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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten für elektrische Geräte, insbesondere
einer Leiterplattenanordnung von elektrischen Bauteilen in einem
Gehäuse,
beispielsweise einem Gehäuse
für ein
drehzahlgeregeltes Antriebsgerät.
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Viele elektrische Geräte und Anlagen
umfassen eine Anzahl von mechanischen und elektrischen/elektronischen
Bauteilen. Zum Beispiel umfasst ein Computer eine Anzahl von Leiterplatten,
sogenannte PCBs (printed circuit boards), typischerweise in der
Form von Leiterkarten, welche in Gestellen gehalten werden. Ein
Elektromotor treibt einen Lüfter
zum Kühlen
der Bauteile an. Drehzahlgeregelte Antriebe, auch als VSD (variable
speed drives) bezeichnet, wie sie in Steuerungssystemen verwendet werden,
zum Beispiel in einer Fertigungsanlage, bestehen ebenfalls aus verschiedenen
mechanischen und elektrischen/elektronischen Bauteilen. In den meisten
Fällen
umfasst ein drehzahlgeregelter Antrieb eine Wärmesenke, einen Rahmen, verschiedene
Leiterplatten, Netzeinspeisungs- und Motorausgangsklemmen.
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Bei der Herstellung eines neuen Gerätes berücksichtigt
der Konstrukteur eine Reihe von Zielstellungen, von denen eine die
Kosten betrifft. Ein typischer Konstruktionsweg besteht darin, die
Anzahl der Bauteile und/oder der bei der Fertigung durchgeführten Verfahrensschritte
zu minimieren.
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Umrichter, wie sie in Antrieben geringer
Leistung verwendet werden, sind typischerweise von geringer Größe. Um ein
kleines Breiten-/Höhen-/Tiefen-Verhältnis im
Inneren eines Gehäuses
zu erreichen, ist eine Aufteilung der elektronischen Bauelemente
auf mehrere Leiterplatten notwendig. Bei Umrichtern werden gewöhnlich sowohl
mittels Oberflächenmontage-Technik, sogenannte
SM (surface mount technology) als auch mittels Durchkontaktierungs-Technik
montierte elektronische Bauelemente verwendet. Große Kondensatoren,
Drosseln, Gleichrichter und Stromversorgungseinheit werden mittels herkömmlicher
Durchkontaktierung befestigt, während
anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, Zentraleinheiten,
Gatter-Treiber usw. mit Oberflächenmontage-Verfahren
befestigt sind. Dies verursacht ein Problem, dass darin besteht,
dass beide Lötverfahren
(Aufschmelzlöten
und Oberflächenmontage-Aufschmelzen)
in einem Fertigungsverfahren angewendet werden, wenn die mittels
Oberflächenmontage
und Durchkontaktierung zu montierende Bauelemente beiderseits der
Leiterplatte verteilt sind. Indessen können das zweiseitige Oberflächenmontage-Löten und
das einseitige Durchkontaktierungs-Löten durch einen intelligenten
Leiterplattenentwurf mit Abständen
zwischen Oberflächenmontage-Teilen
und Durchkontaktierungs-Teilen erreicht werden, indem die Oberflächenmontage-Bauelemente
abgedeckt werden. Stromversorgungseinheiten und Gleichrichter müssen in
der Nähe
nahe bei einer Wärmesenke
angebracht werden, sie befinden sich unglücklicherweise auf der entgegengesetzten Seite
wie die Kondensatoren, und dies führt zu der Forderung, dass
auch eine zweiseitige Durchgangsbohrung vorhanden sein muss. Dies
hat zur Folge, dass ein selektives Löten (Roboter, selektiv, manuelles
Löten)
durchgeführt
wird, nachdem alle anderen Bauelemente auf der Leiterplatte gelötet wurden. Dies
hat entweder hohe Arbeitskosten oder teure zusätzliche Produktionseinrichtungen
und einen zusätzlichen
Lötvorgang
zur Folge. Ferner kann die Qualität von selektiven oder manuell
gelöteten
Verbindungen kaum mit der von Lötverbindungen
verglichen werden, die mit einem automatischen Lötverfahren hergestellt wurden.
Dies kann auch die nachfolgenden Prüfprozesse erschweren.
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Bei der Produktion von Leiterplatten
sollte jede Leiterplatte geprüft
werden, bevor der Zusammenbau und der Einbau in eine Antriebseinheit
oder elektrische Steuereinheit erfolgt. Es ist leicht einzusehen,
dass dies zeitaufwendig sein kann und dementsprechend eine Erhöhung der
Kosten des Fertigungsprozesses bewirkt, in Anbetracht dessen, dass viele
elektrische Geräte
mehrere Leiterplatten umfassen.
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Die vorliegende Erfindung hat das
Ziel, einen verbesserten Entwurf von Leiterplatten bereitzustellen,
wodurch sich das Herstellungsverfahren vereinfacht.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten für ein elektrisches
Gerät bereitgestellt, wobei
das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bestücken einer
einzigen Leiterplatte mit Bauelementen, wobei die Bauelemente mit
ersten und zweiten Schaltungen verbunden sind;
Löten 1 Anschließen der
Bauelemente an die Leiterplatte in einem oder mehreren Verfahrensschritten;
Prüfen der
Schaltungen; und
Trennen der Schaltungen, wodurch zwei oder
mehr Leiterplatten hergestellt werden, die an verschiedenen Positionen
innerhalb eines elektrischen Geräts angeordnet
werden können,
um die Anbringung der zweiten Schaltungen zu ermöglichen. Falls die Schaltungen
nicht ordnungsgemäß funktionieren, können Bauelemente
ausgewechselt werden, und die Schaltungen können erneut geprüft werden.
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Der Vorgang des Trennens kann ein
Sägen oder
Bohren durch die Leiterplatte umfassen. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, die Platten einzukerben und dann zu biegen, bis sie
entlang der Kerblinie zertrennt werden.
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Die Schaltungen können während der Prüfung durch
Lötlinien
verbunden werden, und die Schaltungen können nach der Trennung durch
Leitungen oder auf andere Weise verbunden werden. Günstigerweise
können
sowohl für
die Datenübertragung
als auch für
die Stromversorgung Drahtleitungen, gleichgültig, ob Einleiterkabel, Koaxialkabel, Bandkabel
oder andere, verwen det werden. Die elektrischen Leitungen können Steckverbinder
umfassen, wodurch ein oder mehrere Schaltungen voneinander getrennt
werden können.
Entweder der Stecker oder die Steckerbuchse kann direkt an einer
Leiterplatte angebracht sein. Die elektrischen Leitungen können Drähte umfassen,
welche an die Leiterplatten angelötet oder auf andere Weise mit
ihnen dauerhaft elektrisch verbunden sind. Die elektrischen Leitungen
können
Federverbinder umfassen, welche den elektrischen Durchgang durch
Druckkontakt zwischen einer Leiterplatte und einer Feder erzielen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
Erfindung wird eine Leiterplatte für ein elektrisches Gerät bereitgestellt,
welche in einem sich an die Platzierung der Bauelemente anschließenden Fertigungsschritt
der Montageprüfung
eine einzige Leiterplatte umfasst, die eine erste Schaltung und
eine oder mehrere zweite Schaltungen aufweist, wobei die zweiten
Schaltungen von der ersten Schaltung abgetrennt werden können, nachdem
die Prüfung
beendet ist, um dadurch die Anbringung der zweiten Schaltungen an anderen
Positionen zu ermöglichen.
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Die Schaltungen können sowohl für die Datenübertragung
als auch für
die Stromversorgung, je nachdem, was zutrifft, durch elektrische
Leitungen verbunden werden. Die elektrischen Leitungen können Steckverbinder
umfassen, wodurch eine oder mehrere Schaltungen voneinander getrennt
werden können.
Entweder der Stecker oder die Steckerbuchse kann direkt an einer
Leiterplatte befestigt sein. Die elektrischen Leitungen können Drähte umfassen, welche
an die Leiterplatten angelötet
oder auf andere Weise mit ihnen dauerhaft elektrisch verbunden sind. Die
elektrischen Leitungen können
Federverbinder umfassen, welche den elektrischen Durchgang durch Druckkontakt
zwischen einer Leiterplatte und einer Feder erzielen.
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Bei einer anderen Anordnung können die Mittel,
die zur Herstellung von Nachrichtenverbindungen verwendet werden
können,
optoelektronische Sender-Empfänger
umfassen, die in der Lage sind, optische Nachrichtenverbindungen
zwischen Leiterplatten zu ermöglichen.
Bei einer weiteren Ausführungsform
können
die Mittel zur Herstellung von Nachrichtenverbindungen Mikrowellen-Sender-Empfänger umfassen,
die in der Lage sind, Mikrowellen-Nachrichtenverbindungen zwischen
Leiterplatten zu ermöglichen.
In diesen Fällen
ist nur eine Datenübertragung
möglich,
und zur Gewährleistung
der Stromversorgung sind Leitungen oder andere Mittel erforderlich.
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Die Erfindung wird beim Studium der
nachfolgenden Beschreibung und bei der Betrachtung der Abbildungen
auf den beigefügten
Zeichnungsblättern besser
verständlich,
und verschiedene andere Aspekte und Merkmale der Erfindung können dabei
offensichtlich werden, wobei:
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1 eine
erste Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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2 drei
Leiterplatten zeigt, die aus der ersten Ausführungsform hergestellt wurden;
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3 drei
Leiterplatten zeigt, die auf eine erste Art und Weise miteinander
verbunden sind;
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4 drei
Leiterplatten zeigt, die auf eine zweite Art und Weise miteinander
verbunden sind; und
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5 eine
Teilschnittansicht eines elektrischen Geräts mit Leiterplatten gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Anhand eines Beispiels soll nun die
von den Erfindern in Betracht gezogene beste Art der Ausführung der
Erfindung beschrieben werden. In der folgenden Beschreibung werden
zahlreiche spezielle Einzelheiten dargelegt, um ein. umfassendes
Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu gewährleisten. Für Fachleute
wird jedoch offensichtlich werden, dass die vorliegende Erfindung
mit Unterschieden in den spezifischen Einzelheiten in die Praxis
umgesetzt werden kann.
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Es wird nun auf 1 Bezug genommen; sie zeigt eine erste
erfindungsgemäße Leiterplatte 10. Auf
ihr sind drei getrennte Schaltungen 12, 14 und 16 ausgebildet.
Die Schaltungen sind durch Grenzen 18, 20 voneinander
getrennt, wobei jede Grenze eine Trennlinie für die Leiterplatte 10 zwischen
zwei benachbarten Platten definiert. Obwohl zwei der drei Schaltungen
in der Abbildung dieselben Abmessungen aufweisen, ist zu beachten,
dass alle Schaltungen dieselbe Größe oder auch unterschiedliche
Größen haben
können,
wie die 2 anhand eines
Beispiels zeigt. Die Abmessungen der einzelnen Schaltungen werden
im Allgemeinen durch die eventuelle Position bestimmt, welche sie
in einem kompletten elektrischen Gerät einnehmen.
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Bei der Herstellung der Leiterplatte
wird die Leiterplatte den Arbeitsvorgängen der Lithographie, der
Platzierung der Bauelemente und des Lötens unterzogen, wie bei einer
normalen Leiterplatte. Die Schaltungen werden anschließend Prüfroutinen
unterzogen, um sicherzustellen, dass Betriebsparameter dieser Schaltungen
den Anforderungen des Entwurfs entsprechen.
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Nach Abschluss der Prüfungen kann
die Leiterplatte 10 dann in die entsprechende Anzahl von Teil-Leiterplatten
zerschnitten werden. In dem beschriebenen speziellen Fall werden
Teil-Leiterplatten 32, 34 und 36,
welche Schaltungen 12, 14 bzw. 16 tragen, voneinander
getrennt, wie in 2 dargestellt.
Die Leiterplatte wird auf geeignete Weise entlang dieser Trennlinien
angerissen, vorgebohrt, perforiert oder auf andere Weise bearbeitet,
bevor die Bauelemente montiert werden. Dadurch verringert sich die
Menge der Bruchstücke,
die entstehen und möglicherweise
die Leiterplatten verunreinigen, wenn die Leiterplatten durch Sägen, Laserschneiden,
Abreißen
oder auf andere Weise voneinander getrennt werden.
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In den 3 und 4, in denen die Leiterplatten 32, 34 und 36 in
einer Anordnung dargestellt sind, wie sie vorliegen würde, wenn
sie im Inneren eines mechanischen Gehäuses befestigt wären, sind
Steckerbuchsen 22, 24, 26 und 28 dargestellt,
mit deren Hilfe die Leiterplatten über Leitungen 40, 42 und 46, 48 verbunden
werden können.
Es ist offensichtlich, dass, um sicherzustellen, dass die Leitungen
möglichst
kurz sind, die in 4 dargestellte
Anordnung bei dem Prüfvorgang
zu bevorzugen ist, wobei die Verbindungen, die zur Prüfung der
Funktionsfähigkeit der
Schaltungen 12–16 in
ihrem Zusammenwirken verwendet werden, auch in dem kompletten elektrischen
Gerät' verwendet werden.
Dadurch werden mögliche
Fehler infolge eines Trennens und erneuten Anschließens elektrischer
Verbinder vermieden. Falls das Anschlussstück 22 schließlich über eine Leitung
direkt mit dem Anschlussstück 20 verbunden wird,
muss bei dem Prüfvorgang
die Verbindungsleitung ausreichend lang sein, damit eine Prüfverbindung
hergestellt werden kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass
auf den Leiterplatten von den Anschlussbereichen ausgehende Leiterstrukturen vorhanden
sind, so dass während
der Prüfungen
keine Leitungen notwendig sind – obwohl
dies bedeutet, dass die Verbindungen zwischen den Leiterplatten fehlerbehaftet
sein können
und in einem einfachen, einstufigen Prüfverfahren nicht geprüft werden.
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Die 5 zeigt
eine Perspektivansicht einer Anordnung von Leiterplatten 32, 34 und 36 im
Inneren eines elektrischen Gerätes 50,
wie etwa einer Antriebssteuerung, wobei eine Seitenplatte nicht
abgebildet ist. Ein zur Kühlung
dienender elektrischer Lüfter
ist mit der Bezugszahl 52 bezeichnet.
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Bei einer anderen Ausführungsform
sind die Steckerbuchsen 22, 24, 26 und 28 durch
optoelektronische Sender-Empfänger-Module
ersetzt, wodurch hohe Datenübertragungsgeschwindigkeiten
möglich sind.
Beim Prüfvorgang
können
Lichtwellenleiter-Verbindungen verwendet werden, während bei
der tatsächlichen
Ausführung
Freiraumübertragungs-,
Abdeckungs-, Lichtwellenleiter- oder andere Verbindungen verwendet
werden können.
Es ist offensichtlich, dass in den Fällen, in denen optoelektronische
Schaltungen vorhanden sind, die Leiterplatten in gewissem Grade übereinander
liegen müssen,
oder zumindest so angeordnet sein müssen, dass Signale, welche von
einer optoelektronischen Schaltung gesendet werden, von einer anderen optoelektronischen Schaltung
empfangen werden können.
Es ist ebenfalls klar, dass in den Fällen, in denen drei oder mehr optoelektronische
Schaltungen vorhanden sind, die in der Mitte befindliche Leiterplatte
optoelektronische Sender-Empfänger
auf beiden Hauptseiten der Leiterplatte aufweisen muss.
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Bei einer weiteren alternativ anwendbaren Anordnung
können
die Mittel zur Realisierung der Datenkommunikation zwischen den
Leiterplatten in Form von Mikrowellen-Sender-Empfängern vorgesehen
sein. Es können
Freiraum- oder Hohlleiter-Übertragungswege
verwendet werden. Bei diesen beiden alternativ anwendbaren Anordnungen
benötigt
der Sender-Empfänger
eine Stromversorgung, welche entweder durch gesonderte elektrische
Stromversorgungsleitungen/Verbindungen realisiert wird oder mit Hilfe
anderer elektrischer Verbindungen, zum Beispiel in einer Gehäusewand,
oder mittels gesonderter elektrischer Zellen, wie etwa Lithium-Stromversorgungszellen,
erreicht wird. Wie im Falle optoelektronischer Schaltungen müssen auch
die entsprechenden Mikrowellen-Sender-Empfänger in geeigneten Positionen
angeordnet werden.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung
von verschiedenen Leiterplatten auf eine kontrollierte Art und Weise.
Die Bauelemente können so
angeordnet werden, dass auf einer Seite Verfahren der Schwallbadlötung angewendet
werden können,
während
auf einer anderen Seite Verfahren mit niedrigerem Standard angewendet
werden können, ohne
dass es erforderlich ist, teure und zeitaufwendige selektive Lötverfahren
anzuwenden. Bei der "Faltungs"-Konzeption der vorliegenden
Erfindung ermöglicht
eine kluge Aufteilung der Bauelemente auf zwei oder mehr Leiterplatten
die Anwendung von einseitigen standardmäßigen Schwallbadlötverfahren. Hinzu
kommt, dass die resultierende Anordnung in einem kompakten Raum
untergebracht werden kann. Ferner sorgen infolge des Wegfalls eines
selektiven manuellen Lötens
die Vorteile gleichmäßiger mechanisierter
Lötvorgänge für ein zuverlässiges Ergebnis.