DE19604432C2 - Kontaktierung einer Leiterplatte mittels Einführkontakten und Druckkontakten - Google Patents

Description

Der Anmeldungsgegenstand betrifft eine Anordnung zur Kontak­ tierung einer Leiterplatte enthaltend einen Haltekörper, der eine Aufnahme für eine Mehrzahl von Kontaktstiften bildet, wobei ein Teil der Mehrzahl von Kontaktstiften lange Kontakt­ stifte zur Einführung in Durchbrüche einer Leiterplatte sind und ein Teil der Mehrzahl von Kontaktstiften kurze Kontakt­ stifte zur Kontaktierung von auf der Oberfläche der Leiter­ platte befindlichen Kontaktierungsflächen sind.

Ein Gegenstand, der die genannten Merkmale mit dem Anmel­ dungsgegenstand gemeinsam hat, ist aus der DE 39 26 802 A1 bekannt.

Der anhaltende Trend zur Verkleinerung der Strukturen in der Mikroelektronik und zu immer höheren Datenraten führt neben einer Volumenverringerung von in Gestellschränken, Baugrup­ penträgern und Baugruppen modular gegliederten Systemen zu einer erhöhten Funktionalität auf einzelnen Baugruppen, was eine Zuführung bzw. Weiterleitung einer erhöhten Anzahl von Signalen mit erhöhten Datenraten auf zugehörigen Leitungen über verringerte Querschnitte bedingt.

Umfangreiche Schaltungsanordnungen, wie z. B. Vermittlungssy­ steme sind mit einer Vielzahl von in Baugruppenträgern lösbar angeordneten Baugruppen aufgebaut. Die Baugruppen sind durch einzeln austauschbare, elektrische Bauteile tragende Leiter­ platten gegeben. Die Leiterplatten sind durch eine in Fach­ kreisen als Multi-Layer bezeichnete Bauart gegeben, bei der elektrische Leiterbahnen in mehreren Ebenen angeordnet sind. Zur lösbaren Verbindung, beispielsweise mit einer Rückwand­ leiterplatte eines mehrere Baugruppen aufnehmenden Baugrup­ penträgers, weisen die Leiterplatten Steckverbindungen mit mehreren, elektrische Verbindungen schaffenden Kontakten auf. Die Kontakte sind dabei in einem Raster von 2,54 mm, 2,5 mm oder 2 mm angeordnet. Die Kontaktierung zwischen der Steck­ verbindung und der Leiterplatte erfolgt in herkömmlicher Aus­ führungsform dadurch, daß sämtliche Kontaktstifte des Steck­ verbinders in entsprechend angeordnete Durchkontaktierungen der Leiterplatte eingeführt sind. Die Kontaktstifte weisen in den Durchkontaktierungen entweder einen Preßsitz auf oder sind verlötet, wodurch eine elektrische und mechanische Ver­ bindung bewirkt ist.

Bei hohen Datenraten sind die Wellenleitereigenschaften des Steckverbinders für die Übertragung zu berücksichtigen. Aus flächenökonomischen Gründen wird eine Anordnung der Kontakt­ stifte in einem möglichst kleinen Raster angestrebt, was zu hohen Verbindungs- bzw. Signaldichten im Steckverbinder führt. Hierbei machen sich die Kontaktstifte aufnehmenden Durchkontaktierungen mit großem Durchmesser, die insbesondere bei dicken Leiterplatten einige mm lang sind, durch große pa­ rasitäre Kapazitäten untereinander nachteilig bemerkbar. Durch die parasitären Kapazitäten sowie aufgrund des nicht angepaßten Wellenwiderstandes bedingte Mehrfachreflexionen an den Stiften des Steckverbinders begrenzen die maximal ein­ setzbare Datenrate. Bei Signalen mit höheren Datenraten (< einige 10 Mbit/s) ergeben sich bei solchen Steckverbindern deutliche Störungen der Signale durch Nebensprechen, so daß zwischen zwei Signale führenden Stiften ein mit dem Bezugspo­ tential ("Masse") verbundener Stift vorbehalten bleiben muß, wodurch die Dichte der Signale führenden Stifte verringert wird.

Die DE 39 26 802 A1 offenbart einen elektrischen Steckverbin­ der mit einem isolierenden Gehäuse, bei dem zumindest ein Kontakt als Preßsitz-Kontakt in einem durchkontaktierten Loch der Leiterplatte und zumindest ein weiterer Kontakt als unter hohem Druck an der Oberfläche der Leiterplatte anliegender gekrümmter Hochdruck-Anlege-Kontakt ausgebildet ist. Dieser Steckverbinder weist gegenüber Steckverbindern, deren Kon­ taktstifte allesamt in Durchführungen der Leiterplatte einge­ führt sind, einen erhöhten Flächenbedarf für die Kontaktie­ rungsflächen auf der Oberfläche der Leiterplatte auf. Dar­ überhinaus sind die gekrümmten Hochdruck-Anlege-Kontakte re­ lativ lang, so daß benachbarte Hochdruck-Anlege-Kontakte un­ tereinander entsprechend große parasitäre Kapazitäten ausbil­ den.

Verbinder, bei denen korrespondierende Kontaktierungsstellen über ein elastisches Kontaktierungsmedium zusammenwirken, er­ reichen gegenüber Steckverbindern mit Stiften eine deutlich höhere Dichte von Kontaktierungsstellen (Faktor 2-3) mit ei­ ner höheren möglichen Datenrate. Aus Proceedings of Electri­ cal Components Conference, 1989, pp. 92-98 "The Design of some novel 0.050 inch Grid High-Density Circuit Pack-To-Backplane Connectors" ist eine Anordnung bekannt, bei der auf der Ober­ fläche der Leiterplatte angeordnete Kontaktierungsflächen mit einander entsprechenden, auf der Oberfläche eines Halte­ körpers angeordneten Kontaktierungsstellen zusammenwirken. Diese Anordnung erfordert zur mechanisch festen Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Haltekörper und zur Erzeu­ gung des erforderlichen Kontaktdruckes zwischen den Kontak­ tierungsstellen und den Kontaktierungsflächen Haltebolzen, die durch Schrauben gegeben sind. Bei dieser Anordnung steht die für die Schraubenverbindung beanspruchte Fläche nicht für Kontaktierungsflächen zur Verfügung. Bei einer langen Reihe von Kontaktierungsflächen sind eine Mehrzahl von Schrauben erforderlich, wobei die für die Schraubenverbindungen bean­ spruchten Flächen um so mehr ins Gewicht fallen.

Aus der US 5,007,843 ist ein elektrischer Verbinder zur Schaffung elektrischer Verbindungen zwischen elektronischen Komponenten bekannt, bei dem zwischen metallisierte Kontakt­ flächen auf den elektronischen Komponenten eine isolierende Platte eingefügt ist. Die Platte hat Durchbrüche an den Stel­ len, die mit den Kontaktflächen der elektronischen Komponen­ ten korrespondieren, wobei zwischen den Kontaktflächen ele­ ktrische Verbindungen geschaffen werden, indem leitende Ver­ bindungselemente in die Durchbrüche der Platte eingefügt sind. Zum Aufbringen der erforderlichen Andruckkräfte offen­ bart dieses Dokument mit Schraubenverbindungen gebildete Kon­ struktionen.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt das Problem zugrunde, den ein­ gangs umrissenen Verbinder für eine Leiterplatte derart wei­ terzubilden, daß das Produkt aus der Anzahl der Kontaktie­ rungsflächen und der maximal übertragbaren Datenrate im Ver­ hältnis zu der von dem Steckverbinder auf der Leiterplatte insgesamt beanspruchten Fläche verbessert wird.

Das Problem wird bei dem eingangs umrissenen Gegenstand da­ durch gelöst, daß die Kontaktierungsflächen im Raster der Kontaktstifte im Haltekörper angeordnet sind und zwischen die kurzen Kontakt stifte und die Leiterplatte ein elastisches Kontaktierungsmedium eingebracht ist.

Der Anmeldungsgegenstand bringt neben einer Kompatibilität einer den anmeldungsgemäßen Steckverbinder aufweisenden Lei­ terplatte mit einer einen herkömmlichen Steckverbind-er auf­ weisenden Leiterplatte eine erhebliche Erhöhung des Produkts aus Anzahl der Kontaktstifte und maximal übertragbarer Daten­ rate mit sich.

Der Anmeldungsgegenstand wird im folgenden als Ausführungs­ beispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang an­ hand von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Anmeldungsgemäße Kontaktierung zwischen einem Steckverbinder und einer Leiterplatte,

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung einer herkömmlichen Kon­ taktierung zwischen einem Steckverbinder und einer Leiter­ platte

Fig. 2 zeigt einen herkömmlichen Steckverbinder zur Bereit­ stellung einer Mehrzahl lösbarer elektrischer Verbindungen zwischen einer Leiterplatte LP und einer Rückwandleiterplatte RLP. Eine Mehrzahl von langen Kontaktstiften Kslp, Ksls sind in Durchbrüche der Leiterplatte bzw. der Rückwandleiterplatte eingeführt. Die Durchbrüche der Leiterplatte, die durch eine in Fachkreisen als Multi-Layer bezeichnete Mehrlagen- Leiterplatte gegeben sein möge, sind durch elektrisch leiten­ de, metallische Durchkontaktierungen Dk gegeben, die eine zy­ lindrische Hülsenform aufweisen. Die Durchkontaktierungen, deren Länge der Dicke der Leiterplatte gleicht und deren Au­ ßendurchmesser zwangsläufig größer ist als der Durchmesser eines langen Kontaktstiftes bilden zu benachbarten Durchkon­ taktierungen relativ große, parasitäre Kapazitäten Cs aus. Ein Signal führender langer Kontaktstift Ksls ist zur Redu­ zierung von Nebensprechen mit anderen signalführenden langen Kontaktstiften mit betriebspotentialführenden langen Kontakt­ stiften benachbart. Die in die Rückwandleiterplatte eingefüg­ ten langen Kontaktstifte weisen je eine Kontaktfeder F auf, die mit den verlängerten Stiften S der in die Leiterplatte eingefügten langen Kontaktstifte eine kraftschlüssige, elek­ trisch leitende, lösbare Wirkverbindung einzugehen vermögen.

Für eine rechtwinklige Anordnung der Leiterplatte zur Rück­ wandleiterplatte sind die verlängerten Stifte der in die Lei­ terplatte eingefügten langen Kontaktstifte um 90° umgeformt.

In der Figur bilden die der Rückwandleiterplatte zugeordneten und mit Kontaktfedern versehenen Kontaktstifte eine Buchse (Abkürzung: b) und die der Leiterplatte zugeordneten und mit verlängerten Stiften versehenen Kontakt stifte einen Stecker (Abkürzung: s). Der Anmeldungsgegenstand kann ohne Auswirkun­ gen auf sein Wesen mit einer wechselseitigen Vertauschung der Zuordnungen ausgeführt sein.

Bei der anmeldungsgemäßen Anordnung nach Fig. 1 sind die der Leiterplatte zugehörigen und die der Rückwandleiterplatte zu­ gehörigen Kontaktstifte Ksl, Ksk jeweils in einem Haltekörper Hkb, Hks mechanisch fest miteinander verbunden. Ein Bruchteil der Mehrzahl von Kontaktstiften, nämlich die langen Kontakt­ stifte, ist in Durchbrüche der Leiterplatte, bzw. der Rück­ wandleiterplatte eingepreßt oder eingelötet. Ein eingepreßter Kontaktstift kann eine der Reibungskraft in der Leiterplatte gleichende Zugkraft aufbringen. Die langen Kontaktstifte kön­ nen also Zugkräfte in die Leiterplatte einleiten. Ein Bruch­ teil der Mehrzahl von Kontaktstiften sind kurze Kontaktstif­ te, die mit ihrem der Leiterplatte zugewandten Ende auf Kon­ taktierungsflächen, die auf der Oberfläche der Leiterplatte korrespondierend zu den kurzen Kontaktstiften angeordnet sind, anpressbar sind. Die kurzen Kontaktstifte werden also durch die von den langen Kontaktstiften aufgebrachten Zug­ kräfte auf die Kontaktierungsflächen gepreßt. Zwischen die Enden der kurzen Kontaktstifte und die Kontaktierungsflächen ist ein elastisches Kontaktierungsmedium KM eingebracht. Das Kontaktierungsmedium kann durch ein aus Proceedings of Electrical Components Conference, 1989, pp. 99-106 "Use of Anisotropically Conductive Elastomers in High Density Sepa­ rable Connectors" bekanntes anisotrop leitendes Elastomer oder, wie in der Figur angedeutet, durch im Raster der Kon­ taktierungsflächen angeordnete, an sich bekannte, elektrisch leitende Federelemente Fe oder durch an sich bekannte, in ei­ ner Kunststoffmatrix angeordnete Metallknäuel oder durch Cinch-Knopfkontakte gegeben sein. Das Kontaktierungsmedium bewirkt eine Vergleichmäßigung der Anpreßkräfte der kurzen Kontaktstifte auf die Kontaktierungsflächen untereinander. Die kurzen Kontaktstifte wirken also mit den Kontaktierungs­ flächen als Druckkontakte zusammen.

Der Mindestwert der Haltekraft für einen eingepreßten Kon­ taktstift ist in der Richtlinie IEC 352 Teil 5 mit F_MIN < 45 N/Stift angegeben. Bei einer angestrebten Kontaktkraft für einen kurzen Kontaktstift von 0,5N bis 1N kann durch einen langen Einpreßstift die Anpreßkraft für etwa 90-45 kurze Kon­ taktstifte aufgebracht werden. Die Befestigung und Stabili­ sierung des Steckers auf der Leiterplatte wird hierbei von den eingepreßten langen Kontaktstiften übernommen. Dadurch entfallen aufwendige Halterungs- und Andruck-Konstruktionen, wie sie bei einem reinen Druckkontaktstecker erforderlich wä­ ren.

Die anmeldungsgemäße Anordnung zur Kontaktierung einer Lei­ terplatte ist also mit einem hybriden Stecker gebildet, der lange Kontaktstifte zum Einbringen in Durchbrüche der Leiter­ platte und kurze Kontaktstifte zur Anpressung auf die Ober­ fläche der Leiterplatte in sich vereint.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, mögen in der Leiterplatte, unter den Kontaktierungsflächen mit den Kontaktierungsflächen in elektrisch leitender Verbindung stehende, dünne Durchkontak­ tierungen Dkd angeordnet sein. Der Außendurchmesser der dün­ nen Durchkontaktierung kann erheblich kleiner gehalten sein als der Außendurchmesser einer Durchkontaktierung zur Aufnah­ me eines Kontaktstiftes oder als der Außendurchmesser des Kontaktstiftes selbst. Die Länge der Durchkontaktierung braucht nur so kurz ausgeführt sein, wie sie zur Bereitstel­ lung einer elektrischen Verbindung zwischen einer Kontaktie­ rungsfläche und einer gegebenen Lage (layer) in der Leiter­ platte gerade erforderlich ist. Die dünnen Durchkontaktierun­ gen können also im allgemeinen kürzer als die Dicke der Lei­ terplatte ausgeführt sein.

Der Anmeldungsgegenstand macht sich die Erkenntnis zunutze, daß die dünnen Durchkontaktierungen gegenüber Durchkontaktie­ rungen zur Aufnahme von Kontaktstiften aufgrund ihres gerin­ geren Durchmessers und ihrer im allgemeinen geringeren Länge gegenüber benachbarten Durchkontaktierungen verkleinerte Flä­ chen bei vergrößerten Abständen aufweisen und damit erheblich verringerte parasitäre Kapazitäten Cs ausbilden.

Eine dünne Durchkontaktierung, insbesondere eine Durchkontak­ tierung mit einer im wesentlichen der Dicke der Leiterplatte gleichenden Länge, kann außerhalb der für die Kontaktierungs­ flächen beanspruchten Fläche erfolgen. Diese Maßnahme bringt eine weitere Reduzierung der parasitären Kapazitäten mit sich. In Weiterbildung dieser Maßnahme erfolgt eine Durchkon­ taktierung mit einer im wesentlichen der Dicke der Leiterplat­ te gleichenden Länge dadurch, daß innerhalb der für die Kon­ taktierungsflächen beanspruchten Fläche eine kurze Durchkon­ taktierung zu einer nahe bei den Kontaktierungsflächen ange­ ordneten Lage (layer) und außerhalb der für die Kontaktie­ rungsflächen beanspruchten Fläche eine mit der kurzen Durch­ kontaktierung elektrisch verbundene lange Durchkontaktierung erfolgen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Anmeldungsgegenstan­ des erfolgt die Weiterleitung von Signalen mit hoher Datenra­ te über kurze Kontaktstifte und die Zuführung der Betriebs­ spannungspotentiale über lange Kontaktstifte. Bei einer als pseudokoaxial bezeichneten Anordnung führen die unmittelbar benachbarten Kontaktstifte zu einem ein Signal führenden Kon­ taktstift Betriebsspannungspotentiale, insbesondere das Be­ zugspotential (Masse). Bei dieser Ausführungsform können die unmittelbar benachbarten Kontaktstifte zu dem signalführenden Kontaktstift durch kurze Kontaktstifte gegeben sein.

Claims (6)

1. Anordnung zur Kontaktierung einer Leiterplatte enthaltend einen Haltekörper (Hks, HKb), der eine Aufnahme für eine Mehrzahl von Kontaktstiften (KS) bildet, wobei ein Teil der Mehrzahl von Kontaktstiften lange Kontaktstifte (Ksl) zur Einführung in Durchbrüche einer Leiterplatte (LP, RLP) sind und ein Teil der Mehrzahl von Kontaktstiften kurze Kontakt­ stifte (Ksk) zur Kontaktierung von auf der Oberfläche der Leiterplatte befindlichen Kontaktierungsflächen sind dadurch gekennzeichnet, daß
die Kontaktierungsflächen im Raster der Kontaktstifte im Hal­ tekörper angeordnet sind und
zwischen die kurzen Kontaktstifte und die Leiterplatte ein elastisches Kontaktierungsmedium eingebracht ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die langen Kontaktstifte als Einpreßstifte ausgebildet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die langen Kontaktstifte als Lötstifte ausgebildet sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktierungsmedium durch ein anisotrop leitendes Elastomer gegeben ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktierungsmedium durch mit den Kontaktierungsflä­ chen korrespondierende Federkontakte gegeben ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktierungsmedium durch entsprechend den Kontak­ tierungsflächen in einer Kunststoffmatrix angeordnete Metall­ knäuel gegeben ist.