DE10246576B4

DE10246576B4 - Leiterplatte

Info

Publication number: DE10246576B4
Application number: DE2002146576
Authority: DE
Inventors: Steffen Rosenkranz; Jürgen Reuter
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2002-10-05
Filing date: 2002-10-05
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2022-10-06
Also published as: DE10246576A1

Abstract

Leiterplatte aus einer elektrisch isolierenden Platte mit auf mindestens einer Seite befestigten Leiterbahnen,
wobei die Platte mindestens eine durchgehende Bohrung aufweist,
wobei ein Bauteil mit einem Teil die Bohrung durchdringt und
wobei das Ende des Bauteils zumindest über einen wesentlichen Teil seines Umfangs und ein angrenzender Rand einer der Leiterbahnen durch mindestens eine Laserschweißnaht verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ende (8) des Bauteils längs der Längsachse eine kurze Bohrung (7) eingelassen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Leiterplatten sind als elektrische oder elektronische Komponenten für z.B. Steuerungen bekannt und werden unter anderem in Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Die DE 40 26 233 A1 beschreibt eine gattungsgemäße Leiterplatte mit elektrischen Bauelementen, die in Durchgangsbohrungen der Leiterplatte eingesetzt sind und auf dieser geringfügig vorstehen. In jedem vorstehenden Bereich tragen die Bauelemente Kontaktflächen, die mit Leiterbahnen der Leiterplatte verlötet sind. Die unteren Enden der Bauelemente laufen als Halbkugelkalotte oder abgerundete Kegelspitze aus und ragen mit ihren Kontaktflächen in Lötaugen, während die oberen Kontaktflächen über Kontaktelemente mit Leiterbahnen verbunden sind. Diese Befestigungstechnik ist für einfache Bauteile wie z.B. Bolzen oder Drähte sehr aufwändig, zumal das Bauteil an einem Ende eine bestimmte Ausformung aufweisen muss. Weiterhin sind Lötverbindungen nur begrenzt temperaturfest.

Aus der DE 199 45 794 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte bekannt. Diese besteht aus wenigstens einer Schicht aus einem Dielektrikum, die an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils mit einer Metallisierung versehen ist und die mindestens eine Durchkontaktierung im Bereich einer Öffnung aufweist. Eine der Metallisierungen wird im Bereich der Öffnung derart verformt, dass ein in die Öffnung hineinreichender Abschnitt mit der anderen Metallisierung elektrisch verbunden wird. Hierfür kann ein punktförmiges Laserschweißen eingesetzt werden. Diese bekannte Durchkontaktierung ergibt keine durchgehende Öffnung, in die ein Bauteil eingesetzt und befestigt werden kann. Das punktförmige Laserschweißen wird bei dünnen Metallfolien angewendet und ermöglicht nicht die sichere Befestigung eines Bauteils.

Aus der JP 2002025639 A ist eine Leiterplatte bekannt, die aus einer elektrisch isolierten Platte besteht, mit auf mindestens einer Seite befestigten Leiterbahnen, wobei die Platte eine durchgehende Bohrung aufweist, wobei ein Bauteil mit einem Teil die Bohrung durchdringt und wobei das Ende des Bauteils mittels Laserschweißen mit der Leiterbahn verbunden ist.

Bei Laserschweißungen von unterschiedlich dicken Materialien besteht allgemein das Problem, dass sich die Bauteile aufgrund ihres Querschnitts unterschiedlich stark erwärmen und es infolgedessen zu Spannungen in dem Schweißbereich kommt, die zu einer frühzeitigen Zerstörung führen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leiterplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszubilden, dass sich eine thermisch und mechanisch stabile Laserschweiß-Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Bauteil ergibt.

Die Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Querschnitt des Endes des Bauteils wird durch eine in dem Ende des Bauteils längs der Längsachse eingelassene kurze Bohrung an die Dicke der angrenzenden Leiterbahn, mit der es verschweißt wird, angepasst. Das bedeutet, der Querschnitt des Endes des Bauteils wird im Bereich der Schweißung so verkleinert, dass er hier um ein lediglich akzeptables Maß größer ist als der sich aus der Dicke ergebende Querschnitt der angrenzenden Leiterbahn (dies entspricht ihrer Fläche in der Bohrung). Dies ermöglicht eine weitgehend gleichmäßige Erwärmung von Bauteil und Leiterbahn im Bereich der Schweißung. Hierdurch ist ein sicheres und haltbares Verschweißen möglich. Das Verhältnis von der Dicke der Leiterbahn zum Querschnitt des Endes des Bauteils zu soll. im Bereich der Schweißung so gewählt werden, dass eine gleichmäßige Wärmeableitung in beide Fügepartner erfolgt. Das optimale Verhältnis ist von den jeweiligen Bedingungen abhängig und liegt im Bereich von 1 : 1 bis 1 : 10. Durch den variabel wählbaren Bohrungsdurchmesser ist die Querschnittsanpassung einfach herstellbar. Die Bohrung ermöglicht beim Laserschweißen eine ausreichend gleichmäßige, örtliche Erwärmung des Bauteils und der Leiterbahn und gegebenenfalls einer Durchkontaktierung, weil im Bereich der Bohrung die Masse des Bauteils verkleinert ist und somit auch die Wärmekapazität und die Wärmeableitung während des Schweißens. Eine derartige Ausbildung gewährleistet eine thermisch und mechanisch stabile Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Bauteil. Die Verbindung beginnt erst beider Temperatur zu erweichen, die dem Schmelzpunkt der verwendeten Materialien – z.B. Kupfer – entspricht und bei über 1000°C für Kupfer liegt, während übliches Lötzinn einen Schmelzpunkt von rd. 180° bis 220°C aufweist. Schweißverbindungen haben eine sehr gute mechanische Dauerfestigkeit, so dass sie auch Erschütterungen, wie sie in z.B. Fahrzeugen auftreten, standhalten.

Ein Bolzen als Bauteil nach Anspruch 2 ermöglicht eine sichere und haltbare Befestigung einer fertigen Leiterplatte in einem Gehäuse. Der Bolzen kann zusätzlich als elektrischer Leiter und/oder zur Wärmeableitung genutzt werden.

Die Erfindung wird anhand. des in der Zeichnung vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1 ein vergrößertes Detail einer Leiterplatte in der Draufsicht und
2 einen senkrechten Schnitt gemäß 1.
Wie aus den Figuren ersichtlich besteht eine Leiterplatte 1 aus einer Platte 2 mit darauf befestigten Leiterbahnen 3 und Bauteilen, hier einem Bolzen 5.
Die Platte 2 besteht wie bekannt aus isolierendem Material wie z.B. Keramik oder Kunststoff. In die Platte 2 sind entsprechend den Erfordernissen durchgehende, senkrecht zu den Hauptflächen verlaufende Bohrungen eingelassen.
Auf jeder Hauptfläche, das heißt auf den Oberflächen der Platte 2, die sich gegenüberliegen und am größten sind, sind die Leiterbahnen 3 aus z.B. Kupfer, die Kontaktflächen und/oder flächige Schichten 3.1 sowie bahnförmige Schichten 3.2 umfassen, unlösbar befestigt. Jede Leiterbahn 3 hat eine Dicke von ca. 20 – 400 μm. Zumindest ein Teil der flächigen Schichten 3.1, die nach 2 unter und über der Platte 2 gegenüberliegend angeordnet sind, sind durch die zugeordnete Bohrung mit jeweils einer Durchkontaktierung 4 verbunden. Die Schichten 3.1 haben die Form z.B. eines Quadrats, in das in etwa zentrisch die Bohrung eingelassen ist.
In mindestens eine der Durchkontaktierungen 4 ist als Bauteil der im Querschnitt runde Bolzen 5 aus Metall eingesetzt. Der Bolzen 5 weist in seinem oberen Teil 5.1, der die Platte 2 durchdringt, einen Durchmesser auf, der geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der Durchkontaktierung 4, so dass der Bolzen 5 praktisch ohne Spiel in der Durchkontaktierung 4 geführt ist. Die Länge des oberen Teils 5.1 des Bolzens 5 ist geringfügig größer als die Dicke der Platte 2 einschließlich der Schichten 3.1. Daher ragt ein nach 2 oberes Ende 8 des Bolzens 5 geringfügig über den Rand der oberen Schicht 3.1 heraus, während der restliche, überwiegende Teil des oberen Teils 5.1 von der Durchkontaktierung 4 umschlossen ist.
Zwischen dem oberen Ende 8 des Bolzens 5 und dem angrenzenden Rand der oberen Schicht 3.1 ist eine umlaufende Laserschweißnaht 6 angeordnet, die hier einen festen Verbund herstellt.
In das obere Ende 8 ist mittig und parallel zur Längsachse des Bolzens 5 eine kurze Bohrung 7 eingelassen.
Der untere Teil 5.2 des Bolzens 5, der nach 2 nach unten aus der Durchkontaktierung 4 herausragt, ist im Durchmesser in etwa vier mal so groß wie der obere Teil 5.1. Zwischen dem oberen Teil 5.1 und dem unteren Teil 5.2 ist eine Stufe gebildet. An seinem unteren, nicht dargestellten Ende ist der Bolzen 5 mit einem Gehäuse 9 verbunden, z.B. eingespritzt. Die Leiterplatte 1 ist durch weitere, nicht dargestellte Bolzen 5 am Gehäuse 9 befestigt.
Falls erforderlich kann der Bolzen 5 auch zur Ableitung von Wärme aus der Leiterplatte 1 genutzt werden. Hierfür ist dann das Gehäuse 9 z.B. aus Metall, oder in dem Gehäuse 9 sind entsprechende Schichten aus gut wärmeleitfähigem Material eingelassen.
Weiterhin kann der Bolzen 5 als elektrischer Anschluss, z.B. als Erdung, genutzt werden.
Zum Befestigen wird die Leiterplatte 1 mit den zu befestigenden Bauteilen bestückt, indem diese mit einem Teil 5.1 in die vorbestimmten Bohrungen eingesetzt werden. Mit einem Laserschweißautomaten werden dann die Bauteile zumindest über einen wesentlichen Teil des Umfangs mit dem jeweils angrenzenden Rand der Leiterbahn 3 durch mindestens eine Schweißnaht 6 verbunden.
Es ist nicht für jeden Anwendungsfall erforderlich, dass die Bohrung in der Platte 2 mit einer Durchkontaktierung 4 ausgerüstet ist; ein Rand der Bohrung muss aber an der Oberfläche der Platte 2 von einer als flächige Schicht 3.1 ausgebildeten Leiterbahn 3 umgeben sein, die unmittelbar an den Rand der Bohrung grenzt. Das Bauteil wird dann – wie oben für die Durchkontaktierung 4 beschrieben – direkt durch die Bohrung geführt und eines seiner Enden mit der Leiterbahn 3 durch eine Laserschweißnaht verbunden. Wichtig ist auch hierbei, dass zwischen der Wand der Bohrung und dem Bauteil ein nur geringes Spiel besteht.
Alternativ zum Ausführungsbeispiel kann die Platte 2 auch als sogenannter Multilayer aus mehreren Schichten aufgebaut sein, wobei zusätzlich zu den Leiterbahnen 3 auf mindestens einer der Hauptflächen der Platte 2 zwischen Schichten aus isolierendem Material weitere Schichten und/oder Leiterbahnen aus z.B. Kupfer eingearbeitet sind.

Claims

Leiterplatte aus einer elektrisch isolierenden Platte mit auf mindestens einer Seite befestigten Leiterbahnen, wobei die Platte mindestens eine durchgehende Bohrung aufweist, wobei ein Bauteil mit einem Teil die Bohrung durchdringt und wobei das Ende des Bauteils zumindest über einen wesentlichen Teil seines Umfangs und ein angrenzender Rand einer der Leiterbahnen durch mindestens eine Laserschweißnaht verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ende (8) des Bauteils längs der Längsachse eine kurze Bohrung (7) eingelassen ist.
Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Bolzen (5) ist, der an seinem anderen Ende mit einem Gehäuse (9) verbunden ist.