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Die Erfindung betrifft ein Bauelement zur Oberflächen-Lötmontage auf einer Leiterplatte, eine zugehörige Verwendung und eine Anordnung. Es ist bekannt Bauelemente, insbesondere solche in SMD-Bauweise (engl. SMD = Surface Mounted Devices), auf einer Leiterplatte durch eine Lotverbindung festzulegen. In der SMD Bestückung werden Bauelemente, wie elektronische oder elektromechanische Komponenten mit Bestückungsautomaten auf die Oberflächen von Leiterplatten, auch Platinen genannt, bestückt. Im Gegensatz zur konventionellen Bestückung in THT-Technik (engl. THT = Through hole Technology) werden Bauelemente direkt auf die Oberfläche der Leiterplatte bestückt, statt über Drahtanschlüsse verlötet. Dabei ist die SMD Bestückung heutzutage die dominante Technologie in der Bestückung von Leiterplatten. Die Bestückung der Leiterplatte umfasst dabei nicht nur das Platzieren der Bauelemente auf der Leiterkarte, sondern folgende Arbeitsschritte: Aufbringen von Lotpaste, welche aus Zinnpartikeln und Flussmittel besteht mittels Pastendruck; Bestücken der Bauelemente auf der Leiterplatte in die Lotpaste; Löten der Leiterplatte im Reflow-Verfahren. Gattungsgemäße Bauelemente zur Oberflächen-Lötmontage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind jeweils aus der
DE 10 2019 217 186 A1 ,
DE 196 00 966 A1 und der
WO 2016/ 204 247 A1 bekannt.
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Während elektronische Bauelemente regelmäßig bei der weiteren Montage und auch während der bestimmungsgemäßen Verwendung keine oder allenfalls einer geringen mechanischen Beanspruchung unterliegen, gibt es andere, vorwiegend elektromechanische Bauelemente, wie die Steckverbinder zur Herstellung einer elektrischen Verbindung, die primär bei der Montage einer starken mechanischen Belastung unterliegen zu können aber auch solche Bauelemente, die primär bei der bestimmungsgemäßen Nutzung besonders mechanisch beansprucht werden, wie Schnappscheiben, die als Schaltelement zur Veränderung eines Schaltzustands und/oder zur Erzeugung einer Schnapphaptik bei der Betätigung eines Betätigungselements verwendet werden. Schnappscheiben werden beispielsweise durch eine Klebefolie auf einer Leiterplatte fixiert. Eine solche Vorgehensweise eignet sich aber nicht bei mehrseitiger SMD-Bestückung der Leiterplatte, da die Folie im Reflowverfahren beschädigt würde. Eine Fixierung elektromechanischer Bauelemente durch eine Lotverbindung, insbesondere durch mehrere Lotverbindungen, an der Leiterplatte hat den Nachteil, dass gerade die Lotverbindung bei der mechanischen Beanspruchung besonders hohen Belastungen ausgesetzt ist, was zum Totalausfall führen kann.
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Es besteht daher Bedarf nach einem Bauelement zur Oberflächen-Lötmontage, bei dem die Haltbarkeit der Lotverbindungen trotz mechanischer Beanspruchung des Bauelements verbessert gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Anordnung gemäß Anspruch 11 gelöst. Eine entsprechend vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des Verwendungsanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Die Erfindung betrifft ein Bauelement, insbesondere ein elektromechanisches Bauelement, zur Oberflächen-Lötmontage auf einer Leiterplatte, auch als Platine bezeichnet. Dieses Bauelement weist einen Grundkörper auf, der mindestens eine zur Anlage an eine Oberfläche der Leiterplatte vorgesehene Anlagefläche oder mehrere in einer Ebene angeordnete Anlagepunkte, die beispielsweise an äußeren Stellen des Grundkörpers vorgesehen sind, ausbildet. Das erfindungsgemäße Bauelement weist ferner zwei an gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers ausgebildete, elastisch nachgebende Ausleger auf, die jeweils eine, bevorzugt an einem endständigen Abschnitt des jeweiligen Auslegers ausgebildete, Lötfläche zur Lotverbindung mit einer zugehörigen Positionierfläche ausbilden. Die Lötflächen sind beispielsweise in der von der Anlagefläche oder von den mehreren Anlagepunkten aufgespannten Ebene angeordnet.
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Erfindungsgemäß weist jeder der zwei Ausleger auf seinem Verlauf ausgehend von dem Grundkörper zu der Lötfläche in Abfolge einen streifenförmigen, flachen, ersten Abschnitt und einen streifenförmigen, flachen, zweiten Abschnitt auf, wobei die Hauptflächen des ersten Abschnitts zu den Hauptflächen des zweiten Abschnitts zueinander abgewinkelt sind, d.h. weder in derselben Ebene noch in zueinander parallelen Ebenen liegen. Beispielsweise schließen die von den Hauptflächen des ersten Abschnitts 4a aufgespannten Ebenen einen Winkel im Bereich von 70° bis 110° mit den Hauptflächen des zweiten Abschnitts 4b ein. Als Hauptflächen werden diejenigen Seiten des ersten Abschnitts bzw. des zweiten Abschnitts verstanden, die den größten Flächeninhalt im Vergleich zu den verbleibenden Seiten desjeweiligen Abschnitts aufweisen. Die Hauptflächen eines Abschnitts sind beispielsweise im Wesentlichen parallel zueinander. Dadurch dass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt jeweils streifenförmig und flach ausgebildet sind, weisen sie in der zu jeweiligen Hauptfläche senkrechten Richtung die höchste elastische Nachgiebigkeit auf.
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Durch das erfindungsgemäße Merkmal, dass die Hauptflächen des ersten Abschnitts und die Hauptflächen des zweiten Abschnitts sich in ihrer relativen Raumausrichtung unterscheiden, weist jeder Ausleger einen elastischen Freiheitsgrad in zwei unterschiedliche Richtungen auf, was die mechanische Belastung der Lotverbindung zwischen der bauelementseitigen Lötfläche und der leiterplattenseitigen Positionierfläche bei mechanischer Beanspruchung des Grundkörpers verbessert. Durch die mehrfach vorgesehenen Lotverbindungen zwischen dem Bauelement und der Leiterplatte ist eine mehrseitige Bestückung der Leiterplatte in SMD-Technik, insbesondere mit Löten der Leiterplatte im Reflow-Verfahren, ermöglicht.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Bauelement um ein elektromechanisches Bauelement. Bevorzugter ist der Grundkörper ausgebildet, bei Anordnung zwischen einem Betätigungselement und der Leiterplatte bei Betätigung des Betätigungselement rückstellend auf das Betätigungselement und optional mindestens in Zusammenwirken mit der Leiterplatte einen elektrisch Schaltkontakt herstellend zu wirken. Aufgrund der Anordnung des Grundkörpers im Kraftverlauf der auf das Betätigungselement wirkenden Betätigungskraft aber auch aufgrund der mechanisch rückstellenden Wirkung und der damit einhergehenden elastischen Verformung des Grundkörpers sind die mechanischen Anforderungen an die Lotverbindungen zwischen Bauelement und Leiterplatte besonders hoch und beinhalten auch in einer zur Leiterplattenoberfläche parallelen Richtung wirkende Kräfte, wie Scherkräfte. Dadurch, dass die Ausleger eine elastische Ausgleichsbewegung des Grundkörpers in mehrere Richtungen gestatten, kann ein Bruch der Lotverbindungen zwischen dem Bauelement und der Leiterplatte wirksam vermieden werden.
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Bevorzugt weist der Grundkörper einen Schaltdom auf, wobei der Schaltdom von einem stabilen Zustand in einen instabilen Zustand unter Bereitstellung einer Schnapphaptik verformbar ist. Als Schnapphaptik wird ein die Rückstellkraft betreffender Kraft-Wegverlauf verstanden, bei dem vor dem Erreichen einer gedrückten instabilen Endstellung der Kraft-Wegverlauf ein lokales Maximum annimmt. Ein derartiger mit Schaltdom versehener Grundkörper wird geläufig als „Schnappscheibe“ bezeichnet.
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Bevorzugt sind der Grundkörper und die Ausleger einstückig ausgebildet. Bevorzugter sind sie als gebogenes Stanzteil aus einem Metallblech ausgebildet. Meist bevorzugt ist das Bauelement vollständig aus einem gebogenen und gegebenenfalls geprägten Metallblech, wie einem Federstahlblech, ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist für jeden der zwei Ausleger eine erste, längste Erstreckungsrichtung des ersten Abschnitts parallel zu einer zweiten, längsten Erstreckungsrichtung des zweiten Abschnitts.
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Bevorzugt fußen die Ausleger jeweils in entgegengesetzter Richtung versetzt zu einer geometrischen Mitte der zugehörigen Seite am Grundkörper.
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Bevorzugt sind die Hauptflächen wenigstens eines Abschnitts aus erstem Abschnitt und zweitem Abschnitt parallel zur Anlagefläche oder zu der von den Anlagepunkten aufgespannten Ebene und damit in dem an der Leiterplatte festgelegten Zustand parallel zur Oberfläche der Leiterplatte. Bevorzugter ist der erste Abschnitt parallel zur Anlagefläche oder zu der von den Anlagepunkten aufgespannten Ebene.
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Bevorzugt sind die Hauptflächen des ersten Abschnitts im Wesentlichen orthogonal zu den Hauptflächen des zweiten Abschnitts ausgerichtet.
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Bevorzugt sind die zwei Ausleger jeweils ausgehend von dem Grundkörper zu der zugehörigen Lötfläche mäanderförmig ausgestaltet. Beispielsweise sind der erste Abschnitt und zweite Abschnitt durch einen dritten, mehrfach gekrümmten dritten Abschnitt verbunden.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei der Oberflächen-Lötmontage auf eine Leiterplatte, bevorzugt bei der Bestückung der Leiterplatte in SMD-Technik, bevorzugter bei der mehrseitigen Bestückung der Leiterplatte in SMD-Technik.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung aus einer Leiterplatte und einem Bauelement in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, wobei der Grundkörper an der Leiterplatte lediglich anliegt und lediglich die Lötfläche jedes Auslegers durch eine Lotverbindung an der zugehörigen Positionierfläche der Leiterplatte festgelegt ist. In Kombination mit der erfinderischen Ausgestaltung des Bauteils, dass die Hauptflächen des ersten Abschnitts und die Hauptflächen des zweiten Abschnitts sich in ihrer relativen Raumausrichtung unterscheiden, weist jeder Ausleger einen elastischen Freiheitsgrad in zwei unterschiedliche Richtungen auf, was die mechanische Belastung der Lotverbindung zwischen der bauelementseitigen Lötfläche und der leiterplattenseitigen Positionierfläche bei mechanischer Beanspruchung des Grundkörpers verbessert.
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Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Anordnung ferner ein Betätigungselement auf, wobei der Grundkörper des Bauelements zwischen dem Betätigungselement und der Leiterplatte angeordnet ist und bei Betätigung des Betätigungselements rückstellend auf das Betätigungselement einwirkt und optional mindestens in Zusammenwirken mit der Leiterplatte einen elektrisch Schaltkontakt herstellt.
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Aufgrund der Anordnung des Grundkörpers im Kraftverlauf der auf das Betätigungselement wirkenden Betätigungskraft aber auch aufgrund der mechanisch rückstellenden Wirkung und der damit einhergehenden elastischen Verformung des Grundkörpers sind die mechanischen Anforderungen an die Lotverbindungen zwischen Bauelement und Leiterplatte besonders hoch und beinhalten auch in einer zur Leiterplattenoberfläche parallelen Richtung wirkende Kräfte, wie Scherkräfte. Dadurch, dass die Ausleger eine elastische Ausgleichsbewegung des Grundkörpers in mehrere Richtungen gestatten, kann ein Bruch der Lotverbindungen zwischen den Bauelement und der Leiterplatte wirksam vermieden werden.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich bevorzugte Ausführungsvarianten dar. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 10;
- 2 eine Seitenansicht des in 1 gezeigten erfindungsgemäßen und zur erfindungsgemäßen Anordnung 10 aus 1 gehörigen Bauelements 1.
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1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 10. Diese weist eine Leiterplatte 2 und ein auf einer Oberfläche 12 der Leiterplatte 2 ausschließlich durch zwei Lotverbindungen festgelegtes Bauelement 1 auf Das gezeigte Bauelement 1 ist ein elektromechanisches Bauelement, das zur Oberflächen-Lötmontage auf der Leiterplatte 12 geeignet ist. Die Lotverbindung ist jeweils zwischen den Lotflächen 4c des Bauelements 1 und zugehörigen, kupfer- oder goldbeschichteten Positionierflächen 13 der Leiterplatte 2 vorgesehen. Der zum Bauteil 1 gehörige Grundkörper 3 liegt lediglich an der Leiterplatte 2 über mehrere, in einer gemeinsamen Ebene angeordnete Kontaktpunkte 6 an der Oberfläche 12 der Leiterplatte 2 an, wobei die Kontaktpunkte 6 durch an den äußeren Ecken des im Wesentlichen quadratischen Grundkörpers 3 durch Prägen eingebrachte kugelförmige, in Richtung der Leiterplatte 2 vorstehende Ausformungen vorgegeben sind. Ein zur erfindungsgemäßen Anordnung gegebenenfalls gehöriges, auf das Bauelement 1 einwirkendes Betätigungselement ist nicht dargestellt. Das Bauelement 1 weist ferner zwei an gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers 3 ausgebildete, elastisch nachgebende Ausleger 4 auf, die jeweils eine, an einem endständigen Abschnitt des jeweiligen Auslegers 4 ausgebildete Lötfläche 4c zur Lotverbindung mit der zugehörigen Positionierfläche 13 der Leiterplatte 2 ausbilden. Die Lötflächen 4c sind in der von den mehreren Anlagepunkten 6 aufgespannten Ebene angeordnet. Der Grundkörper 3 und die Ausleger 4 sind einstückig und als gebogenes Stanzteil aus einem Metallblech ausgebildet.
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Dabei weist jeder der zwei Ausleger 4 auf seinem Verlauf ausgehend von dem Grundkörper 3 zu der jeweiligen Lötfläche 4c in Abfolge einen streifenförmigen, flachen, ersten Abschnitt 4a und einen streifenförmigen, flachen, zweiten Abschnitt 4b auf, wobei die Hauptflächen des ersten Abschnitts 4a zu den Hauptflächen des zweiten Abschnitts 4b zueinander abgewinkelt sind, d.h. weder in derselben Ebene noch in zueinander parallelen Ebenen liegen. Beispielsweise schließen die von den Hauptflächen des ersten Abschnitts 4a aufgespannten Ebenen einen Winkel im Bereich von 70° bis 110° mit den Hauptflächen des zweiten Abschnitts 4b ein. Als Hauptflächen werden diejenigen Seiten des ersten Abschnitts 4a bzw. des zweiten Abschnitts 4b verstanden, die den größten Flächeninhalt im Vergleich zu den verbleibenden Seiten desjeweiligen Abschnitts aufweisen. Die Hauptflächen des ersten Abschnitts 4a und zweiten Abschnitts 4b sind im Wesentlichen parallel zueinander und im unbelasteten Zustand im Wesentlichen eben. Dadurch dass der erste Abschnitt 4a und der zweite Abschnitt 4b jeweils streifenförmig und flach ausgebildet sind, weisen sie in der zu jeweiligen Hauptfläche senkrechten Richtung die höchste elastische Nachgiebigkeit auf.
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Durch das erfindungsgemäße Merkmal, dass die Hauptflächen des ersten Abschnitts 4a und die Hauptflächen des zweiten Abschnitts 4b sich in ihrer relativen Raumausrichtung unterscheiden, weist jeder Ausleger 4 einen elastischen Freiheitsgrad in zwei unterschiedliche Richtungen auf, was die mechanische Belastung der Lotverbindung zwischen der bauelementseitigen Lötfläche 4c und der leiterplattenseitigen Positionierfläche 13 bei mechanischer Beanspruchung des Grundkörpers 3 verbessert. Beispielsweise schließen die von den Hauptflächen des ersten Abschnitts 4a aufgespannten Ebenen einen Winkel im Bereich von 70° bis 110° mit den Hauptflächen des zweiten Abschnitts 4b ein. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Hauptflächen des ersten Abschnitts 4a im Wesentlichen orthogonal zu den Hauptflächen des zweiten Abschnitts 4b ausgerichtet, während die Hauptflächen des ersten Abschnitts 4a parallel zu der von den Anlagepunkten 6 aufgespannten Ebene und damit in dem an der Leiterplatte festgelegten Zustand parallel zur Oberfläche 12 der Leiterplatte 2 sind. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die zwei Ausleger 4 jeweils ausgehend von dem Grundkörper 3 zu der zugehörigen Lötfläche 4c mäanderförmig ausgestaltet, da der erste Abschnitt 4a und zweite Abschnitt 4b durch einen dritten, mehrfach gekrümmten dritten Abschnitt 4d verbunden sind. Für jeden der zwei Ausleger 4 eine erste, längste Erstreckungsrichtung des ersten Abschnitts 4a parallel zu einer zweiten, längsten Erstreckungsrichtung des zweiten Abschnitts 4b. Dabei fußen die Ausleger 4 jeweils in entgegengesetzter Richtung versetzt zu einer geometrischen Mitte der zugehörigen Seite am Grundkörper 3.
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Der Grundkörper 3 ist bei der gezeigten Ausführungsform ausgebildet, bei Anordnung zwischen einem Betätigungselement und der Leiterplatte 2 bei Betätigung des Betätigungselement rückstellend auf das Betätigungselement und in Zusammenwirken mit der Leiterplatte 2 einen elektrisch Schaltkontakt zwischen den Kontaktflächen 8 der Leiterplatte 2 herstellend zu wirken. So weist der Grundkörper 3 einen Schaltdom 5 auf, wobei der Schaltdom 5 von einem stabilen Zustand in einen instabilen Zustand unter Bereitstellung einer Schnapphaptik verformbar ist. Im Zentrum des Schaltdoms 5 ist ein Durchbruch 7 für das Licht einer auf der Leiterplatte 2 vorgesehenen, nicht dargestellten Lichtquelle vorgesehen. Als Schnapphaptik wird ein die Rückstellkraft betreffender Kraft-Wegverlauf verstanden, bei dem vor dem Erreichen einer gedrückten instabilen Endstellung des Schaltdoms 5 der Kraft-Wegverlauf ein lokales Maximum annimmt. Ein derartiger mit Schaltdom 5 versehener Grundkörper 3 wird geläufig als „Schnappscheibe“ bezeichnet.
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Aufgrund der Anordnung des Grundkörpers 3 im Kraftverlauf der auf das Betätigungselement wirkenden Betätigungskraft aber auch aufgrund der mechanisch rückstellenden Wirkung und der damit einhergehenden elastischen Verformung des Grundkörpers 3, insbesondere des Schaltdoms 5, sind die mechanischen Anforderungen an die Lotverbindungen zwischen Bauelement 1 und Leiterplatte 2 besonders hoch und beinhalten auch in einer zur Leiterplattenoberfläche 12 parallelen Richtung wirkende Kräfte, wie Scherkräfte. Dadurch, dass die Ausleger 4 eine elastische Ausgleichsbewegung des Grundkörpers 3 in mehrere Richtungen gestatten, kann ein Bruch der Lotverbindungen zwischen dem Bauelement 1 und der Leiterplatte 2 wirksam vermieden werden.
