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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Kontaktierung von Leiterplatten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Leiterplatte mit einer Aussparung, einer Metallisierung im Bereich der Aussparung und einer auf der Oberseite der Leiterplatte angebrachten Leiterbahn, die elektrisch leitfähig mit der Metallisierung verbunden ist. Weiterhin ist eine zweite Leiterbahn auf der Unterseite der Leiterplatte angeordnet. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit einer solchen Leiterplatte und einem Kontaktstift sowie ein elektrisches Gerät mit einer derartigen Leiterplatte.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Kontaktierung von auf einer Leiterplatte angebrachten Leiterbahnen kann über Lötverbindungen mit entsprechenden Lötpads oder über eine sog. Rammkontaktierung erfolgen.
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Bei der heutigen Rammkontaktierung wird ein Kontaktstift in ein Loch in der Leiterplatte eingepresst. Die Leiterplatte weist in diesem Loch, welches beispielsweise in Form einer Bohrung ausgeführt ist, eine metallische Hülse auf, in welcher die elektrische Kontaktierung zum Kontaktstift entsteht. An der Oberseite der Leiterplatte ist die Kontakthülse mit dem Leiterplattenlayout verbunden.
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DE 10 2005 016 128 A1 beschreibt eine Anordnung einer Leiterplatte bei einem Drosselklappensteller. In der Leiterplatte befindet sich mindestens eine Positionieröffnung, die auf einem Positionierstift aufgesetzt ist. Der Positionierstift ist derart in die Positionieröffnung eingefügt, dass durch eine plastische Verformung von zumindest einem dieser Elemente sowohl eine Fixierung der Leiterplatte an dem Trägerbauteil als auch die elektrische Verbindung zwischen dem Leiterplattenabschnitt und einem Trägerbauteilabschnitt geschaffen ist.
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Hierbei handelt es sich um eine oben beschriebene Rammkontaktierung.
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Aufgrund der verhältnismäßig starken, lokalen Verformungen, die bei der Rammkontaktierung auftreten, kann es zu einer Beschädigung des Leiterplattenlayouts kommen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Kontaktierung einer Leiterbahn auf einer Leiterplatte anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Leiterplatte, welche eine Aussparung, eine Metallisierung im Bereich der Aussparung und eine erste Leiterbahn auf einer ersten Seite der Leiterplatte, die elektrisch leitfähig mit der Metallisierung verbunden ist, aufweist. Bei der ersten Seite handelt es sich beispielsweise um die Oberseite der Leiterplatte.
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Auf der entgegengesetzten Seite der Leiterplatte (also beispielsweise auf der Unterseite) ist eine zweite Leiterbahn angeordnet, die in einem ersten Bereich ebenfalls elektrisch leitfähig mit der Metallisierung verbunden ist und darüber hinaus in einem zweiten Bereich über eine erste Durchkontaktierung durch die Leiterplatte elektrisch leitfähig mit der ersten Leiterbahn verbunden ist.
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In anderen Worten verbindet also diese zweite Leiterbahn über die Durchkontaktierung die auf der anderen Seite der Leiterplatte angeordnete erste Leiterbahn mit der Metallisierung im Bereich der Aussparung.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Aussparung zumindest teilweise von der Metallisierung bedeckt und dient dem Einpressen eines Kontaktstiftes zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen dem Kontaktstift und der Metallisierung der Aussparung. Hierbei handelt es sich um eine Rammkontaktierung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Metallisierung zum Anbringen einer Lötverbindung ausgeführt und kann hierfür beispielsweise ein Lötpad aufweisen. Auch kann die Metallisierung zur Kontaktierung mittels Bonden ausgeführt sein.
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Wichtig ist, dass der Anschluss der ersten Leiterbahn an die Metallisierung redundant erfolgt. Einerseits ist die erste Leiterbahn direkt an die Metallisierung angeschlossen. Zusätzlich ist die erste Leiterbahn indirekt über die Durchkontaktierung, gefolgt von der zweiten Leiterbahn, die auf der anderen Seite der Leiterplatte angeordnet ist und eine Metallisierung angeschlossen ist, an die Metallisierung angeschlossen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Metallisierung, die sich im Bereich der Aussparung befindet, zum Anbringen einer Lötverbindung oder Bondverbindung ausgeführt. Die Metallisierung weist also ein Lötpad oder ein Bondpad auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Metallisierung der Aussparung in Form einer galvanisch auf die Oberfläche der Aussparung und der Leiterplatte aufgebrachten Beschichtung ausgeführt. Bei der Aussparung handelt es sich beispielsweise um eine Bohrung oder Ausfräsung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Durchkontaktierung, welche die erste Leiterbahn durch die Leiterplatte hindurch mit der zweiten Leiterbahn verbindet, in Form einer galvanisierten Bohrung in der Leiterplatte ausgebildet.
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Die zweite Leiterbahn und die erste Durchkontaktierung können innerhalb des herkömmlichen Leiterplattenfertigungsprozesses aufgebracht werden, so dass sich für diesen Prozess keine oder nur sehr geringfügige Mehrkosten ergeben.
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Die Erfindung stellt eine redundante Kontaktierung der ersten Leiterbahn bereit. Insbesondere kann die Leiterplatte eine Vielzahl solcher redundanter Kontaktierungen aufweisen, beispielsweise eine für jeden einzelnen Anschlusskontakt der Leiterplatte.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Leiterplatte eine dritte Leiterbahn auf, die auf der zweiten Seite der Leiterplatte angeordnet ist und ebenfalls elektrisch leitfähig mit der Metallisierung im Bereich der Aussparung verbunden ist. Weiter ist diese dritte Leiterbahn über eine zweite Durchkontaktierung elektrisch leitfähig mit der ersten Leiterbahn auf der anderen Seite der Leiterplatte verbunden.
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Auf diese Weise wird die Redundanz der Kontaktierung weiter erhöht.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer oben und im Folgenden beschriebenen Leiterplatte und einem Kontaktstift, der zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen dem Kontaktstift und der Metallisierung im Bereich der Aussparung in die Aussparung der Leiterplatte eingepresst ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät mit einer oben und im Folgenden beschriebenen Leiterplatte.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
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1 zeigt eine geschnittene perspektivische Teildarstellung einer Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil der Leiterplatte der 1.
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3 zeigt eine Draufsicht auf einen Kontaktstift, wie er in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung Verwendung findet.
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4 zeigt eine Seitenansicht auf das Ende des Kontaktstifts der 3.
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5 zeigt das Layout der Oberseite einer Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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6 zeigt das Layout der Unterseite der Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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7 zeigt ein elektrisches Gerät mit einer Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Bereichs einer Leiterplatte 100, auf deren einen Seite elektrische Bauelemente 120 angeordnet sind. Die Leiterplatte weist mehrere Bohrungen 102 auf, welche mit einer Metallisierung 101 überzogen sind. Die Metallisierung 101 ist nicht nur in der eigentlichen Bohrung angebracht, sondern auch in einem ringförmigen Bereich um die Bohrung, sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite der Leiterplatte.
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Die Metallisierungen 101 sind in Form von Durchkontaktierungen ausgeführt und können galvanisch auf die Leiterplatte aufgebracht sein.
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Auf der oberen Seite 104 der Leiterplatte 100 befinden sich Leiterbahnen 103, von denen in der 1 allerdings nur eine abgebildet ist und welche an jeweils eine der Metallisierungen 101 angeschlossen sind. Am Ende einer jeden Leiterbahn 103 befindet sich eine Durchkontaktierung 108, welche die Leiterbahn 103 mit einer auf der anderen Seite der Leiterplatte angeordneten Leiterbahn verbindet, wie dies aus den 5 und 6 hervorgeht.
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Die der Leiterbahn 103 entsprechende Leiterbahn, die auf der unteren Seite der Leiterplatte angeordnet ist, ist ebenfalls an die Metallisierung und andererseits an die Durchkontaktierung 108 angeschlossen. Auf diese Weise ist also eine redundante Kontaktierung des elektrischen Bauelements, das an der Leiterbahn 103 angeschlossen ist, bewerkstelligt, da der Kontaktstift 106, der in die Bohrung 102 hineingetrieben ist, sowohl mit der einen Leiterbahn 107 (vgl. 6) als auch mit der anderen Leiterbahn 103, die sich auf der entgegengesetzten Seite der Leiterplatte befindet, elektrisch verbunden ist.
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Neben der hülsenartigen Metallisierung, durch welche der Kontaktstift 106 gerammt wird, gibt es also noch eine weitere Durchkontaktierung 108, welche jedoch beim Einrammen des Kontaktstiftes mechanisch nicht belastet wird. Durch den Einrammvorgang kann die Hülse und insbesondere der Anschlussbereich der Leiterbahn 103 an die Hülse Schaden nehmen. Da jedoch eine zweite Kontaktierung der Leiterbahn 103 in Form der auf der anderen Seite der Leiterplatte angeordneten Leiterbahn 107 und der Durchkontaktierung 108 vorgesehen ist, ist die ordnungsgemäße Funktion der Leiterplatte nach wie vor gewährleistet.
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Bei der in der 1 dargestellten Rammkontaktierung handelt es sich um eine lötfreie elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktstift 106 und dem metallisierten Leiterplattenloch. Bei der Kontaktierung wird der Kontaktstift 106 in die Hülse im Leiterplattenloch eingerammt. Bei diesem Einrammvorgang wird die Hülse und die Leiterplatte plastisch und/oder elastisch verformt und passt sich an die Außenkontur des Kontaktstiftes an. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass hierbei der Kontaktstift verformt wird.
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Auf diese Weise kann eine gasdichte Verbindung zwischen dem Leiterplattenloch und dem Kontaktstift hergestellt werden. Im Prinzip handelt es sich um eine Kaltverschweißung. Die Haltekraft dieser Einpressverbindung kann größer sein als 20 Newton und der Übergangswiderstand der Einpressverbindung kann geringer sein als 20 Milliohm.
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Wichtig bei der Rammkontaktierung ist, dass die Geometrie des Kontaktstiftes im Wesentlichen rechteckig ausgeführt ist. Das Diagonalmaß ist für die Kontaktierung besonders wichtig und ist mit entsprechenden Toleranzen zu definieren.
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Auch können Einführschrägen am Kontaktstift vorgesehen sein. Je länger die Einführschrägen sind und je sanfter der Übergang zwischen der Einführschräge und dem restlichen Bereich des Kontaktstiftes ist, desto einfacher und zuverlässiger können Montage und Kontaktierung erfolgen.
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2 zeigt die Montage eines einzelnen Kontaktstiftes 106 in eine Aussparung 102 in einer Leiterplatte. Jede Aussparung 102 weist vor dem Einfügen des Kontaktstiftes 106 eine im Wesentlichen kreisrunde Öffnungsfläche 142 auf, an deren Rand die oben angesprochenen Leiterbahnen 103, 107 angeschlossen sind.
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Der Kontaktstift 106 ist hingegen mit einer im Wesentlichen rechteckigen Querschnittfläche 144 gestaltet. Mit dieser Querschnittfläche 144 verformt der Kontaktstift 106 beim Eintauchen in die zugehörige Aussparung 102 zwei im Wesentlichen diametral gegenüberliegenden Bereichen 146 plastisch und/oder elastisch, wodurch sich sowohl eine mechanische Klemmung als auch eine elektrische Kontaktierung zwischen der Metallisierung 101 und dem Kontaktstift 106 ergibt. Damit es dabei an den oberen und unteren Öffnungen 118 der Aussparung 102 nicht zu unerwünschten Beschädigungen und insbesondere nicht zu Rissbildungen kommt, kann der Kontaktstift 106 am Endbereich jeweils mit Einführschrägen 148 und an den Längskanten 150 mit Abrundungen gestaltet sein.
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Die 3 und 4 zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht der Spitze eines Kontaktstiftes 106, der eine etwas andere Geometrie als der in der 2 dargestellte Kontaktstift 106 aufweist. Beispielsweise sind die Ecken des Kontaktstiftes abgerundet. Der diagonale Durchmesser des Kontaktstiftes kann beispielsweise 1,5 Millimeter betragen.
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Die Krümmungsradien an den Ecken des Kontaktstiftes können zwischen 0,1 und 0,2 Millimeter betragen. Der Winkel, unter dem sich das Ende des Kontaktstiftes 106 verjüngt, beträgt beispielsweise etwa 11 Grad.
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5 zeigt das Layout der Oberseite einer Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es sind sechs Aussparungen 102 vorgesehen, welche jeweils metallisiert sind. Die Metallisierungen 101 bilden Hülsen aus, in welche jeweils ein Kontaktstift eingepresst wird. An jeder der Metallisierungen 101 ist eine Leiterbahn 103 angeschlossen, welche die Metallisierung 101 mit einer oder mehreren Durchkontaktierungen 108, 110 verbindet.
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6 zeigt das Layout der unteren Seite 105 der Leiterplatte. An jede der Metallisierungen 101 ist eine Leiterbahn 107 angeschlossen, welche die Metallisierung 101 mit einer Durchkontaktierung 108 verbindet. Die Durchkontaktierung 108 verbindet die Leiterbahn 107 auf der Unterseite 105 mit der entsprechenden Leiterbahn 103 auf der Oberseite 104 der Leiterplatte.
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Auch können an die Metallisierung 101 zusätzliche Leiterbahnen 109 angeschlossen sein, welche ebenfalls zu jeweils einer Durchkontaktierung 110 führen, welche die entsprechende zusätzliche Leiterbahn 109 mit der Leiterbahn 103 auf der anderen Seite der Leiterplatte verbindet. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass selbst das Abreißen von zwei Leiterbahnen 103, 107 von der Metallisierung 101 die Funktionsweise der Leiterplatte nicht einschränkt, da auch in diesem Falle noch mindestens eine weitere Leiterbahn 109 zur Verfügung steht.
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7 zeigt ein elektrisches Gerät 700, das eine oben beschriebene Leiterplatte 100 aufweist.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005016128 A1 [0004]
