sicherungskasten bereit und steuert elektronische Elemente, wie z.B. eine Sicherung oder ein Relais. Die Busleiste kann in einem elektrischen Verbindungskasten vorgesehen sein, der in einem Maschinenraum oder unter einer Fahrzeuginnenausstattung angeordnet ist. -
DE 10 2009 008 118 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts auf einer Leiterplatte, wobei der Kontakt über eine kraftschlüssige Verbindung zwischen einem Einpressstift, der eine Einpresszone und einem Kontaktbereich aufweist und einer metallisierten Leiterplattenöffnung hergestellt wird. Der gesamte Einpressstift oder lediglich die Einpresszone können mit Aluminium beschichtet ausgebildet sein. - Bei derzeit auf dem Markt erhältlichen Steuergeräten für Automobilanwendungen werden häufig Peripherie und Schaltungsträger mittels Einpress- oder Schneidklemmverbindungen, der sogenannten kalten Kontaktiertechnik (KKT) verbunden. Die kalte Kontaktiertechnik mittels Einpressverbindungen stellt eine kostengünstige und robuste Alternative zur Löttechnik beispielsweise dem THT-Verfahren (Through-Hole Technology) dar. Beim Einsatz von Einpressverbindungen kann ferner ein blindes Fügen ermöglicht werden, wie dies z.B. bei der Kontaktierung von im Deckel befindlichen Komponenten erforderlich ist. Derzeit werden im Rahmen von Einpressverbindungen im Wege der kalten Kontaktiertechnik Kupfer und verschiedene Kupferlegierungen wie beispielsweise CuNiSi und CuSn6 mit einer entsprechenden Endoberfläche zum Beispiel galvanisches Zinn eingesetzt.
- Offenbarung der Erfindung
- Erfindungsgemäß wird eine elektrische Kontaktierung, insbesondere ein Einpresspin für einen Schaltungsträger vorgeschlagen. Der Schaltungsträger hat mindestens eine Einpresszone an der Leiterbahnen kontaktierbar sind. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Einpresspin kann aus Aluminiumvollmaterial gefertigt sein, alternativ kann der Einpresspin Aluminiummaterialabschnitte enthalten oder auch als ein aus Aluminiumvollmaterial gefertigter Einpresspin ausgebildet sein, der mit einer Beschichtung, insbesondere einer walzplattierten Kupfermantelbeschichtung versehen ist. In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einpresspins, der im Wege der kalten Kontaktiertechnik mit dem Schaltungsträger verbunden wird, kann in der ersten Ausführungsvariante des Einpresspins das Aluminiumvollmaterial mit einer galvanischen Beschichtung überzogen sein. Bei dieser galvanischen Beschichtung kann es sich beispielsweise um NiAu oder Sn handeln.
- In einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einpresspins wird dieser als ”Sandwich”-Bauteil gefertigt und umfasst in sequentieller Abfolge beispielsweise einen aus Kupfer-Material gefertigten federnden Bereich, der im Schaltungsträger in die entsprechende Einpresszone hinein gedrückt wird. An diesen ersten Abschnitt des Einpresspins schließt sich beispielsweise ein Aluminium-Abschnitt an, innerhalb dessen eine Umlenkzone des Einpresspins liegt. Mit Umlenkzone ist beispielsweise eine solche Zone des Einpresspins gemeint, innerhalb der der Einpresspin beispielsweise eine 90°-Umlenkung erfährt und von einem vertikalen Verlauf beispielsweise in einen horizontalen Verlauf übergeht. Anstelle der erwähnten 90°-Umlenkung kann die Umlenkung des Einpresspins je nach Erfordernissen und Anwendungsfall auch andere Winkelverläufe annehmen.
- An diesen die Umlenkung des Einpresspins verwirklichenden Al-Abschnitt kann sich wiederum ein Leitungsabschnitt anschließen, der aus Cu oder aus einer Cu-Legierung gefertigt ist. Somit stellt der Einpresspin in seiner zweiten Ausführungsvariante ein Hybrid-Bauteil dar.
- In einer weiteren dritten Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einpresspins, kann dieser beispielsweise ebenfalls ähnlich wie die erste Ausführungsvariante aus Al-Vollmaterial gefertigt sein. Auf die äußere Oberfläche dieses Al-Materials kann gemäß der dritten Ausführungsvariante eine Cu-Mantelbeschichtung aufgebracht werden. Das Aufbringen dieser Cu-Mantelbeschichtung erfolgt bevorzugt im Wege des Walzplattierens. Erhalten wird gemäß der dritten Ausführungsvariante ein Einpresspin, dessen mechanische Eigenschaften im Wesentlichen durch das Al-Material zu charakterisieren sind.
- Der federnde Bereich, d.h. der Einpressbereich des Einpresspins in den Schaltungsträger wird durch zwei Wangen gebildet, die durch eine Öffnung voneinander getrennt sind. Aufgrund der Elastizität der Wangen, lassen sich diese beispielsweise durch Ultraschallunterstützung in die entsprechenden Einpresszonen des Schaltungsträgers montieren, so dass Oxide besser vom Aluminiummaterial abgetrennt werden können.
- Vorteile der Erfindung
- Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass durch die Verwendung von Aluminium statt Kupfer, beziehungsweise Kupferlegierungen der Aluminiumwerkstoff ein geringeres E-Modul und somit eine geringere Steifigkeit als Cu aufweist. Bei gleicher Geometrie stellen sich somit bessere Werte hinsichtlich des E-Moduls und der Steifigkeit verglichen mit Kupfermaterial ein. Dies wiederum führt dazu, dass thermomechanisch induzierte Spannungen infolge von Temperaturwechseln besser abgebaut werden können. In vorteilhafter Weise kann der erfindungsgemäß vorgeschlagene Einpresspin nach wie vor aus bandförmigem Material hergestellt werden, was mit dem Vorteil einhergeht, dass Werkzeuge, beziehungsweises bewährte Fertigungsprozesse nicht verändert werden müssen. Um Oxide zuverlässig zu entfernen, kann der erfindungsgemäß vorgeschlagene Einpresspin in seinen oben stehend skizzierten drei Ausführungsvarianten mit Ultraschallunterstützung in die entsprechenden Einpresszonen des Schaltungsträgers montiert werden.
- Hinsichtlich der Herstellbarkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einpresspins, ist hervorzuheben, dass eine elektrische Kontaktierung beziehungsweise eine Steckverbindung eine reibkorrosionsbeständige Oberfläche benötigen kann. Eine derartige Oberfläche kann beispielsweise fertigungstechnisch dadurch erreicht werden, dass die kompletten Bänder, d.h. das Rohmaterial beziehungsweise teilweise bereits ausgestanzte Einpresspins mittels einer galvanisch aufgebrachten Beschichtung veredelt werden können. Bei der galvanischen Beschichtung kann es sich beispielsweise um NiAu, Sn, NiPdAu und dergleichen handeln.
- Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann die Robustheit beziehungsweise die Dauerhaltbarkeit einer im Wege der Kaltkontaktierung hergestellten elektrischen Verbindung gegeben durch eine Steckverbindung zwischen Peripherie, Bauelement und einem Schaltungsträger erheblich verbessert werden. Durch die Ausführungsvarianten gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein bestehendes Einpresspin-Portfolio bei elektronischen Steuerungen ersetzt beziehungsweise ausgebaut werden.
- Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann als medienbeständige Einpresstechnik wie z.B. beim Einsatz in Fahrzeuggetrieben erforderlich, Verwendung finden, es kann ein Kostenvorteil dadurch erreicht werden, dass statt Kupfer der Ersatzwerkstoff Aluminium eingesetzt werden kann.
- Durch die hybride Ausformung der Einpresspins lässt sich ein optimales Verhältnis zwischen der mechanisch notwendigen Stabilität einerseits und der anwendungsspezifisch erforderlichen elektrischen Leitfähigkeit erzielen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
- Es zeigt:
-
1 eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einpresspins hergestellt aus Aluminiumvollmaterial, -
2 eine weitere, zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einpresspins, hier als ausgebildet als Hybrid- oder Sandwich-Bauteil und -
3 eine dritte Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einpresspins, bei dem Aluminiumvollmaterial mit einer galvanischen Beschichtung versehen ist. - Ausführungsformen der Erfindung
- Der Darstellung gemäß
1 ist eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einpresspins aus Aluminiumvollmaterial zu entnehmen. -
1 zeigt einen Schaltungsträger10 , wobei in das Trägersubstrat des Schaltungsträgers10 Leiterbahnen30 eingebettet sind. Die innerhalb des Schaltungsträgers10 verlaufenden Leiterbahnen30 sind mit Kontaktflächen32 verbunden. Die Kontaktflächen32 ihrerseits sind von Anlageflächen28 umschlossen, welche eine Einpressöffnung12 im Schaltungsträger10 ergänzen. Aus der Schnittdarstellung gemäß1 geht hervor, dass sich die Einpressöffnung12 durchgängig durch den Schaltungsträger10 von dessen Oberseite zu dessen Unterseite hin erstreckt. Die Einpressöffnung12 stellt eine Einpresszone14 dar, in welcher ein Einpresspin16 eingepresst wird. Bei dem Einpresspin16 gemäß der Darstellung in1 handelt es sich um einen solchen, welcher durchgängig aus Aluminiummaterial36 gefertigt ist. Der aus Aluminiumvollmaterial gefertigte durchgängige Einpresspin16 wird unter Ultraschallunterstützung in die Einpresszone14 des Schaltungsträgers10 eingepresst. Durch die Ultraschallunterstützung können in zuverlässiger Weise Oxide vom Aluminiummaterial36 des durchgängigen Einpresspins34 entfernt werden. Das Einpressen des Einpresspins16 gemäß der ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung erfolgt im Wege der kalten Kontaktierungstechnik. - Aus der Darstellung gemäß
1 geht hervor, dass der Einpresspin eine 90°-Umlenkung18 aufweist. Diese ist, wie1 zu entnehmen ist, aus Aluminiumvollmaterial36 des Einpresspins16 ausgebildet. An dem Ende des Einpresspins16 , welches in die Einpressöffnung12 der Einpresszone14 hineinragt, weist der Einpresspin16 einen federnden Bereich20 auf. Der federnde Bereich20 ist im Aluminiummaterial36 durch eine erste Wange22 sowie eine zweite Wange24 definiert. Zwischen den Wangen22 und24 liegt eine Öffnung26 . Die beiden Wangen22 und24 weisen elastische Eigenschaften auf und kontaktieren die Kontaktflächen32 nach Montage des Einpresspins16 in der Einpressöffnung12 . Der in der1 dargestellte aus Aluminiumvollmaterial36 gefertigte Einpresspin kann eine vollständige oder partielle Galvanik-Beschichtung aufweisen. Geeignete Oberflächen sind zum Beispiel NiAu und Sn. -
2 zeigt eine weitere, zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einpresspins, der als Hybrid- oder Sandwich-Bauteil ausgebildet ist. - Wie der Darstellung gemäß
2 entnommen werden kann, handelt es sich bei diesem Einpresspin16 um einen solchen, der einen Cu-Federbereich38 aufweist, an den sich ein aus Aluminiumvollmaterial gefertigter Umlenkbereich40 anschließt, der wiederum in einen Cu-Leitungsabschnitt42 übergeht. Die Geometrie des Einpresspins gemäß der Darstellung in2 nach der zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist identisch zur Geometrie des Einpresspins16 gemäß der Darstellung in1 , der dort aus Aluminiumvollmaterial36 gefertigt ist. - Wie
2 zeigt, liegt die Umlenkung18 gemäß der zweiten Ausführungsvariante des Einpresspins16 ebenfalls im aus Aluminium gefertigten Teilabschnitt40 des Einpresspins16 . Der Schaltungsträger10 gemäß der Ausführungsvariante nach2 ist analog zum Schaltungsträger10 gemäß1 aufgebaut. Im Trägersubstrat des Schaltungsträgers10 verlaufen eingebettete Leiterbahnen30 , die mit Kontaktflächen32 verbunden sind, die von Anlageflächen28 umschlossen sind. Die Anlageflächen28 schließlich begrenzen die Einpressöffnung12 , die innerhalb der Einpresszone14 des Schaltungsträgers10 liegt. Analog zur Darstellung gemäß1 erstreckt sich die Einpressöffnung12 vollständig durch den Schaltungsträger10 , d.h. von dessen Ober- zu dessen Unterseite. - Im Unterschied zur Darstellung gemäß
1 ist beim Einpresspin16 gemäß der zweiten Ausführungsvariante, die in2 dargestellt ist, der Cu-Federbereich38 nicht aus Aluminium sondern aus Kupfer gefertigt. Der Aluminium-Umlenkbereich40 gemäß der Darstellung in2 hat den Vorteil, dass im Bereich der Umlenkung18 ein geringeres E-Modul und somit eine geringere Steifigkeit bei gleicher Geometrie verglichen mit Kupferwerkstoff vorliegt. Dadurch können thermomechanisch induzierte Spannungen infolge von Temperaturwechseln auch bei der Konfiguration des Einpresspins16 gemäß der zweiten Ausführungsvariante nach2 besser abgebaut werden. -
3 zeigt eine weitere, dritte Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einpresspins aus Aluminiumvollmaterial mit einer walzplattierten Beschichtung. -
3 kann entnommen werden, dass der dort dargestellte Einpresspin16 im Wesentlichen ebenfalls aus Al-Grundmaterial36 gefertigt ist, jedoch über seine gesamte Oberfläche mit einer Mantelbeschichtung48 , die beispielsweise aus Kupfer walzplattiert sein kann, versehen ist. Die mechanischen Eigenschaften des Einpresspins16 gemäß der in3 wiedergegebenen Ausführungsvariante werden im Wesentlichen durch das Aluminiummaterial36 ,46 definiert. Auch in der dritten Ausführungsvariante gemäß3 ist die Geometrie des Einpresspins16 im Wesentlichen identisch mit den Geometrien der Einpresspins16 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten nach1 und2 . - Analog zu diesen ist ein federnder Bereich
20 des Einpresspins16 ausgebildet, der im Bereich der Öffnung26 an der Innenseite und an der Außenseite der ersten Wange22 beziehungsweise der zweiten Wange24 mit einer Mantelbeschichtung48 beispielsweise aus Kupfer versehen ist. Der Schaltungsträger10 gemäß3 umfasst einzelne, in dessen Inneres eingebettete, Leiterbahnen60 , die mit Kontaktflächen32 elektrisch verbunden sind, die ihrerseits von Anlageflächen28 umschlossen werden, die die Einpressöffnung12 der Einpresszone14 im Schaltungsträger10 begrenzen. - Auch im Zusammenhang mit den Ausführungsvarianten der Einpresspins
16 gemäß der2 und3 ist zu erwähnen, dass diese mit Ultraschallunterstützung in der Einpressöffnung12 der Einpresszone14 montiert werden. Durch den Einsatz von Ultraschall bei der Kaltmontage der Einpresspins16 können andernfalls am Aluminiummaterial verbleibende Oxide zuverlässig entfernt werden. - Sämtlichen Ausführungsvarianten der Einpresspins
16 gemäß den1 bis3 ist gemeinsam, dass die Herstellung der Einpresspins16 wie bisher aus bandförmigem Material erfolgen kann. Dies bietet den Vorteil, dass Werkzeuge und ein bewährter Fertigungsprozess unverändert beibehalten werden können. Für den Fall, dass eine Steckverbindung eine reibkorrosionsbeständige Oberfläche erfordert, kann das vorstehend erwähnte bandförmige Material beziehungsweise bereits teilweise ausgestanzte Einpresspins mittels einer galvanisch aufgebrachten Beschichtung veredelt werden. Derartige reibkorrosionsbeständige Oberflächen sind z.B. NiAu, Sn, NiPdAu, um einige zu nennen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einpresspins16 gemäß den beschriebenen Ausführungsvarianten kann die Robustheit und damit die Lebensdauer einer Verbindungsstelle erheblich erhöht werden. Bei der Verbindungsstelle kann es sich um eine solche handeln, die eine Steckverbindung darstellt zwischen einer Peripherie und einen Bauelement einerseits und andererseits mit dem Schaltungsträger10 . Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise ein bestehendes Einpresspin-Portfolio bei elektronischen Steuerungen ergänzt werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich insbesondere im Rahmen einer medienbeständig ausgelegten Einpresstechnik einsetzen, wie diese beispielsweise beim Einsatz in Getriebesteuerungen von Fahrzeugen erforderlich wird. Der Ersatzwerkstoff Aluminium tritt an die Stelle des bisher eingesetzten Kupfers, wodurch sich Materialkosten in nicht unerheblichem Umfang einsparen lassen, da Aluminium ein kostengünstigeres Grundmaterial verglichen mit Kupfer ist. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lassen sich thermomechanisch induzierte Lasten dämpfen beziehungsweise reduzieren, so dass eine elektrische Steckverbindung, die im Wege der Kaltkontaktiertechnik erzeugt wird, hinsichtlich ihrer Dauerhaltbarkeit erheblich verbessert ist. Es wäre ebenfalls denkbar, auch weitere Schichtfolgen, d.h. einen Schichtverbund aus Cu, Al, Cu und Al zu verwirklichen. Anstelle von Cu und Al wären im vorliegenden Zusammenhang zur Herstellung von Hybrideinpresspins auch andere Materialpaarungen denkbar, so zum Beispiel Ni, Cu und Au. - 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
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- DE 102005018780 A1 [0002]
- DE 102009008118 A1 [0003]
Claims (10)
- Elektrische Kontaktierung, insbesondere Einpresspin (
16 ) für einen Schaltungsträger (10 ) mit mindestens einer Einpresszone (14 ), an der Leiterbahnen (30 ) kontaktierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Einpresspin (16 ) aus Aluminiumvollmaterial (36 ,46 ) gefertigt ist oder Aluminium-Materialabschnitte (40 ) enthält oder aus Aluminiumvollmaterial (36 ,46 ) mit einer Cu-Mantelbeschichtung (48 ) ausgeführt ist. - Elektrische Kontaktierung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einpresspin (
16 ) aus Al-Vollmaterial (36 ) gefertigt und mit einer galvanischen Beschichtung überzogen ist. - Elektrische Kontaktierung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Beschichtung NiAu und/oder Sn und/oder NiPdAu und/oder Ag enthält.
- Elektrische Kontaktierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einpresspin (
16 ) in sequentieller Abfolge einen Cu-Federbereich (38 ), einen Al-Umlenkbereich (40 ) und einen Cu-Leitungsabschnitt (42 ) umfasst. - Elektrische Kontaktierung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umlenkung (
18 ) im Al-Umlenkbereich (40 ) liegt. - Elektrische Kontaktierung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Einpresspin (
16 ) einen federnden Bereich (20 ) aufweist, der durch eine erste Wange (22 ) und eine zweite Wange (24 ) gebildet ist. - Elektrische Kontaktierung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Al-Vollmaterial (
46 ) mit einer Beschichtung (48 ) aus NiPdAu versehen ist, oder das Al-Vollmaterial (46 ) mit einer walzplattierten Cu-Mantelbeschichtung (48 ) versehen ist. - Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpresspins (
16 ) ultraschallunterstützt in die Einpressöffnungen (12 ) eingepresst werden. - Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Einpresspins (
16 ) aus bandförmigem Material ausgestanzt werden. - Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bandförmiges Material oder die ausgestanzten Einpresspins (
16 ) durch eine galvanische Beschichtung reibkorrosionsbeständig beschichtet werden.
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