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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Kontaktelement für
elektronische Bauelemente, das dabei aus einem leitfähigen Werkstoff
hergestellt wird.
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich außerdem
auf einen elektrischen Kontakt, der ein erstes und ein zweites Metallteil
aufweist, die elektrisch mit einander zu verbinden sind, sowie auf
ein elektrisch leitfähiges
und elastisches Kontaktelement, welches die Teile miteinander verbindet.
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Stand der
Technik
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In der Elektronikindustrie, zum Beispiel
bei der Herstellung von Mobiltelefonen bzw. Handys, geht die Entwicklung
konstant zu kleineren Einheiten hin, d.h. Mobiltelefonen, und infolgedessen
auch hin zu kleineren Bauelementen. Gleichzeitig wird auch auf hohe
Leistung und Zuverlässigkeit
im Betrieb Wert gelegt. Dies führt
dazu, dass eine große
Anzahl von Bauelementen in den fertigen Produkten eingebaut ist
und dass diese Bauelemente direkt oder indirekt mit einander verbunden
sind. Probleme, die sich aus zu knappem Einbauraum ergeben, treten
immer deutlicher zutage.
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Die Zuverlässigkeit im Betrieb ist direkt
mit der korrekten Funktion der Verbindungen zwischen den Teilen
verknüpft,
was bedeutet, dass an einer großen
Zahl von Punkten insbesondere bei der Übermittlung von Signalen wie
zum Beispiel Antennensignalen ein elektrischer Kontakt aufrechterhalten
wird. An diesen Punkten sind Kontaktelemente angeordnet, die in
elektrischer und mechanischer Kommunikation mit einer Kontaktstelle
stehen, zum Beispiel einer Schaltungskarte. Eine derartige Kontaktstelle wird
gelegentlich auch als "Kontaktfleck" bzw. "Pad" bezeichnet.
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Um den Kontakt zwischen dem Kontaktelement
und der Kontaktstelle bzw. dem Kontaktfleck sicherzustellen, wird
das Kontaktelement häufig
auch in Form einer Metallfeder ausgelegt. Das Metall in dieser Feder
besitzt die notwendige elektrische Leitfähigkeit, wohingegen seine Elastizität einen
gewissen Druck auf die Kontaktstelle ausübt.
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Ein Nachteil, der dieser Arbeitstechnik
innewohnt, besteht darin, dass dabei insofern ein Risiko besteht,
dass der Kontakt zwischen dem Kontaktelement und der Kontaktstelle
aus verschiedenen Gründen
schlecht ist. Einer dieser Gründe
kann darin zu finden sein, dass die Feder in ungeeigneter Weise gebogen
wird und dass sie infolgedessen nicht ausreichend gegen die Kontaktfläche anliegt.
Ein anderer Grund für
einen schlechten Kontakt besteht darin, dass die Metalle in dem
Kontaktelement einerseits und in der Kontaktfläche andererseits oxidieren, wenn
sie mit dem Sauerstoff der Luft in Berührung kommen, und dass diese
Oxide den Nachteil einer schlechten Leitfähigkeit aufweisen. Um dieses
letztere Problem zu lösen
wird gelegentlich mit einer Goldplattierung (häufig in Verbindung mit Nickel)
des Kontaktelements und der Kontaktstelle gearbeitet. Da Gold ein
Edelmetall ist, bildet sich darauf keine Oxidschicht, sondern es
wird eine höhere
Leitfähigkeit über längere Zeiträume aufrechterhalten.
Der Nachteil, der mit der Goldplattierung verknüpft ist, liegt in den damit
verbundenen Kosten, teilweise für
das Rohmaterial und teilweise für
einen zusätzlichen
Arbeitsgang bei der Herstellung.
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Ein weiterer Nachteil, der mit der
Goldplattierung verbunden ist, besteht darin, dass die aufgebrachte
Schicht dünn
ist und infolgedessen gegenüber
mechanischem Abrieb empfindlich ist, der bei der Berührung mit
metallenen Kontaktelementen auftritt.
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Außerdem werden auch Kontaktelemente
in Form elastischer Teleskopstangen, so genannter Pogo-Pins, verwendet,
die im Grunde genommen aus zwei Rohrteilen mit einer darin angeordneten
Feder bestehen. Diese sind in der Herstellung und Montage kostspielig
und setzen außerdem
voraus, dass auch die Kontaktstelle plattiert wird, zusätzlich zu
dem Umstand, dass der Pogo-Pin seinerseits ebenfalls plattiert ist.
Darüber
hinaus besteht der Nachteil, dass diese Pins in vertikaler Richtung
häufig
vergleichsweise lang sind und oft sogar eine Länge zwischen 3 und 4 mm aufweisen.
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Aufgabe der
Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt
deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Kontaktelement auszubilden, das
mechanisch deutlich gegen die Elemente anliegt, die miteinander
u verbinden sind, und bei dem gleichzeitig die mit der Oxidierung
von Metallen verknüpften
Nachteile umgangen werden, ohne dass die Notwendigkeit besteht,
Gold für
die Plattierung zu verwenden.
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Lösung der
Aufgabe
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Das gesetzte Ziel, welches die Grundlage der
vorliegenden Erfindung bildet, wird dann erreicht, wenn das Kontaktelement
der eingangs genannten Art sich dadurch auszeichnet, dass der Werkstoff darüber hinaus
in der Art von Gummi elastisch und verformbar ist, um so Kontaktkräfte zwischen
dem Kontaktelement und den elektronischen Bauelementen zu erreichen,
die miteinander zu verbinden sind.
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Weitere Vorteile werden dann erreicht,
wenn das Kontaktelement auch eines oder mehrere der Merkmale nach
dem Kennzeichen der beiliegenden Ansprüche 2 bis 7 aufweist.
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Soweit es um den elektrischen Kontakt
geht, werden die Ziele der vorliegenden Erfindung erreicht, sofern
diese sich dadurch auszeichnet, dass das Kontaktelement aus einem
elektrisch leitfähigen
Siliziummaterial hergestellt ist.
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Weitere Vorteile werden dann erzielt,
wenn der elektrische Kontakt darüber
hinaus eines oder mehrere der Merkmale nach dem Kennzeichen der beiliegenden
Ansprüche
9 und 10 aufweist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend ausführlicher
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in
denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Antenne mit Kontaktelementen gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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2 eine
auseinander gezogene Ansicht der Antenne gemäß 1 darstellt;
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3 einen
offenen elektrischen Kontakt gemäß der vorliegenden
Erfindung in perspektivischer Ansicht zeigt, und
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4 eine
gerade Seitenansicht des Kontakts aus 3 in
geschlossenem Zustand darstellt.
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Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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1 stellt
ein Beispiel für
ein elektronisches Bauelement dar, das mit Kontaktelementen gemäß der vorliegenden
Erfindung versehen ist. Das elektronische Bauelement besteht in
diesem Fall aus einer Antenne ^, die einen Träger 2, ein Strahlerelement 3 und
Kontaktelemente 4 umfasst. Die Antenne ist zum Einsatz
bei der Übermittlung
und beim Empfang mit hohen Frequenzen vorgesehen, d.h. bei Frequenzen im
Bereich von 800 MHz aufwärts.
Derzeit wird mit Frequenzen von bis zu etwa 2,5 GHz gearbeitet, doch
sind auch Frequenzen von mindestens 5–6 GHz vorstellbar.
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Der Träger 2 besteht aus
einem formstabilen Werkstoff wie zum Beispiel einem Kunststoff und
ist des Weiteren zur mechanischen Befestigung des Trägers 2 an
einem Substrat, zum Beispiel einer Schaltungskarte, mit Rasten 5 versehen.
Der Träger 2 besitzt
des Weiteren eine Reihe von Abstandhaltern 6, welche den
größeren Teil
des Trägers
in einem bestimmten vorgegebenen Abstand vom Substrat halten.
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Das Strahlerelement 3 ist
auf oder in dem Träger 2 angeordnet
und weist gegebenenfalls eine große Vielzahl von unterschiedlichen
Auslegungen auf. Die in den Zeichnungen dargestellte Konfiguration
nur eines von vielen Beispielen. Das Strah lerelement 3 ist
aus einem leitfähigen
Werkstoff hergestellt, zum Beispiel aus einem Metall, auch wenn
andere Werkstoffe ebenfalls denkbar sind. Einer oder mehrere Abschnitte
des Strahlerelements 3 sind um die Seiten des Trägers 2 herum
umgeschlagen und stellen ihrerseits ein Substrat für die Kontaktelemente 4 dar.
Das Strahlerelement 3 sendet Signale aus, die sich laufend ändern. Dabei
ist es wichtig, dass die Signale nicht in irgendeiner Weise verändert oder
verzerrt werden, zum Beispiel wegen eines unzulänglichen Kontakts, da dann
die Nachricht, die mit dem Signal übermittelt wird, verloren ginge.
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Um auf der Schaltungskarte Platz
zu sparen, wird normalerweise versucht, die Antenne oder zumindest
deren Abstrahlelement in einem Abstand von der Schaltungskarte und
deren Bauelementen anzuordnen, wobei nur an einzelnen Punkten ein Kontakt
gegeben ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es möglich, elektronische
Bauelemente unterhalb des Trägers
und im Inneren desselben anzuordnen, da die Antenne nur an einigen
wenigen Punkten mit dem Substrat in Kontakt steht. Kompakte Lösungen und
größere Freiheit
in der Auslegung und im Aufbau werden auf diese Weise möglich. Es
ist auch möglich,
Kontakte in sehr engen Räumen
zu schaffen, nicht zuletzt aus dem Grund, dass die Erstreckung in
der vertikalen Richtung nur gering ist und in der Größenordnung
von etwa 1 mm liegt.
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2 stellt
eine auseinander gezogene schematische Ansicht der Antenne 1 gemäß 1 dar. In dieser Ansicht
ist das Strahlerelement 3 deutlicher als in 1 zu erkennen. Die Kontaktelemente 4 sind
ebenfalls mit etwas größerer Klarheit
zu sehen.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
zwei Kontaktelemente 4 dargestellt. Das eine Kontaktelement 3 ist
lang gestreckt, um so eine lineare Anlage gegen die Kontaktfläche einer
Schaltungskarte zu realisieren, wohingegen das andere Kontaktelement
die Außenkontur
eines kleinen Kreises aufweist, um so eine im Wesentlichen punktförmige Anlage
zu realisieren.
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Die Kontaktelement 4 sind
aus einem leitfähigen,
elastischen gummiähnlichen
Werkstoff hergestellt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sie aus
einem leitfähigen
Siliziummaterial gefertigt. Das Siliziummaterial wurde durch Zusatz
einer bestimmten Menge von leitfähigen
Teilchen leitfähig
gemacht, die sich jedoch nicht in nennenswertem Umfang nachteilig
auf das mechanische Verhalten des Siliziums auswirken. Ein größerer Vorteil,
der dem Siliziummaterial innewohnt, besteht darin, dass sich auf
dessen Oberfläche
keine Oxidschicht bildet, auch nicht bei längerem Kontakt mit dem Sauerstoff
der Luft.
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Das Silizium lässt sich in verschiedenen denkbaren
Mustern und Ausbildungen auf dem Strahlerelement 3 aufbringen.
Das Silizium kann auch auf verschiedene andere Weisen aufgebracht werden,
beispielsweise mittels Spritzguss, Extrudieren oder mit Hilfe von
Schablonen. Sobald das Siliziummaterial aufgebracht ist, wird es
im Allgemeinen zum Aushärten,
Absetzen und zur dauerhaften Anhaftung an dem Substrat, d.h. an
dem Strahlerelement 3, wärmebehandelt. In einem solchen
Fall wird Luft ausgetrieben und wird die Metallfläche des
Substrats unter dem Silizium infolge der Anhaftung des Siliziums
vor Luft und Korrosion geschützt.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigen
die Kontaktelemente 4 in vertikaler Richtung eine gewisse
Erstreckung. Dabei sollte angemerkt werden, dass diese Erstreckung
etwas größer ist
als die Höhe
der Abstandhalter 6, so dass nach dem Zusammenbau eine
gewisse Kompressionswirkung eintritt. Wenn die Antenne 1 mit
Hilfe der Rasten 5 am Träger 2 an Ort und Stelle
eingerastet ist, werden die Kontaktelemente 4 in ihrer
Position festgespannt, was bedeutet, dass sie einer mechanischen
Druckkraft ausgesetzt werden. In einem solchen Fall wird sichergestellt,
dass sich das Kontaktelement 4 in entsprechendem Kontakt
mit dem Substrat befindet. Wegen seiner Elastizität ist das
Siliziummaterial bestrebt, seine ursprüngliche Form wieder einzunehmen,
weshalb die Kontaktkräfte
an den Kontaktstellen während
der gesamten Lebensdauer des Bauelements aufrechterhalten werden.
Wenn die Elastizität des
Werkstoffs beim Zusammendrücken
der Kontaktelemente 4 die mechanischen Kontaktkräfte aufbringt,
führt gleichzeitig
dieses Zusammendrücken zu
einem äußerst festen
Kontakt zwischen den Kontaktelementen 4 und dem Substrat.
Dies führt
dazu, dass an den Kontaktpunkten, an denen die Kontaktelemente anliegen,
Sauerstoff keinen Zutritt zu den Metallen findet, so dass sich keine
Oxidschicht ausbilden kann. Mit solchen Mitteln wird an den Kontaktpunkten
eine höhere
Leitfähigkeit
aufrechterhalten und werden die Antennensignale ohne Schwierigkeiten
durch die Kontaktpunkte hindurch geleitet.
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Die Werkstoffeigenschaften des Siliziummaterials
ergeben auch ein Kontaktelement 4, das einerseits mit einer
gewissen Flächenerstreckung
anliegt und andererseits keine scharfen Kanten besitzt. Außerdem ist
das Material im Grunde genommen an den Kontaktflächen mit dem Substrat unbeweglich, wodurch
insgesamt die Gefahr des Abriebs an den Kontaktstellen beseitigt
wird.
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Durch die Anordnung der Abstandhalter 6 ist es
einfacher, unter dem Träger 2 auch
andere Bauelemente anzubringen, da sich in dem Zwischenraum, der
zwischen dem Substrat und dem Träger 2 ausgebildet
ist, die Zuleitungen leicht anordnen lassen.
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Somit werden mit den Kontaktelementen 4 gemäß der vorliegenden
Erfindung sowohl der notwendige Kontaktdruck als auch die an den
Kontakten erforderliche Leitfähigkeit
realisiert. Darüber
hinaus wird eine Oxidation der Kontaktstellen verhindert und wird
damit die elektrische Leitfähigkeit
aufrechterhalten.
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3 zeigt
einen allgemein dargestellten elektrischen Kontakt 7 in
seiner offenen Stellung. Der elektrische Kontakt besitzt ein Kontaktelement 8.
Das Kontaktelement 8 ist auf einem leitfähigen Substrat vorzugsweise
in Form eines ersten Metallteils 9 aufgebracht, auch wenn
andere leitfähige
Werkstoffe vorstellbar sind. Der elektrische Kontakt 7 weist
des Weiteren ein zweites Metallteil 10 auf, das für den Kontakt
mit dem Kontaktelement 8 vorgesehen und ausgelegt ist,
wenn der elektrische Kontakt 7 geschlossen bzw. "hergestellt" ist. Die Kontaktelemente 8 besitzen
in der geöffneten
Stellung eine gewisse Erstreckung in der Höhe.
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Wenn der elektrische Kontakt 7 geschlossen ist,
wie dies in 4 dargestellt
wird, drücken
die mechanischen Kräfte,
die ihn in geschlossener Stellung halten, auch indirekt das Kontaktelement 8 zusammen.
Das Kontaktelement 8 behält im Wesentlichen sein Volumen
bei, doch verändert
sich seine Form, bis der Kontakt 7 sich wieder öffnet. Die
Formveränderung
führt im
Wesentlichen dazu, dass das Kontaktelement 8 eben gemacht
wird und sich seine Seiten nach außen wölben. Die Veränderung
in der Form führt
dazu, dass Luft ausgetrieben wird und dass Abschnitte der Metallteile 9 und 10 vor
Korrosion geschützt
werden, da der Zutritt von Sauerstoff zu diesen Abschnitten durch
die flächige
Anlage des Siliziummaterials verhindert wird.
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Beschreibung
alternativer Ausführungsbeispiele
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Das Kontaktelement der vorstehend
erläuterten
Art gemäß der vorliegenden
Erfindung lässt sich
auf verschiedene Weise verändern,
insbesondere hinsichtlich seiner Konfiguration. Dabei sind unterschiedliche
Formen vorstellbar, je nach dem Zweck der Kontakte. Einige wenige
Beispiele sind Kontaktelemente 4 mit linearer Anlage und
punktförmiger
Anlage, doch sind auch Kontaktelemente 4 in Form von Ringen
oder in mäanderförmiger Ausbildung
vorstellbar. Im Prinzip ist die Ausbildung des Kontaktelements frei
wählbar,
da sie im Rahmen weit gesetzter Grenzen variabel ist.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
das Kontaktelement in der Weise dargestellt, dass es auf einem Metall
angeordnet ist. Das leitfähige Material,
das als Substrat verwendet wird, muss jedoch nicht unbedingt ein
Metall sein. Andere Werkstoffe sind zum Beispiel mit Metall beschichtete Kunststoffe
und eine Weichfolie mit einer Kupferfolie. Bei dem Werkstoff kann
es sich tatsächlich
um das gleiche Material handeln, das auch für das Kontaktelement verwendet
wird. Es ist ebenso denkbar, dass der Leiter in dem Substrat und
das Kontaktelement zusammen in einem Stück gefertigt werden.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
Kontaktelemente 4 in der Form dargestellt, in der sie auf
einem Bauelement 1 angeordnet sind. Es ist ebenso gut denkbar,
dass entsprechende Kontaktelemente 4 unter Umständen nach
der Fertigung einer Schaltungskarte auf dieser angeordnet werden
und dass die Bauelemente mit den Kontaktelementen auf der Schaltungskarte
verbunden werden. In einem solchen Fall ist es zum Beispiel unter
Umständen möglich, eine
Vielzahl von Bauelementen mit Hilfe eines lang gestreckten Kontaktelements
dem gleichen Potential zu verbinden.
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Die vorliegende Erfindung lässt sich
auch noch in anderer Weise modifizieren, ohne vom Umfang der beiliegenden
Ansprüche
abzuweichen.
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Zusammenfassung
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Ein Kontaktelement für elektrische
Bauelemente (1) wird aus einem leitfähigen Werkstoff hergestellt.
Der Werkstoff besitzt außerdem
gummiähnliche
Elastizität
und ist verformbar. Infolgedessen werden zwischen dem Kontaktelement
(4) und den elektronischen Bauelementen (1), die
miteinander zu verbinden sind, Kontaktkräfte realisiert. Ein elektrischer
Kontakt weist ein erstes und ein zweites Metallteil auf, die elektrisch
miteinander zu verbinden sind. Außerdem umfasst der Kontakt
ein Kontaktelement auf, das elastisch ist. Das Kontaktelement wird
aus einem elektrisch leitfähigen
Siliziummaterial hergestellt.
(1)