DE19728291A1 - Verbindungselement zum elektrischen Verbinden einer Leiterplattenanschlußzone mit einem metallischen Gehäuseteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum elektrischen Verbinden einer Leiterplattenanschlußzone mit einem metallischen Gehäuseteil über ein kraftschlüssiges metallisches Teil gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 sowie ein Arbeitsverfahren unter Verwendung dessen nach Anspruch 8.

Bisher werden in der Praxis elektrische Verbindungen zwischen einer Leiterplattenanschlußzone und einem metallischen Gehäuseteil, ins­ besondere zum Anschluß an die elektrische Masse über das Gehäuse, meist direkt über das kraftschlüssige metallische Teil, meist eine Schraube oder ein Niet, realisiert, indem die elektrische Leiterplattenanschlußzone an bzw. auf das metallische Gehäuseteil aufgepreßt werden. Da aber die Leiter­ platten aus Kunststoff sind, verformen sich diese unter der Wirkung der Anpreßkraft im Alterungsprozeß, so daß sich die elektrische Verbindung in ihrer Güte nicht über die Produktlebensdauer hinweg sichergestellt werden kann. Aus diesem Grunde wurde bisher zur Gewährleistung einer sicheren Massekontaktierung über die Lebensdauer eine separate Masse über einen Pin im Anschlußstecker geführt. Außerhalb der Baugruppe wurde dann durch Abgriff vom Anschlußstecker die Masseleitung mittels eines Kabel­ schuhs direkt an die metallische Gehäuseteilmasse kontaktiert, was jedoch recht aufwendig ist, da ein zusätzlicher Pin im Anschlußstecker, ein Abgriffelement, eine äußere Masseleitung sowie ein Kabelschuh benötigt und montiert werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst einfache elektrische Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuse zu schaffen, bei der diese über die geforderte Produktlebensdauer hinweg sichergestellt werden kann.

Die Erfindung ist durch das Verbindungselement gemäß der kennzeich­ nenden Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie durch das Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Anstelle der direkten Verbindung einer Leiterplattenanschlußzone über ein kraftschlüssiges metallisches Teil mit dem metallischen Gehäuse wird erfindungsgemäß ein Verbindungselement zwischen Leiterplatte und der kraftschlüssigen Verbindung eingefügt. Dieses Verbindungselement weist eine Grundfläche mit einer Öffnung auf, durch welche das kraftschlüssige Teil zum Gehäuse hin eingebracht wird. An der Grundfläche befindet sich zumindest ein die Verbindung zur Leiterplatte herstellender Kontaktstift. Dieser ist bspw. aus dem gleichen Material, wie die Grundfläche und senkrecht auf dieser angeordnet. In der Leiterplattenanschlußzone ist eine Öffnung vorgesehen, in welche der Kontaktstift eingeführt und dort mechanisch und elektrisch leitend mit der Leiterplatte verbunden wird.

Die Grundfläche aus elektrisch leiten dem Material, vorzugsweise Metall, ist dabei in der Lage, die mechanischen Belastungen an der kraftschlüssigen Verbindung besser aufzunehmen, als die Leiterplatte. Wie durch Patent­ anspruch 7 gelehrt wird, ist insbesondere eine Grundfläche aus Kupfer­ beryllium entsprechend formbeständig, so daß auch über die Produkt­ lebensdauer hinweg eine sichere elektrische Verbindung gewährleistet wird. Die Leiterplatte ist ihrerseits über den bzw. die Kontaktstifte an der Grundfläche befestigt und elektrisch verbunden.

Gemäß Patentanspruch 2 ist der Kontaktstift bevorzugt durch eine Preßpassung in der Öffnung der Leiterplattenanschlußzone verankert. Dies kann gemäß dem Patentanspruch 3 vorzugsweise durch einen in seinem Außendurchmesser federnden Kontaktstift realisiert werden, der gemäß Patentanspruch 4 bevorzugt durch wenigstens eine axiale Feder-Nut unter Überwindung einer Rückstellkraft zusammengepreßt werden kann. Nach dem Einbringen des Kontaktstiftes in die Öffnung der Leiterplattenanschluß­ zone führt die Rückstellkraft zu einer ergänzenden Arretierung, da sie an die Innenfläche der Öffnung drückt und so die Preßpassung verstärkt.

Da Leiterplattenanschlußzonen bereits generell metallisiert sind, ist bereits mit dem Einbringen des Kontaktstiftes eine elektrische Verbindung ge­ schaffen, die jedoch durch das Verlöten des Kontaktstiftes verbessert werden kann. Auch kann anstelle der Preßpassung die Arretierung des Kontaktstiftes in der Öffnung der Leiterplattenanschlußzone durch Löten erfolgen.

Zur Verbesserung der Verteilung der Kräfte sind gemäß Patentanspruch 6 mindestens zwei Kontaktstifte vorgesehen. Natürlich sind auch noch mehr Kontaktstifte, bspw. eine Drei- oder Vier-Punkt-Arretierung, bevorzugt geeignet, die beider Montage bspw. durch das Eindrehen einer Schraube hervorgerufenen Drehmomente, oder die durch Bewegungen, Er­ schütterungen oder durch die die Leiterplatte tragende Funktion hervor­ gerufenen Kräfte aufzunehmen und gleichmäßig zu verteilen, so daß eine mechanische Überlastung der Verbindung Kontaktstift - Leiterplatten­ öffnung vermieden wird.

Für das Verfahren zum elektrischen Verbinden erweist es sich gemäß Patent­ anspruch 8 als vorteilhaft, zunächst erst das Verbindungselement über den bzw. die Kontaktstifte an die Leiterplatte zu montieren. Die Leiterplatte ist danach weiter gut handhabbar, kann bspw. weiterhin gut bestückt und nachfolgend an das Gehäuseteil mittels des kraftschlüssigen Teils montiert, bspw. verschraubt oder vernietet werden. Besonders vorteilhaft ist, wenn der bzw. die Kontaktstifte zusammen mit den elektrischen Bauteilen auf der Leiterplatte in einem Arbeitsgang, bspw. durch Schwallöten verlötet werden. Gegenüber herkömmlichen durch Löten zusätzlich gesicherten Verbindungen spart man hierbei einen erheblichen, mit entsprechenden Kosten verbundenen Arbeitsgang des nachträglichen Verlötens vom kraftschlüssigen Teil mit der Leiterplattenanschlußzone ein. Durch diese Einsparungen werden die Kosten für das zusätzliche, erfindungsgemäße Verbindungselement bei weitem kompensiert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Figuren:

Fig. 1 Schnitt durch eine Baugruppe, bei der eine Leiterplatte mittels des Verbindungselements an ein metallisches Gehäuseteil geschraubt wurde,

Fig. 2 Detailansicht des Verbindungselements gemäß Fig. 1,

Fig. 3 Verbindungselement, bei dem die Kontaktstifte als Spannstifte ausgeführt sind und eine axiale Federnut aufweisen,

Fig. 4 Skizze des Wirkprinzips bei Verbindungselementen, bei denen die Grundfläche zusätzlich die kraftschlüssige Verbindung sichert oder verstärkt.

Fig. 1 zeigt eine Baugruppe, bei der innerhalb eines Gehäuses, bestehend aus einem Gehäusedeckel 10 und einem metallischen Gehäuseunterteil 3, eine Leiterplatte 12 angeordnet ist. Auf der Leiterplatte 12 befinden sich elektronische Bauelemente 9, welche mit Leitbahnen auf der Leiterplatten­ oberseite entsprechend der elektrischen Funktion miteinander verbunden sind. Die Leiterplatte 12 weist weiterhin eine in bekannter Weise metallisierte Leiterplattenanschlußzone 2 auf, in der sich eine Öffnung 7 befindet. Diese Öffnung 7 ist vorzugsweise ebenfalls an ihrer Mantelfläche metallisiert, wie dies bereits für Durchsteckbauelemente oder zweiseitige Leiterplattenanordnungen bekannt ist. In diese Öffnung 7 der Leiterplatte 12 ist das Verbindungselement 1 eingebracht. Zwischen der Öffnung 7 der Leiterplatte 12 und dem in Fig. 2 noch im Detail dargestellten Kontaktstift 8.1 des Verbindungselements 1 besteht eine Verbindung durch Press­ passung oder Löten. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine runde Öffnung 7 in der Leiterplatte vorgesehen, deren Durchmesser entsprechend der Breite der rechteckigen Kontaktstifte (vergleiche 8.1 in Fig. 2) zu einem Verhaken der rechteckigen Kanten des Kontaktstiftes in der Metallisierung der Öffnung 7 führt. Die Kontaktstifte 8.1 sind in diesem Ausführungsbeispiel einstückig aus dem gleichen Material wie die Grundfläche gestaltet und werden durch Biegen derart geformt, daß sie die Dicke der Leiterplatte entsprechend ausgleichen und die Grundfläche 5 des Verbindungselements mit der Leiterplattenunterseite abschließt. Durch die Öffnung 6 in der Grundfläche 5 des Verbindungselements 1 (vergleiche auch Fig. 2) ist das kraftschlüssige metallische Teil 4 zum metallischen Gehäuseteil 3 hin befestigt. In diesem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die kraftschlüssige Verbindung als Schraubverbindung ausgestaltet und besteht aus der Schraube 4, welche die Grundfläche 5 mittels des Gewindes im metallischen Gehäuseteil 3 an diesem preßt. Die elektrische Verbindung besteht zwischen den meist als metallischen Leitbahnen ausgeführten Leiterplattenanschluß­ zone 2 mit der Öffnung 7 über die Kontaktstifte 8 und die Grundfläche 5 zum kraftschlüssigen Teil 4 bzw. direkt zum metallischen Gehäuseteil 3.

In Fig. 2 ist noch mal eine Detailansicht des bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Verbindungselements 1 dargestellt. An der Grund­ fläche 5 sind in diesem Ausführungsbeispiel 3 Kontaktstifte vorgesehen. Neben dem für den elektrischen Kontakt erforderlichen ersten Kontaktstift dienen die weiteren Kontaktstifte der gleichmäßigeren Verteilung der mechanischen Belastung zwischen Leiterplatte und Gehäuse. Die symmetrische 3-Punkt-Auflage wird diesem beispielsweise sehr gut gerecht. Die Kontaktstifte sind in diesem Ausführungsbeispiel nach einem kurzen Ansatzstück zur Grundfläche 5 hin quasi senkrecht zu dieser angeordnet. Durch die insgesamt 3 Biegungen in den Kontaktstiften ergibt sich eine gewisse Elastizität der Anordnung, womit Fertigungstoleranzen ausge­ glichen und mechanische Belastungen kompensiert werden können.

Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Verbindungselements, bei der die kreisrunde Grundfläche 5 zunächst in Form eines Dreieckes verlängert und in den Ecken jeweils ein Kontaktstift 8.2 angeordnet ist, der als Spannstift ausgeführt ist. Jeder der Kontaktstifte 8.2 weist eine axiale Federnut 11 auf, durch welche der Außendurchmesser des Kontaktstiftes durch Zusammenpressen in die Öffnung der Leiterplatte eingeschoben wird und sich danach eine Rückstellkraft einseitig an die Leiterplattenöffnung 7 ausbildet.

In Fig. 4 ist nun ein ergänzen des Wirkprinzip dargestellt, welches durch entsprechende Ausgestaltung der Grundfläche 5 als zusätzliches Sicherungs­ element der kraftschlüssigen Verbindung zwischen kraftschlüssigen Teil 4 und metallischen Gehäuseteil 3 erzielt werden kann. So sind beispielsweise für Schraubverbindungen zum Sichern Tellerfedern oder Zahnkränze bekannt. In Fig. 4 ist am Beispiel einer tellerfederähnlichen Ausgestaltung der Grundfläche 5.1, die sich ausbildende Rückstellkraft visualisiert, welche die kraftschlüssige Verbindung verstärkt. Aus dem Stand der Technik sind weitere Sicherungsmöglichkeiten für Schraubverbindungen, wie z. B. Wellenprofile der Scheiben oder Kerbscheiben bekannt. Durch entsprechen­ de Ausgestaltung der Grundfläche 5 können somit ergänzende Sicherungsinstrumente eingebaut werden. Ein solcher Einbau läßt sich sehr einfach in das Verbindungselement integrieren und kann so erforderlichen­ falls entsprechend zusätzliche Arbeitsgänge für eine getrennte Sicherung der kraftschlüssigen Verbindung ersparen. Der Montageaufwand wird dadurch nochmals reduziert.

Neben den dargestellten Schraubverbindungen können natürlich auch Niet­ verbindungen oder ähnliche die kraftschlüssige Verbindung zwischen Ver­ bindungselement und Gehäuseteil realisieren.

Claims (9)

1. Verbindungselement zum elektrischen Verbinden einer Leiterplatten­ anschlußzone mit einem metallischen Gehäuseteil über ein kraft­ schlüssiges metallisches Teil, wobei das Verbindungselement folgende Merkmale aufweist:

• a) es ist eine Grundfläche aus einem elektrisch leitfähigen Material vorgesehen,
• b) die Grundfläche weist eine Öffnung zum Einbringen des kraftschlüssigen Teils auf,
• c) an der Grundfläche ist mindestens ein die Verbindung zur Leiterplatte herstellender Kontaktstift vorgesehen, welcher in eine Öffnung in der Leiterplatteanschlußzone eingeführt wird und dort mechanisch und elektrisch leitend mit der Leiterplatte verbunden ist.

2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kontaktstift und Öffnung in der Leiterplatte eine Preßpassung besteht.

3. Verbindungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Kontaktstiftes federnd ist.

4. Verbindungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Kontaktstiftes zumindest eine axiale Feder- Nut aufweist und der Außendurchmesser des Kontaktstiftes durch Zusam­ menpressen dieser unter Überwindung einer Rückstellkraft reduziert werden kann.

5. Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktstift mit der Leiterplatten­ anschlußzone verlötet ist.

6. Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche mindestens zwei Kontaktstifte aufweist, um Kräfte insbesondere bei der Montage oder bei Erschütterungen gleichmäßiger an die Leiterplatte zu verteilen.

7. Verbindungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Grundfläche aus einem form­ beständigen metallischen Material ist, vorzugsweise aus Kupferberyllium oder Bronzelegierungen.

8. Verfahren zum elektrischen Verbinden gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) zunächst das Verbindungselement mit dem bzw. den Kontaktstift(-en) an der Leiterplatte befestigt wird und
• b) danach die Leiterplatte mit dem Verbindungselement über das kraft­ schlüssige metallische Teil an das Gehäuse montiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakt­ stifte zusammen mit elektrischen Bauteilen auf der Leiterplatte in einem Arbeitsgang verlötet werden.