DE102016225714A1 - Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Leiterplatte mit einem Pin - Google Patents

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Abstract

1. Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Leiterplatte (4) mit einem Pin (5), das Verfahren umfassend die Schritte:- Bereitstellen eines Pins (5) und einer Leiterplatte (4) mit einer Aufnahme (6) für den Pin (5),- Metallisieren einer Oberfläche der Leiterplatte (4) in einem Verbindungsbereich (9), in welchem sich die Aufnahme (6) befindet und in welchem eine elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte (4) und dem Pin (5) vorgesehen ist,- elektrisches Kontaktieren der Leiterplatte (4) mit dem Pin (5) in dem Verbindungsbereich (9) durch Einpressen des Pins (5) in die Leiterplatte (4) und- Umhüllen der Leiterplatte (4) und des Pins (5) in dem Verbindungsbereich (9) mit einer Umhüllung (11) aus einem Duroplastwerkstoff.2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Pin (5) hergestellt ist aus einer Kupferlegierung, welche derart beschaffen ist, dass der Pin (5) nach dem Umhüllen bei Prozesstemperaturen bis zu 180°C dauerhaft eine Anpresskraft auf die Leiterplatte (4) ausübt, die eine elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte (4) und dem Pin (5) bewirkt.3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Pin (5) eine Beschichtung aufweist, welche derart beschaffen ist, dass der Pin (5) nach dem Umhüllen bei Prozesstemperaturen bis zu 180°C dauerhaft eine Anpresskraft auf die Leiterplatte (4) ausübt, die eine elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte (4) und dem Pin (5) bewirkt.4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Pin (5) eine Geometrie aufweist, welche derart beschaffen ist, dass der Pin (5) nach dem Umhüllen bei Prozesstemperaturen bis zu 180°C dauerhaft eine Anpresskraft auf die Leiterplatte (4) ausübt, die eine elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte (4) und dem Pin (5) bewirkt.5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (4) zumindest in dem Verbindungsbereich (9) aus einem Material gefertigt ist, welche derart beschaffen ist, dass die Leiterplatte (4) der dauerhaften Anpresskraft des Pins (5) und den beim Umhüllen auftretenden Prozesstemperaturen von bis zu 180°C standhält und eine dauerhafte elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte (4) und dem Pin (5) bewirkt.6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Leiterplatte (4) aus einem Material hergestellt ist, dessen Glasübergangstemperatur auf die Prozesstemperaturen während des Umhüllens abgestimmt ist.7. Leiterplatte (4) mit wenigstens einem Pin (5), wobei die Leiterplatte (4) mit dem wenigstens einen Pin (5) gemäß einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche elektrisch kontaktiert worden ist.8. Elektronisches Steuergerät für eine Komponente (2) eines Kraftfahrzeugs (1), das elektronische Steuergerät umfassend eine Leiterplatte (4) nach Anspruch 7.9. Kraftfahrzeug (1) umfassend ein elektronisches Steuergerät nach Anspruch 8.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Leiterplatte mit einem Pin.
  • Es ist bekannt, eine Leiterplatte mit einem Pin, insbesondere in Form eines Kupfer-Stanzgitters, mittels Einpressen elektrisch zu kontaktieren. Eine derartige Einpresstechnik stellt eine kostengünstige und zuverlässige Verbindungstechnologie zur elektrischen Kontaktierung dar. Im Automobilbereich findet die Einpresstechnik eine breite Anwendung, da sie in einem Temperaturbereich von -40 bis 150 °C einsetzbar ist, eine hohe Vibrationsfestigkeit aufweist (> 30 g), geringe Übergangswiderstände hervorruft (<< 1mΩ) und somit eine hohe Stromtragfähigkeit gewährleistet. Weiterhin stellt die Einpresstechnik einen einfachen und stabilen Fertigungsprozess ohne Temperaturbelastung der Leiterplatte dar und erzeugt lediglich sehr geringe Ausfallraten bzw. sorgt für eine hohe Zuverlässigkeit.
  • Durch den Einfluss aggressiver korrosionsfördernder Medien ist die Zuverlässigkeit und damit die Anwendung der Einpresstechnik stark eingeschränkt. Beispielsweise können Getriebeöle im flüssigen wie im gasförmigen Zustand schädigend auf die elektrische sowie mechanische Funktion der Einpressverbindung einwirken. Dies ist unter anderem abhängig vom Schwefelgehalt des Öls, von den äußeren Temperaturen und der Verweilzeit der Einpressverbindung im korrosionsfördernden Medium. Ein zuverlässiger Schutz der elektrischen Verbindung vor direktem Einfluss korrosionsfördernder Medien beispielsweise in integrierten Getriebesteuerungen ist aus dem derzeitigen Stand der Technik nicht bekannt.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Leiterplatte mit einem Pin bereitzustellen, welches eine Zuverlässigkeitssteigerung insbesondere von integrierten Getriebesteuerungen bei besonders geringen Kosten für die Kontaktierung ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Leiterplatte mit einem Pin bereitgestellt. Bei dem Pin kann es sich insbesondere um ein Stanzgitter handeln, z.B. ein Kupfer-Stanzgitter. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden ein Pin und eine Leiterplatte mit einer Aufnahme für den Pin bereitgestellt. Eine Oberfläche der Leiterplatte wird in einem Verbindungsbereich metallisiert, z.B. durch chemisch Zinn oder OSP (Organic Surface Protection) . Dadurch wird eine zuverlässige Anwendung einer Einpresstechnik ermöglicht, die im Folgenden angewendet wird. In dem Verbindungsbereich befindet sich dabei die Aufnahme. Außerdem ist in dem Verbindungsbereich die elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte und dem Pin vorgesehen.
  • In einem weiteren Schritt wird zunächst die Leiterplatte mit dem Pin in dem Verbindungsbereich elektrisch kontaktiert, wozu der Pin in die Leiterplatte eingepresst wird. Anschließend werden in einem weiteren Schritt die Leiterplatte und der Pin in dem Verbindungsbereich mit einer Umhüllung aus einem Duroplastwerkstoff umhüllt, welcher bevorzugt aus einem epoxybasiertem System mit Glaspartikelfüllung besteht. Mit anderen Worten wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst in einem Standardverfahren eine Einpressverbindung zwischen der Leiterplatte und dem Pin hergestellt. In einem weiteren Fertigungsschritt wird dann die Einpressverbindung vollständig mittels eines Duroplastwerkstoffs umhüllt und somit gasdicht gegen korrosive Medien geschützt. Alternativ zu dem Duroplastwerkstoff kann auch ein Thermoplastwerkstoff wie vorstehend beschrieben eingesetzt werden.
  • Das vorstehend beschriebene Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Leiterplatte mit einem Pin ist weiterhin dazu geeignet, auch eine Vielzahl von Pins wie vorstehend beschrieben mit der Leiterplatte elektrisch zu kontaktieren, wozu insbesondere eine entsprechende Anzahl von Aufnahmen der Leiterplatte vorgesehen werden und die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte entsprechend wiederholt werden bzw. zeitgleich durchgeführt werden können.
  • Ein besonderer Vorteil einer auf diese Weise umhüllten Einpressverbindung ist die damit einhergehende zusätzliche mechanische Fixierung der elektrischen Schnittstelle. Aufgrund thermischer und chemischer Vernetzung ist der Umhüllwerkstoff einem Schwund unterzogen. Durch sorgfältige Anpassung des Umhüllwerkstoffs kann dieser Schwund genutzt werden, um gezielt Spannungen zu induzieren und eine optimale mechanische Festigkeit zu gewährleisten. Zusätzliche Pins zur Steigerung der mechanischen Festigkeit können somit eingespart und der Bauraum sowie Kosten reduziert werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass ein Medienaustausch zwischen einer Oberseite und einer Unterseite der Leiterplatte unterbunden werden kann. Standardmäßige Einpressverbindungen hingegen erfordern eine offene Durchkontaktierung der Leiterplatte, wodurch ein Medienaustausch ermöglicht wird.
  • Im Gegensatz zu Standard-Vergussmaterialien, zeigen Umhüllungen mit Duroplastwerkstoffen besondere Vorteile. Sie binden gasdichtend an einer Schnittstelle zwischen der Leiterplatte und dem eingepressten Pin. Somit ist zusätzlich die Leiterplattenoberfläche vor Korrosion durch schadhafte Medien geschützt. Ein weiterer Vorteil beim Einsatz von Umhüllwerkstoffen aus Duroplast ist das geringe Quellverhalten, durch die Aufnahme von Wasser. Damit geht keine merkliche Änderung von physikalischen Eigenschaften einher.
  • Besondere Vorteile sind auch gegenüber umhüllten Lotverbindungen zu erwarten. Flussmittel können die Anbindung der Umhüllung zur Leiterplatte beeinträchtigen, welche bei der Anwendung von Einpresstechnik entfallen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist in sämtlichen Bereichen einsetzbar, in welchen eine Einpressverbindung vor schadhaften Medien geschützt bzw. die Zuverlässigkeit gesteigert werden soll oder die mechanische Stabilität verbessert werden muss. Insbesondere kann die Zuverlässigkeit einer integrierten Getriebesteuerung mit einer Platine, welche erfindungsgemäß mit einem Pin elektrisch kontaktiert ist, gesteigert werden.
  • Bei dem Umhüllen sind Prozesstemperaturen bis 180 °C möglich, welche also über den üblichen Einsatztemperaturen liegen. Es ist dabei zu beachten, die Materialien sowie Geometrien der Einzelkomponenten ideal auf den Umhüllprozess abzustimmen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass der Pin hergestellt ist aus einer Kupferlegierung, welche derart beschaffen ist, dass der Pin nach dem Umhüllen bei Prozesstemperaturen bis zu 180°C dauerhaft eine Anpresskraft auf die Leiterplatte ausübt, die eine elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte und dem Pin bewirkt.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Pin eine Beschichtung aufweisen, welche derart beschaffen ist, dass der Pin nach dem Umhüllen bei Prozesstemperaturen bis zu 180°C dauerhaft eine Anpresskraft auf die Leiterplatte ausübt, die eine elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte und dem Pin bewirkt.
  • Weiterhin kann der Pin eine Geometrie aufweisen, welche derart beschaffen ist, dass der Pin nach dem Umhüllen bei Prozesstemperaturen bis zu 180°C dauerhaft eine Anpresskraft auf die Leiterplatte ausübt, die eine elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte und dem Pin bewirkt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Leiterplatte zumindest in dem Verbindungsbereich aus einem Material gefertigt ist, welche derart beschaffen ist, dass die Leiterplatte der dauerhaften Anpresskraft des Pins und den beim Umhüllen auftretenden Prozesstemperaturen von bis zu 180°C standhält und eine dauerhafte elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte und dem Pin bewirkt. In diesem Zusammenhang kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Leiterplatte aus einem Material hergestellt ist, dessen Glasübergangstemperatur auf die Prozesstemperaturen während des Umhüllens abgestimmt ist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Leiterplatte mit wenigstens einem Pin bereitgestellt, wobei die Leiterplatte mit dem wenigstens einen Pin gemäß einem Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung elektrisch kontaktiert worden ist.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein elektronisches Steuergerät für eine Komponente eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, wobei das elektronische Steuergerät eine Leiterplatte gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst. Bei der Komponente des Kraftfahrzeugs kann es sich insbesondere um ein Getriebe des Kraftfahrzeugs handeln. In diesem Fall stellt das elektronische Steuergerät innerhalb des Getriebes des Kraftfahrzeugs eine integrierte Getriebesteuerung dar. Weiterhin könnte es sich bei der Komponente des Kraftfahrzeugs auch um einen Antriebsmotor, beispielsweise einen Verbrennungskraftmotor, oder um ein Bremssystem handeln.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, welches ein elektronisches Steuergerät gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung umfasst. Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie Auto, Bus oder Lastkraftwagen.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt
    • 1 eine Seitenansicht eines Fahrzeugs mit einem Getriebe und einem Gehäuse, welches eine Platine mit wenigstens einem Pin aufnimmt,
    • 2 eine Teil-Querschnittsdarstellung durch die in dem Gehäuse aus 1 aufgenommene Leiterplatte mit dem wenigstens einen Pin, wobei die Leiterplatte und der Pin durch Einpressen miteinander elektrisch kontaktiert sind, und
    • 3 eine Teil-Querschnittsdarstellung durch die Leiterplatte und den Pin nach 2, wobei die Einpressverbindung zwischen Leiterplatte und Pin mit einem Umhüllwerkstoff umhüllt worden sind.
  • 1 zeigt ein Fahrzeug in Form eines Kraftfahrzeugs 1. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst unter anderem ein Getriebe 2, innerhalb welchem ein Gehäuse 3 angeordnet ist. Das Gehäuse 3 ist unmittelbar in einem Getriebeöl des Getriebes 2 verbaut und nimmt in seinem Innenraum eine Platine 4 mit mehreren Pins 5 auf ( 2 und 3) . Das Gehäuse 3 bildet zusammen mit der Platine 4 und den mehreren Pins 5 ein elektronisches Steuergerät. Neben dem Getriebe 2 umfasst das Kraftfahrzeug 1 weiterhin auch insbesondere einen Motor und ein Bremssystem (beide nicht gezeigt), welche beide ebenfalls ein Gehäuse 3 mit einer Platine 4 aufweisen können.
  • 2 und 3 zeigen einen Teil einer bereitgestellten Platine 4 und einen von mehreren bereitgestellten Pins 5. Die Platine 4 und die Pins 5 können von dem Gehäuse 3 aus 1 aufgenommen werden. Die Platine 4 ist mit einer Aufnahme 6 bereitgestellt, welche eine Unterseite 7 und eine Oberseite 8 der Leiterplatte 4 miteinander verbindet. Der Pin 5 ist in einem Verbindungsbereich 9 innerhalb der Aufnahme 6 aufgenommen.
  • Auf eine Oberfläche der Leiterplatte 4 ist in dem Verbindungsbereich 9, in welchem sich die Aufnahme 6 befindet und in welchem eine Kontaktierung zwischen der Leiterplatte 4 und dem Pin 5 vorgesehen ist, eine Oberflächenmetallisierung 10 aufgebracht, z.B. in Form von chemisch Zinn oder OSP. Die Oberflächenmetallisierung 10 wurde zunächst aufgebracht und anschließend wurde der Pin 5 durch Einpressen in die Aufnahme 6 mit der Oberflächenmetallisierung 10 eingeführt.
  • 3 zeigt die Leiterplatte 4 und den Pin 5, nachdem die Leiterplatte 4 und der Pin 5 in dem Verbindungsbereich 9 mit einer Umhüllung 11 aus einem Duroplastwerkstoff vollständig umhüllt worden sind. Die Umhüllung 11 ist dabei unmittelbar auf die Oberfläche der Leiterplatte 4 und unmittelbar auf die Oberfläche des Pins 5 aufgebracht.
  • In 3 sind weiterhin durch Doppelpfeile FF Federkräfte dargestellt, welche der Pin 5 mittelbar auf die Leiterplatte 4 und unmittelbar auf die Oberflächenmetallisierung 10 ausübt. Die Doppelpfeile FF präsentieren gleichfalls eine entsprechende Gegenkraft der Leiterplatte 4 auf den Pin 5 bzw. auf die Oberflächenmetallisierung 10. Aufgrund thermischer und chemischer Vernetzung ist die Umhüllung 11 einem Schwund unterzogen, welcher eine Spannung induziert, welche die Festigkeit der Verbindung zwischen Pin 5 und Leiterplatte 4 erhöht. Eine dieser Spannung entsprechende Schwundkraft ist mit weiteren Pfeilen FS verdeutlicht.

Claims (9)

  1. Verfahren zum elektrischen Kontaktieren einer Leiterplatte (4) mit einem Pin (5), das Verfahren umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Pins (5) und einer Leiterplatte (4) mit einer Aufnahme (6) für den Pin (5), - Metallisieren einer Oberfläche der Leiterplatte (4) in einem Verbindungsbereich (9), in welchem sich die Aufnahme (6) befindet und in welchem eine elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte (4) und dem Pin (5) vorgesehen ist, - elektrisches Kontaktieren der Leiterplatte (4) mit dem Pin (5) in dem Verbindungsbereich (9) durch Einpressen des Pins (5) in die Leiterplatte (4) und - Umhüllen der Leiterplatte (4) und des Pins (5) in dem Verbindungsbereich (9) mit einer Umhüllung (11) aus einem Duroplastwerkstoff.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Pin (5) hergestellt ist aus einer Kupferlegierung, welche derart beschaffen ist, dass der Pin (5) nach dem Umhüllen bei Prozesstemperaturen bis zu 180°C dauerhaft eine Anpresskraft auf die Leiterplatte (4) ausübt, die eine elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte (4) und dem Pin (5) bewirkt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Pin (5) eine Beschichtung aufweist, welche derart beschaffen ist, dass der Pin (5) nach dem Umhüllen bei Prozesstemperaturen bis zu 180°C dauerhaft eine Anpresskraft auf die Leiterplatte (4) ausübt, die eine elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte (4) und dem Pin (5) bewirkt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Pin (5) eine Geometrie aufweist, welche derart beschaffen ist, dass der Pin (5) nach dem Umhüllen bei Prozesstemperaturen bis zu 180°C dauerhaft eine Anpresskraft auf die Leiterplatte (4) ausübt, die eine elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte (4) und dem Pin (5) bewirkt.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (4) zumindest in dem Verbindungsbereich (9) aus einem Material gefertigt ist, welche derart beschaffen ist, dass die Leiterplatte (4) der dauerhaften Anpresskraft des Pins (5) und den beim Umhüllen auftretenden Prozesstemperaturen von bis zu 180°C standhält und eine dauerhafte elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte (4) und dem Pin (5) bewirkt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Leiterplatte (4) aus einem Material hergestellt ist, dessen Glasübergangstemperatur auf die Prozesstemperaturen während des Umhüllens abgestimmt ist.
  7. Leiterplatte (4) mit wenigstens einem Pin (5), wobei die Leiterplatte (4) mit dem wenigstens einen Pin (5) gemäß einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche elektrisch kontaktiert worden ist.
  8. Elektronisches Steuergerät für eine Komponente (2) eines Kraftfahrzeugs (1), das elektronische Steuergerät umfassend eine Leiterplatte (4) nach Anspruch 7.
  9. Kraftfahrzeug (1) umfassend ein elektronisches Steuergerät nach Anspruch 8.
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