DE4242837A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einpressen von metallischen Elementen in Trägerteile - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einpres­ sen von metallischen Elementen in Trägerteile, insbeson­ dere zum Einpressen von Stift- oder Federleisten in Lei­ terplatten, wobei einzelne Elemente durch Krafteinleitung gegen den mechanischen Widerstand des Trägerteiles in eine vorbestimmte Position gebracht werden. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem Einpreßwerkzeug, das Druckkräfte auf die mechanischen Elemente ausübt.

Insbesondere für elektronische Geräte sind Aufbausysteme auf der Basis einer 19 Zoll-Bauweise bekannt, bei der einzelne oder mehrere Kontakte als elektrische Anschlüsse in zugehörigen Isolierkörpern angeordnet sind. Die Montage derartiger Kontakte erfolgt bisher üblicherweise durch eine Einpreßtechnik, die für unterschiedlichste Anwen­ dungsfälle optimiert werden kann. Für eine solche konven­ tionelle Einpreßtechnik werden beispielsweise verzinnte Steckverbinder mit Kontaktstiften in durchkontaktierte und verzinnte Aufnahmebohrungen der Leiterplatte gepreßt. Häufig sind die Kontaktstifte zur Erhöhung ihres Festsit­ zes und zum Toleranzausgleich als Federelemente ausgebil­ det. Dabei dient die Verzinnung gewissermaßen als Schmier­ mittel während des Einpreßvorganges.

Kennzeichnend für die konventionelle Einpreßtechnik ist, daß hohe Einpreßkräfte benötigt werden, wodurch eine ent­ sprechend große Verformung der Leiterplatte und der Auf­ nahmebohrungen bewirkt wird. Damit ist aber eine Bruchge­ fahr der Leiterplatte verbunden. Um die hohen Einpreßkräf­ te zu erzeugen, sind stabile Einpreßmaschinen erforder­ lich, die beispielsweise Einpreßkräfte von 70 kN erzeugen müssen. Um dies zu gewährleisten, kann beim Stand der Technik allerdings nur mit geringen Einpreßgeschwindig­ keiten, beispielsweise 1,5 m/s, gearbeitet werden. Glei­ chermaßen sind für eine derartige Einpreßtechnik enge Toleranzen zwischen Einpreßstift und Aufnahmebohrung Vor­ aussetzung. Schließlich entstehen bei der beschriebenen Arbeitsweise auch Zinnspäne, die als Fremdpartikel störend sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzuge­ ben, mit dem mit wesentlich geringeren Einpreßkräften als bei der konventionellen Einpreßtechnik gearbeitet werden kann. Gleichzeitig soll eine zugehörige Vorrichtung ge­ schaffen werden, die insbesondere zum Einpressen von Stift- und Federleisten geeignet ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Kraftein­ leitung beim Einpreßvorgang unter Schwingungsbeaufschla­ gung der Elemente, vorzugsweise im Ultraschallbereich, erfolgt. Zur Schwingungsbeaufschlagung der Elemente wäh­ rend der Krafteinleitung wird vorteilhafterweise Ultra­ schall im Bereich bis zu 40 kHz mit Amplituden im µm-Be­ reich eingekoppelt.

Bei der zugehörigen Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens ist das Einpreßwerkzeug als Sonotrode für eine Ultraschalleinkopplung ausgebildet. Vorzugsweise ist die Sonotrode zur Übertragung von Vertikalschwingungen ausge­ bildet. Speziell zum Einpressen von Kontaktstiften kann die Sonotrode derart ausgebildet sein, daß sie zumindest teilweise auf der Schulter des Kontaktstiftes aufliegt. Dazu hat die Sonotrode eine Aussparung zur Aufnahme der rückseitigen Anschlußteile.

Im Rahmen der Erfindung konnte gezeigt werden, daß durch Überlagerung des bisherigen Einpreßvorganges mit der Ultraschalleinkopplung wesentliche Vorteile erreicht wer­ den. Insbesondere kann nunmehr die Einpreßkraft verringert und die Einpreßgeschwindigkeit erhöht werden. Dabei kann beim Einpressen in metallische Aufnahmebohrungen die als Schmiermittel dienende Verzinnung wegfallen, so daß keine störenden Zinnspäne anfallen. Besonders vorteilhaft ist, daß durch Teilverschweißungen der metallischen Teile es nunmehr gewolltermaßen zu einem dauerhaften Festsitz kommen kann. Letzteres ist insbesondere bei der Anwendung der Erfindung auf Kontaktstifte vorteilhaft, wenn blanke Stifte in blanke Kupfer-Aufnahmebohrungen von Leiterplat­ ten eingebracht werden sollen. Die Einkopplung des Ultra­ schalls in den Kontaktstift erfolgt dabei über eine rück­ seitige Schulter am Basisteil der Stifte.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Einzel­ beispielen. Dabei wird auf zwei Tabellen und eine zuge­ hörige Figur Bezug genommen. Die einzige Figur zeigt in Schnittdarstellung ein Werkzeug für eine Ultraschall- Einpreßtechnik zur Anwendung auf Steckverbinder.

In der Figur ist eine Leiterplatte 1 angedeutet, die Auf­ nahmebohrungen 2 für Kontaktstifte 5 aufweist. Der Kon­ taktstift 5 besteht neben dem Basisteil mit einer Schulter 6 und dem rückwärtigen Anschluß 7 aus einem Feder­ teil 8. Das Federteil 8 wird in die Bohrung 2 eingepreßt, die üblicherweise mit einer Metallisierung 3 versehen ist. Dabei wird durch das Einpressen eine elektrische Verbin­ dung zwischen der Metallisierung 3 und dem Federteil 8 hergestellt.

Für komplette Federleisten, welche in der Schnittdarstel­ lung der Figur nicht im einzelnen erkennbar sind, werden häufig noch Gehäuseteile 4 zwecks Führung auf die Leiter­ platte 1 aufgesetzt. Derartige Gehäuseteile 4 bestehen üblicherweise aus einem elektrisch nichtleitenden Kunst­ stoff, beispielsweise PETP (Polyethylenterephtalat), und stellen somit zusätzliche Isolierkörper dar.

In der Figur ist nun ein Einpreßwerkzeug 10, mit dem übli­ cherweise eine Druckkraft zum Einpressen in die Öffnung 2 der Leiterplatte 1 ausgeübt wird, als Ultraschallsonotrode ausgebildet, die in vertikaler Richtung schwingt. Die Sonotrode 10 hat eine Arbeitsfläche 11, die auf der Schul­ ter 6 des Kontaktstiftes 5 aufliegt, und besitzt weiterhin in der Arbeitsfläche 11 eine Aussparung 17, in die der An­ schlußteil 7 des Kontaktstiftes 5 eingreifen kann. Mit einem so modifizierten Werkzeug können gleichermaßen eine Druckkraft auf den Kontaktstift ausgeübt und zusätzlich Ultraschallschwingungen übertragen werden. Es hat sich ge­ zeigt, daß sich dadurch die erforderlichen Einpreßkräfte deutlich verringern.

Erprobungen haben ergeben, daß Ultraschallschwingungen mit einer Frequenz von etwa 20 kHz und einer Ultraschallampli­ tude von beispielsweise 23µm gute Ergebnisse liefern. Die Frequenz kann jedoch in weiten Bereichen variieren, bei­ spielsweise im bekannten Ultraschall-Bereich bis zu 40 kHz, wobei die Ultraschall-Amplitude durchweg im µm- Bereich liegt.

Beispiel 1

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wurde ein Steckerstift mit dem Querschnitt 1,1×1,1 mm² in eine Aufnahmebohrung einer Leiterplatte mit einem Durchmesser von 1 mm eingepreßt. Dabei wurde in einem Fall der Stift verzinnt, während die Bohrung blank blieb, in einem ande­ ren Fall mit sowohl blanken Stiften als auch blanker Boh­ rung gearbeitet. Es wurden die notwendigen Eindrück- und Ausziehkräfte bestimmt, wodurch jeweils die Einpreßtechnik unter Anwendung von Ultraschall mit der konventionellen Einpreßtechnik verglichen werden kann. Die Ultraschall­ parameter waren dabei - wie bereits angegeben - 20 kHz und 23µm, wobei eine Einsinkgeschwindigkeit von 23 mm/s ge­ wählt wurde.

In der Tabelle 1 sind die jeweils notwendigen Eindrück- und Ausziehkräfte, die am selben Stift gemessen wurden, zusammengestellt. Die Versuchsergebnisse deuten beim ultraschallaktivierten Einpressen eine mögliche Reduzie­ rung der Einpreßkräfte um ca. 75% an. Dabei sind die Ausziehkräfte mit und ohne Ultraschall-Anwendung ver­ gleichbarer Größenordnung.

Beispiel 2

Bekannte Flachstecker sollen auf Steckerzungen aufgesteckt werden. Derartige sogenannte Faston-Flach­ steckverbinder haben eine Zungenbreite von 6,3 mm und sind nach DIN 17662 genormt. Die Ultraschallparameter sind die gleichen wie im Beispiel 1. Es werden Steckkraft einer­ seits und Ausziehkraft andererseits mit und ohne Ultra­ schallanwendung verglichen, was in Tabelle 2 wiedergegeben ist.

Die Versuchsergebnisse zeigen, daß durch Ultraschall­ unterstütztes Zusammenstecken des Steckverbinders die Steckkräfte um etwa ein Drittel gesenkt werden können. Die Ausziehkräfte liegen wiederum mit und ohne Ultraschall-An­ wendung in vergleichbarer Größenordnung.

Neben den beschriebenen Anwendungen speziell für das Einpressen von Stift- oder Federleisten in Leiterplatten sind auch andere Anwendungsfälle möglich. Insbesondere wenn beispielsweise Eisenkerne eines Relais-Jochs in eine definierte Tiefenlage kraftschlüssig eingebracht werden müssen, kann die Verringerung der dafür notwendigen Kräfte wesentliche Vorteile bei der Justage der Teile bringen.

Tabelle 1

Tabelle 2

Claims (8)

1. Verfahren zum Einpressen von metallischen Elementen in Trägerteile, insbesondere zum Einpressen von Stift- oder Federleisten in Leiterplatten, wobei einzelne Elemente durch Krafteinleitung gegen den mechanischen Widerstand des Trägerteiles in die vorbestimmte Position gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinleitung beim Einpreßvorgang unter Schwin­ gungsbeaufschlagung der Elemente, vorzugsweise im Ultra­ schallbereich, erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Schwingungsbeaufschla­ gung der Elemente während der Krafteinleitung Ultraschall im Bereich bis zu 40 kHz mit Amplituden im µm-Bereich ein­ gekoppelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2 zum Einpressen von Kontakt­ stiften in metallisch eingefaßten Aufnahmebohrungen von Leiterplatten, dadurch gekennzeich­ net, daß beim Einpressen unter Ultraschalleinkopplung gewolltermaßen Teilverschweißungen der blanken Kontakt­ stifte in den metallischen Aufnahmebohrungen entstehen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ultraschall über die rückseitige Schulter der Stifte eingekoppelt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4 mit einem Ein­ preßwerkzeug, das Druckkräfte auf die mechanischen Elemen­ te ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß das Einpreßwerkzeug gleichermaßen als Sonotrode (10) für eine Ultraschalleinkopplung in das metallische Element (5) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sonotrode (10) zur Übertragung von Vertikalschwingungen ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 zum Einpressen von Kontakt­ stiften, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (10) derart ausgebildet ist, daß sie zumindest teilweise auf der rückseitigen Schulter (6) der Kontaktstifte (5) aufliegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sonotrode (10) eine Aussparung (17) zur Aufnahme der rückseitigen Kontakt­ anschlüsse (7) aufweist.