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Vorrichtung zum Kontaktieren von Leiterbahnen auf Druckplatten mit
Massivkontaktelementen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Verdrahtell, bzw Verkabeln komplizierter Schaltungen und Geräteteile und befaßt
sich hierzu mit einer Vorrichtung und einem Verfahren um Kontaktieren von Leiterbähnen
auf gedru'ckten Schaltungen mit Massivkontaktelementen, vorzugsweise Leiterpfosten.
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Die Erfindung bezweckt, ein Verdrahtungsverfahren anzugeben, das sich
gegenüber den bisherigen durch größere Wirtschaftlichkeit und Zeitersparnis auszeichnet,
außerdem aber den Vorteil eines geringeren Raumbedarfs bietet.
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In Geräten der Nachrichten- und Datenverarbeitungstechnik werden häufig
ganze Pakete von mit Schaltelementen bestückten Leiterplatten verwendet, die,als
Steckkarten ausgebildet, in sogenannten Verteilerkarten eingesteckt sind. Die Verteilerkarten
sind wiederum an einen oder mehrere Kabelbäume entweder durch direkte Verbindung
oder über Vierfachstecker angeschlossen.
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Für die Kontaktgabe zwischen Steckkarte und Verteilerkarte sind verschiedene
Systeme entwickelt worden, z.B. diejenigen der Verbindung mittels Klemmfedern an
den Verteilerkarten und galvanisch verstärkten Kupferschichten an einer, Kante der
Steekkarten, oder dasjenige der mechanischen Verbindung eines Viel fachsteckers
mit der betreffenden Steckkarte, der in entsprechenden Buchsenreihen in der Verteilerkarte
eingreift. Im letzteren Fall kann man auch das sogenannte Mult@@ayer-Verfahren anwenden
und die Steckkarten para1#el #ur #e##eiler1##to übereinander
Die
technischen Schwierigkeiten, welche den hohen Zeit- und Kostenaufwand bedingen,
hängen mit der Notwendigkeit zusammen, auf der Verteilerkarte nicht nur die Verbindung
zwischen den Kabeladern einerseits und den einzelnen Steckkarten bzw. Funktionen
andererseits, sondern auch noch zwischen den Steckkarten selbst zu verMitteln, und
hierdurch ergibt sich eine die Anzahl der Kabeladern mal der Anzahl der Steckkarten
weit übersteigende Anzahl von Kontaktstellen auf dem Verteilerchassic. Die Verteilerkarte
wird daher oft mit-einer großen Anzahl von Massivkontakten bestückt, die teils einzeln
durch Einkerlcn,tell;E. in Steckereinheiten zusammengefaßt, nechanisch befestigt
werden.
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Die Querverbindungen zwischen den Massivkontakten werden häufig nach
der sogeannten Wire-Wrap Technik durch Aufwickeln eines Drahtes auf das Ende eines
Leiterpfostens, oder nach der sogenannten Termi-Point-Technik durch Aufschieben
von Klips auf die Pfosten hergestellt. In beiden Fällen ist die Verdrahtung milhEelig
und zeitraubend, auch abgesehen von den Vorteilen dieser oder jener Kontaktierungstechnik.
Es ist keine Seltenheit, daß sich Hunderte von Kontakten auf einem Verteilerchassis
befinden die durch ebenso viele Drähte untereinander verbunden werden müssen. Abmessen,
Entisolieren der Drähte, evtl. Aufziehen von Polschuhen sind zeitraubende Nebenarbeiten.
Es sind schon Automaten entwickelt worden, die diese Arbeiten selbsttätig durchführen.
Für kleinere Stückzahlen ist dieser Aufwand nicht lohnend.
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Es ist vorgeschlagen worden, diese Verdrahtungsarbeiten auf dem Verteilerchassis,
bzw. der Verteilerkarte dadurch auf ein Minimum zu beschränken, daß man im wesentlichen
innerhalb des Verteilers verlaufende Verbindungen als gedruckte Schaltung ausführt,
wobei Kreuzungen der Leitungen dadurch bewältigt
werden, daß eine
beiderseits bedruckte durchkontaktierte Leiterplatte verwendet wird. Das setzt allerdings
voraus, daß zuverlässige Kontakte zur Weiterverbindung zu den kabeln und den Steckkarten
der Funktionen auf der ganzen Fläche der gedruckten Leiterpiatte auf unkoulplizierte
Weise geschaffen werden können.
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Bei der Erfüllung dieser Bedingung ergeben sich erhebliche Schwierigkeiten,
die erst durch die Erfindung überwunden wurden.
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Man hat zahlreiche Versuche mit unbefriedqgendem Ergebnis zur Herstellung
von Tötverbindungen zwischen den Leiterbanen und den Massivkontakten unternommen.
Die Einzellötung mit Lötkolben ist bei enggestellten Leiterpfosten sehr mühsam und
zeitraubend, z.B dann, wenn die Leiterpfosten in 2 bis 4 Reihen längs einer Steckerleiste
in Abständen von wenigen mm aufgestellt sind.
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Es ist auch versucht worden, die Kontaktierung durch Tauchen der Leiterplatte
in ein Tötbad herzustellen. Hierdurch kann zwar eine relativ sichere Kontaktierung
erreicht werden, aber als nachteilig hat sich erwiesen, daß die Leiterpfosten zugleich
mit verzinnt werden. Die Verzinnung der Leiterpfosten macht die Einführung der Stifte
in die entsprechende Buchsenreihe unsicher; zum anderen ist eine Drahtverbindung
durch Aufwickeln auf einen verzinnten Leiterpfosten unzuverlässig, da die Kanten
der Leiterpfosten abgerundet werden, so daß die aufzuwickelnden Drähte nicht mehr
in dem erforderlichen Maße eingekerbt werden. Ebenso ist eine sichere Kontaktgabe
bei der Anwendung von Termipoiflt - Klemmelementen nicht gewährleistet. Auch verbietet
sich die Erwärmung der gesamten Leiterplatte samt nahe der Kontaktstelle angebrachter
Lötkörperchen, da die Temperaturbeständigkeit der Platten und der die Leiterpfosten
zusammenfassenden Steckerleisten nicht ausreicht.
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Die obengenannten Schwierigkeiten werden durch das erfindungsgemäße
Verfahren überwunden. Das Verfahren zum Kontaktieren von Leiterbahnen einer durchkontaktierten
Druckplatte mit
Massivkontaktelementen, vorzugsweise Leiterpfosten,
vermittels nahe der Kontaktstifte angebrachter Körper aus Lötmaterial durch Einwirkung
von Wärmestrahlung besteht darin, daß effindungsgemäß eine Strahlungsquelle von
wenigstens 15000C, z.B.
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eine Halogenlampe, durch Fokussiermittel vorzugsweise1 ein oder mehrre'Hohlspiegel,
auf einen etwa ringförmigen Brennfleck nahe der Kontaktstelle und auf die Massivkontaktelemente
selbst fokussiert ist, und daß die Dauer der Wärmeeinwirkung auf die Kontaktstelle
durch eine auf die Strahlungsquelle und/oder die Stellung der Druckplatte relativ
zu dem Fokus der Fokussiereinrichtung einwirkend Transportvorrichtung begrenzt wird.
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Durch dieses Verfahren ist eine zuverlässige und fortlaufende Lötung
von Massivkontaktelementen mit den Leiterbahnen einer Leiterplatte ereicht. Wegen
des schrägen Einfallens der Strahlung wird die Erwärmung in erster Linie auf die
Kontaktelemente und die Lötstelle beschränkt, während die Leiterplatte kaum erwärmt
wird. Man kann es so einrichten, daß durch die Strahlung die Wärmekapazität der
Massivkontakte nur soweit ausgenutzt wird, daß die Lötkörper zum Schmelzen kommen
und durch die Löcher in den Leiterplatten hindurch fliessen. Die bekannten VG-Stecker
mit zwei bis drei Reihen von Kontaktstiften, bei einem vollausgenutzten Stecker
bis zu 96 Kontakten, können in einer Zei°+ Minute eingelötet werden. Die allenfalls
noch erforderliche Anschließung von Wickelverdrahtungen für Zusatzleitungen ist
weiterhin möglich. Durch Anwendung des Verfahrenß kann das bisherige Verdrahtungssystem
CKabelbaumtechnik> weitgehend durch eine wesentlich kostengünstigere Bauweise
ersetzt werden, bei der der Kabelbau~verteiler durch eine Druckplatte verkörpert
wird. Es lassen sich Leiterplatten auf engem Raum zusammenfassen; weder das Leiterpiattenmaterial
noch das Steckermaterial wird durch die Wärme angegriffen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden
anhand der Begleitzeichnung näher erläutert. Diew zeigt in Figur 1 eine Vorrichtung
zum Verlöten von Kontaktpfosten mit Leiterbahnen auf gedruckten Platinen, in Figur
2 einen einzelnen Kontaktpfosten in vergrößerter Darstellung und in Figur 3 ein
System von Leiterplatten und verschiedenen Aufbauvarianten a, b, c und Fig. 4-6
Einzelheiten dieser Aufbauvarianten.
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In Fig. 1 ist (1) eine Leiterplatte, die auf beiden Seiten mit Leiterbahnen
versehen ist, welche an vorgegebenen Stellen über innen metallisierte Bohrungen
miteinander verbunden sind. In diese Leiterplatte ist ein Vielfachstecker (2), eine
sogenannte Steckerleiste, im vorliegenden Fall ein sogenannter VG-Stecker, eingesetzt,
derart, daß die einzelnen Kontaktstifte durch eine Reihe von Löchern mit Innenmetallisierung
in der Leiterplatte hindurchgesteckt sind und auf der gegenüberliegenden Seite als
iieiterpfosten herausragen. In Fig. 2 ist im vergrößertem Maßstab ein einzelner
solcher Leiterpfosten 3 gezeigt; ferner ist in Fig. 2 eine Leiterbahn 4 mit einem
Lötauge 5 dargestellt.
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Zum Verlöten des Leiterpfostens 3 mit der Leiterbahn 4 ist ein vorgeformter
Lötkörper 6 nahe der Kontaktstelle angebracht, der ringförmig gestaltet ist und
als Kern eine auf der Lötmasse abgestimmte Menge Flußmittel, z.B.' Kolophonium,
enthält. Der Leitorpfosten 3 hat einen rechteckigen Querschnitt und kann entweder
mit einem Drahtende eines Kabeldrahtes bewickelt oder in die Buchse einer weiteren
Steckerleiste eingeführt werden. Das Bewickeln solcher Leiterpfosten mit den Enden
von Kabeldrähten wird in der Technik als Wire-Wrap bezeichnet. Die Steckerleiste
2 in Fig. 1, welche diese einzelnen Leiter fest vereinigte kann auf der Rückseite
noch mit Buchsen 4 versehen sein, so daß eine
weitere Steckerreihe
von einer anderen-Druckplatte oder von einem Kabelende eingeführt werden kann.
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Die Vorrichtung zum Verlöten der einzelnen Stecker oder Leiterpfosten
<3) mit den Leiterbahnen bzw. Lötaugen 5 ist oberhalb der Leiterplatte 1 in Fig.
1 dargestellt. Sie besteht aus einer Strahlungsquelle 7, vorzugsweire einer Glühlampe
mit hoher Temperatur, etwa einer Halogenlampe, so daß die Energiedichte der Strahlung
auch hinsichtlich der lötwirksamen Wärmestrahlung sehr hoch ist. Für die Zuführung
der Wärme dieses Stieles zu der Lötstelle ist eine Hohlspiegelanordnung 8 vorgesehen,
welche die Strahlung der Lampe 7 unter einem relativ flachen Kegel in einem Winkel
von 20 bis 450 auf die Lötstelle einfallen läßt.
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Es entsteht so nahe der Lötstelle ein Brennfleck von etwa der Größe
eines 10-Pfennigstückes, in welchem die Wendel der Lampe etwa auf dem Stecker abgebildet
wird. Die Strahlung trifft aber auch auf die Seitenflächen der Stecker 3 auf und
heizt diese auf eine Temperatur, die bei gewisser Dauer die Löttemperatur von 200
bis 2200 weit überschreitet. Bei richtig bemessener Strahlungsdauer wird der oder
werden die im Brennfleck liegenden Stecker 3 zunächst auf eine Temperatur aufgeheizt,
bei der der um den Stecker herumgelegte Lötring 6 schmilzt. In diesem Augenblick
kann schon die Zufuhr von Strahlungswärie unterbrochen oder abgeschwächt werden,
da die Wärmekapszität des Steckers dann ausreicht, um die Verschmelzung zwischen
dem Lötmaterial und den Leiterbahnen oberhalb und unterhalb der Leiterplatte vollständig
durchzuführen. Zur Begrenzung der Lbtzeit in diesem Sinne wird die Leiterplatte
1 samt Steckerleiste 2 in der Pfeilrichtung mit einer bestimmten Gescbwindiskeit
transportiert, so daß hintereinander die einzelnen Leiterpfosten fertig gelötet
werden. Falls nur eine einzige oder zwei Kontaktreihen in dem Stecker befestigt
sind, kann ein runder Brennfleck zur Ausheizung der Lötstellen ausreichen. Bei 3
oder
mehr Steckerreihen ist jedoch eine schwach elliptische Form
des Brennflecks mit der größeren Ellipsenachse senkrecht zur Steckerreihe vorzuziehen.
Diese elliptische Form kann dadurch erzielt werden, daß der Reflektor 8 aus mehreren
Teilen besteht, die einzeln justiert werden können.
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Bei dieser Art der Wärmezufuhr ist, im Gegensatz zu den bekannten
Verfahren, sowohl das Yersinnen der oberen Steckerteile, als auch eine Wärmesechädigung
der Leiterplatte 1 oder des Stekkers 2 vollständig vermeidbar. Die Lötstellen sind
alle gleich gut, üas bei einer Binæellötpng mit einem Lötkolben nicht möglich ist.
Außerdem wird bei einer Einzelibtung bei sehr engstehenden Steckern viel Zeit benötigt,
z.B. bei einem 96fachen Stckker eine Stunde, während der Lötvorgang gemäß der #rfindung
in 1 bis 2 Minuten erledigt sein kann. Nach den bisherigen Erfahrungsxferten liegt
die Vorschubgeschwindigkeit der Leiterplatte am günstigsten bei 0,1 bis O,2ni/Min.
Die Geschwindigkeit ist nur dadurch begrenzt, daß der Vorgang des Fließens des Lotes
und des Durchlaufens durch die Löcher bis auf die andere Seite eine gewisse Zeit
beansprucht.
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Da das Fokussiersystem die zu beheizende Stelle nicht vollständig
umschließt, ist es möglich, die Lötstelle während des Lötens zu beobachten, und
die Zuverlässigkeit der Lötung zu kontrollieren. Das Vermehren ist automatisierbar,
indem eine große Menge aufgereihter Stecker längs einer Linie fortlaufend verlötet
werden kann. Dabei kann die Wärmestrahlung der Lampe erforderlichenfalls mittels
eines Thermoelementes automatisch stabilisiert werden Nach den obigen Angaben liegt
die Dauer der Lötung pro Stecker bei 2 bis 3 Sekunden. Die Intensität der Wäermestrahlung
ist der jeweiligen Wärmekapazität der Massivkontakte anzupassen, was durch Regelung
der Lampenspannung leicht möglich ist.
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In Fig. 3 ist ein Aufbauschema von Leiterplatten mit verschiedenen
Varianten a, b, c in perspektivischer Darstellung gezeigt für die jeweils die Vorrichtung
zum Kontaktieren, gemäß der Erfindung, vorteilhaft angewendet werden kann.
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Die Positionen a, b und c zeigen drei verschiedene heute im technischen
Gebrauch befindliche Aufbausysteme, und zwar a: Drahtanschluß nach der Thermi-Point-Methode,
b: Leiterplattenverbindung nach der Modulbauweise, c: Drahtanschluß nach der Wire-Wrap-Methode.
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Die Technik der Thermi-PointrMethode iet in Fig. 4 erkennbar.
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In einer Steckerplatte ist eine Anzahl Pfosten 3 befestigt1 an denen
Klips 9 aufgesteckt werden können, die mit einem Draht 10 (Litze oder Volidraht)
durch Klemmung verbunden sind. Dieser Stecker kann vor Aufbringen des Klips mit
der Leiterplatte 1 verlötet werden. Die Leiterplatte hat hierzu eine Innenmetallisierung
12 in der Bohrung, sowie mit dieser Netallisierung verbundene Lötaugen und Leiterbahnen.
Durch Verlöten auf die erfindungsgemäße Weise wird ein Lötkegel 11 gebildet. In
Shnlicher Weise kann auch der Pfosten 5 für das Wire-Wrap Verfahren mit der Leiterplatte
1 und dem aufgewickelten Draht 13 (Fig.5) verbunden werden. Schließlich zeigt Fig.
6 die Variante b der Modulbauweise, bei der mehrere Leiterpiatten 14 vermittels
Stecker. 15 und den mit den Leiterbahnen verlöteten einzelnen Steckern etagenweise
übereinander gebaut werden können. Im Bedarfsfall kann auch noch die Fassung der
Steckerteile durch die 15 Stecker weggelassen werden, wobei dann lange Steckerstifte
in mehreren Leiterplatten nacheinander verlötet werden. Auf die letztere Weise kann
eine noch dichtere Packung der Platten erreicht werden.