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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Elektrische
Verbinder werden in zahlreichen elektronischen Systemen eingesetzt.
Es ist im Allgemeinen leichter und rentabler, ein System auf mehreren
Leiterplatten herzustellen, die dann mit elektrischen Verbindern
miteinander verbunden werden. Eine herkömmliche Anordnung zum Verbinden
mehrerer Leiterplatten besteht darin, dass eine Leiterplatte als
Rückwandplatine
dient. Weitere Leiterplatten, Tochterplatinen genannt, werden durch
die Rückwandplatine
verbunden.
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Eine
herkömmliche
Rückwandplatine
ist eine Leiterplatte mit vielen Verbindern. Leiterbahnen in der
Leiterplatte werden mit Signalpins in den Verbindern verbunden,
so dass Signale zwischen den Verbindern geleitet werden können. Tochterplatinen
weisen ebenfalls Verbinder auf, die in die Verbinder auf der Rückwandplatine
eingesteckt werden. Auch diese Weise werden Signale zwischen den
Tochterplatinen durch die Rückwandplatine
geleitet. Die Tochterplatinen werden häufig im rechten Winkel in die Rückwandplatine
eingesteckt. Die für
diese Anwendungen verwendeten Verbinder haben eine rechtwinklige
Krümmung
und werden häufig „right
angle connectors" (rechtwinklige
Verbinder) genannt.
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Verbinder
werden auch in anderen Konfigurationen zum Verbinden von Leiterplatten
miteinander und sogar zum Verbinden von Kabeln mit Leiterplatten
verwendet. Zuweilen werden eine oder mehrere kleine Leiterplatten
mit einer anderen großen Leiterplatte
verbunden. Die größere Leiterplatte
wird als „Mutterplatine" und die darin eingesteckten
Leiterplatten als Tochterplatinen bezeichnet. Auch werden Platinen
derselben Größe zuweilen
parallel ausgerichtet. In diesen Anwendungen zum Einsatz kommende
Verbinder werden zuweilen als „Stapelverbinder" oder „Mezzanin-Verbinder" bezeichnet.
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Unabhängig von
der genauen Anwendung mussten Designs für elektrische Verbinder im
Allgemeinen Trends in der Elektronikindustrie widerspiegeln. Elektronische
Systeme sind allgemein immer kleiner und schneller geworden. Sie
handhaben auch immer mehr Daten als Systeme, die erst vor wenigen Jahren
gebaut wurden. Diese Trends bedeuten, dass elektrische Verbinder
immer mehr und immer schneller Datensignale in einem kleineren Raum
führen müssen, ohne
dass dies zu Signalverschlechterung führt.
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Verbinder
können
so hergestellt werden, dass sie mehr Signale auf weniger Raum führen, indem
die Signalkontakte in dem Verbinder näher beieinander platziert werden.
Solche Verbinder werden „Verbinder
mit hoher Dichte" genannt.
Die Schwierigkeit in Verbindung mit dem dichteren Platzieren von Signalkontakten
besteht darin, dass es zu elelktromagnetischer Kopplung zwischen
den Signalkontakten kommt. Je näher
die Signalkontakte beieinander platziert werden, desto höher ist
die elektromagnetische Kopplung. Elektromagnetische Kopplung nimmt auch
mit zunehmender Signalgeschwindigkeit zu.
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In
einem Leiter wird elektromagnetische Kopplung durch Messen des „Übersprechens" (Crosstalk) des
Verbinders angezeigt. Crosstalk wird im Allgmeinen dadurch gemessen,
dass ein Signal an einen oder mehrere Signalkontakte angelegt und
die Signalmenge gemessen wird, die mit dem Kontakt von anderen benachbarten
Signalkontakten gekoppelt wird. Bei einem herkömmlichen „Pin-in-Box"-Zusammenstecken
eines Verbinders, bei dem ein Raster von Pin-in-Box-Steckpunkten
vorgesehen ist, wird Crosstalk allgemein als eine Gesamtsumme von
Signalkopplungsbeiträgen
von jeder der vier Seiten der Pin-in-Box-Steckverbindung sowie denjenigen erkannt,
die von der Steckstelle diagonal sind.
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Ein
herkömmliches
Verfahren zum Reduzieren von Crosstalk besteht darin, Signalpins
in dem Feld der Signalpins zu erden. Der Nachteil dieses Ansatzes
ist, dass dadurch die effektive Signaldichte des Verbinders reduziert
wird.
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Zur
Erzielung eines sehr schnellen und sehr dichten Verbinders haben
Verbinderdesigner Abschirmungselemente in der Nähe von Signalkontakten eingefügt. Die
Abschirmungen reduzieren die elektromagnetische Kopplung zwischen
Signalkontakten und entgegnen so dem Effekt von dichteren Abständen oder
höherfrequenten
Signalen. Abschirmung kann, wenn sie geeignet konfiguriert ist,
auch die Impedanz der Signalpfade durch den Verbinder regeln, wodurch
die Integrität
der Signale verbessert werden kann, die von dem Verbinder geführt werden.
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Eine
frühe Anwendung
von Abschirmung ist in der japanischen Patentoffenbarung 49-6543
von Fujitsu Ltd vom 15. Februar 1974 dargestellt. Die US-Patente
4,632,476 und 4,806,107, beide von AT&T Bell Laboratories, zeigen Verbinderdesigns, bei
denen Abschirmungen zwischen Spalten von Signalkontakten verwendet
werden. Diese Patente beschreiben Verbinder, in denen die Abschirmungen parallel
zu den Signalkontakten sowohl durch den Verbinder der Tochterplatine
als auch durch den der Rückwandplatine
laufen. Mit Hilfe von freitragenden Pfosten wird der elektrische
Kontakt zwischen der Abschirmung und den Rückwandplatinenverbindern hergestellt.
Die Patente 5,433,617; 5,429,521; 5,429,520 und 5,433,618, deren
Zessionarin die Framatome Connectors International ist, zeigen eine ähnliche
Anordnung. Die elektrische Verbindung zwischen der Rückwandplatine
und der Abschirmung wird jedoch durch einen Federkontakt hergestellt.
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Andere
Verbinder haben die Abschirmungsplatte nur im Tochterplatinenverbinder.
Beispiele für solche
Verbinderdesigns befinden sich in den Patenten 4,846,727; 4,975,084;
5,496,183 und 5,066,236, alle auf AMP, Inc. übertragen. Ein weiterer Verbinder mit
Abschirmungen nur im Tochterplatinenverbinder ist im US-Patent 5,484,310
dargestellt, deren Zessionarin Teradyne, Inc. ist.
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Ein
modularer Ansatz für
Verbindersysteme wurde von Teradyne Connection Systems aus Nashua
in New Hampshire eingeführt.
In einem Verbindersystem mit der Bezeichnung HD+® werden
mehrere Module oder Spalten von Signalkontakten auf einem Verstärkungsteil
aus Metall angeordnet. Typischerweise werden 15 bis 20 solcher Spalten
in jedem Modul vorgesehen. Eine flexiblere Konfiguration resultiert
aus der Modularität
des Verbinders, so dass für
Verbinder, die für
eine bestimmte Anwendung „zugeschnitten" sind, keine) Spezialwerkzeug
oder -maschinen zur Herstellung erforderlich ist. Darüber hinaus
können
zahlreiche Toleranzprobleme, die in größeren, nicht modularen Verbindern
auftreten, vermieden werden.
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Eine
kürzlichere
Entwicklung in solchen modularen Verbindern wurde von Teradyne,
Inc. eingeführt
und ist in den US-Patenten 5,980,321 und 5,993,259 beschrieben,
die hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen sind. Teradyne Inc.,
Zessionarin der oben genannten Patente, vermarktet eine kommerzielle
Ausgestaltung unter dem Handelsnamen VHDMTM.
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Die
Patente zeigen einen zweiteiligen Verbinder. Ein Tochterkartenteil
des Verbinders beinhaltet eine Mehrzahl von Modulen, die auf einem
Verstärkungsteil
aus Metall untergebracht sind. Hier wird jedes Modul aus zwei Wafern
gefertigt, einem Massewafer und einem Signalwafer. Der Rückwandplatinenverbinder,
oder Pin-Header, weist Spalten von Signalpins mit einer Mehrzahl
von Rückwandplatinenabschirmungen
auf, die sich zwischen benachbarten Spalten von Signalpins befinden.
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Noch
eine weitere Variation eines modularen Verbinders ist in der Patentanmeldung
09/199,126 offenbart, die hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen
ist. Teradyne Inc., Zessionarin der Patentanmeldung, vermarktet
eine kommerzielle Ausgestaltung des Verbinders unter dem Handelsnamen VHDM-HSD.
Die Anmeldung zeigt einen Verbinder, der dem VHDMTM-Verbinder ähnlich ist,
einen modularen Verbinder, der auf einem Verstärkungsteil aus Metall zusammengehalten
wird, wobei jedes Modul aus zwei Wafern zusammengesetzt ist. Die
Signalkontakte der in der Patentanmeldung gezeigten Wafer sind jedoch
paarweise angeordnet. Diese Kontaktpaare sind so konfiguriert, dass
ein Differenzsignal entsteht. Signalkontakte, die ein Paar bilden,
liegen dichter beieinander, als irgendein Kontakt bei einem benachbarten
Signalkontakt liegt, der zu einem anderen Signalpaar gehört.
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Das
US-Patent Nr. 5,660,551 und die europäische Patentanmeldung Nr. 98118462.5 (EP0907225)
offenbaren beide modulare Verbinder für Hochgeschwindigkeitsübertragungen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Wie
im Hintergrund erörtert,
werden schnellere und dichtere Verbinder benötigt, um mit den aktuellen
Trends in der Elektroniksystemindustrie Schritt zu halten. Mit diesen
höheren
Dichten und höheren
Geschwindigkeiten werden jedoch elektromagnetische Kopplung oder
Crosstalk zwischen den Signalkontakten problematischer.
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Daher
wird ein elektrischer Verbinder mit Steckstücken mit Abschirmungen in einem
Stück,
die quer zu den Abschirmungen in einem zweiten Stück orientiert
sind, bereitgestellt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein
Stück des
Verbinders aus Wafern mit Abschirmungen gefertigt, die zwischen den
Wafern positioniert sind. Die Abschirmungen in einem Stück haben
Kontaktabschnitte, die damit assoziiert sind, um eine elektrische
Verbindung mit Abschirmungen in dem anderen Stück herzustellen. Mit einer
solchen Anordnung entsteht ein Verbinder, der sich leicht herstellen
lässt und
der verbesserte Abschirmungscharakteristiken besitzt.
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In
anderen Ausgestaltungen wird das zweite Stück des Verbinders aus einem
Metall hergestellt und weist Schlitze auf, in die Signalkontakte
eingeführt
werden, die von einem isolierenden Material umgeben sind. Bei einer
solchen Anordnung erhalten die Signalkontakte eine zusätzliche
vierwandige Abschirmung gegen Crosstalk.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
gehen aus der nachfolgenden ausführlicheren
Beschreibung des Verbinders mit eierkartonförmigen Abschirmungen hervor, wie
in den Begleitzeichnungen illustriert ist, in denen sich gleiche
Bezugsziffern auf dieselben Teile in all den verschiedenen Ansichten
beziehen. Der Deutlichkeit halber und zur Vereinfachung der Beschreibung
sind die Zeichnung nicht unbedingt maßstabsgetreu, sondern es wird
stattdessen Wert auf die Illustration der Grundsätze der Erfindung gelegt.
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1 ist
eine auseinander gezogene Ansicht einer Verbinderbaugruppe, die
gemäß einer Ausgestaltung
der Erfindung hergestellt wurde.
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2 ist
der Rückwandplatinenverbinder von 1.
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3 ist
die Rückwandplatinenabschirmungsplatte 130 von 1.
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4 ist
eine alternative Ansicht eines repräsentativen Signalwafers von 1.
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5 ist
eine Ansicht der Tochterkartenabschirmungsplatte 140 von 1 vor
dem Formen.
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6 ist
eine Schnittansicht von oben auf ein Abschirmungsmuster, das dann
entsteht, wenn die beiden Stücke
des Verbinders von 1 zusammengesteckt werden.
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7 ist
eine alternative Ausgestaltung des Verbinders 100 von 1.
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8 ist
eine alternative Ausgestaltung des Wafers von 4.
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9 ist
eine alternative Ausgestaltung des Rückwandplatinenverbinders von 2.
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10 ist
eine alternative Ausgestaltung der Rückwandplatinenabschirmungsplatte
von 3.
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11 ist
eine alternative Ausgestaltung der Tochterkartenabschirmungsplatte
von 5.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNG
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1 ist
eine auseinander gezogene Ansicht einer Verbinderbaugruppe 100,
die gemäß einer Ausgestaltung
der Erfindung hergestellt wurde. Die Verbinderbaugruppe 100 beinhaltet
zwei Stücke.
Das erste Stück
ist mit einer Tochterkarte 102 verbunden und kann als Tochterkartenverbinder 120 bezeichnet werden.
Das zweite Stück
ist mit einer Rückwandplatine 104 verbunden
und kann als Rückwandplatinenverbinder 110 bezeichnet
werden. Der Tochterkartenverbinder 120 und der Rückwandplatinenverbinder 110 können ineinander
gesteckt werden und bilden gemeinsam einen Substrat-mit-Substrat-Verbinder. Hier
ist der Verbinder als eine Rückwandplatine
und eine Tochterkarte verbindend dargestellt und beschrieben. Die
hierin beschriebenen Techniken können
jedoch auch in anderen Substrat-mit-Substrat-Verbindern
sowie in Kabel-mit-Substrat-Verbindern implementiert werden.
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Im
Allgemeinen werden mehrere Rückwandplatinenverbinder
mit einer Rückwandplatine
verbunden und Seite an Seite ausgerichtet. Dementsprechend werden
mehrere Tochterkartenverbinder auf einer Tochterkarte vorgesehen,
die mit den mehreren Rückwandplatinenverbindern
zusammengesteckt werden. Hier sind illustrationshalber und zur Erleichterung
der Beschreibung nur ein einziger Rückwandplatinenverbinder 110 und
ein Tochterkartenverbinder 120 dargestellt.
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Wieder
mit Bezug auf 2, der Träger für den Rückwandplatinenverbinder 110 ist
ein Kontaktschutz 122, der vorzugsweise durch einen Einspritzformprozess
unter Verwendung eines Isoliermaterials gebildet wird. Geeignete
Isoliermaterialien sind ein Plastik wie z.B. ein Flüssigkristallpolymer
(LCP), ein Polyphenylinsulfid (PPS) oder ein Hochtemperaturnylon.
Der Kontaktschutz 122 beinhaltet Seitenwandrillen 124 auf
gegenüberliegenden
Seiten des Kontaktschutzes 122. Wie nachfolgend erörtert wird, werden
diese Seitenwandrillen 124 verwendet, um Elemente des Tochterkartenverbinders 120 auszurichten,
wenn die beiden Verbinder 110, 120 zusammengesteckt
werden. Über
den Boden des Kontaktschutzes 122, lotrecht zu den Seitenwandrillen,
verläuft
eine Mehrzahl von schmalen Rillen oder Gräben 125, die eine
Rückwandplatinenabschirmung 130 aufnehmen.
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Der
Rückwandplatinenverbinder 110 hat eine
Anordnung von Signalleitern, die Signale zwischen der Rückwandplatine 104 und
der Tochterkarte 102 übertragen,
wenn der Rückwandplatinenverbinder 110 mit
dem Tochterkartenverbinder 120 zusammengesteckt wird. An
einem ersten Ende der Signalleiter sind Steckkontakte 126 angeordnet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung haben die Steckkontakte 126 die
Form von Signalmesserkontakten 126 und sind so konfiguriert,
dass ein Pfad für
die Übertragung
eines Differenzsignals entsteht. Ein Differenzsignal wird von einem
Paar Leiterpfaden 126a, 126b zugeführt, das
typischerweise als Differenzpaar bezeichnet wird. Die Spannungsdifferenz
zwischen den beiden Pfaden repräsentiert
das Differenzsignalpaar. In einer bevorzugten Ausgestaltung gibt
es acht Reihen von Signalmesserkontakten 126 in jeder Spalte.
Diese acht Signalmesserkontakte können so konfiguriert werden,
dass acht einendige Signale oder, wie oben erwähnt, vier Differenzsignalpaare entstehen.
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Die
Signalmesserkontakte 126 verlaufen durch den Kontaktschutz 122 und
enden in Endelementen 128, die in der bevorzugten Ausgestaltung für eine Presspassung
in Signallöcher 112 in
der Rückwandplatine 104 gestaltet
sind. Signallöcher 112 sind
plattierte Durchkontaktlöcher,
die mit Signalbahnen in der Rückwandplatine 104 verbunden
sind. 1 zeigt die Endelemente als „Nadelöhr"-Enden, aber
die Endelemente 128 können
verschiedene Formen haben, wie z.B. Oberflächenmontageelemente, Federkontakte,
lötbare
Pins usw.
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Mit
Bezug auf 3, eine Mehrzahl von Abschirmungsplatten 130 ist
zwischen den Spalten von Signalmesserkontakten 126 vorgesehen,
die jeweils in einem aus der Mehrzahl von Gräben 125 angeordnet
sind. Die Abschirmungsplatten 126 können aus einer Kupferlegierung
wie Berylliumkupfer oder, typischer, aus Messing oder Phosphorbronze
gebildet sein. Die Abschirmungsplatten 130 werden auch
in einer geeigneten Dicke im Bereich von 8 – 12 mil ausgebildet, um die
Struktur stabiler zu machen.
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In
einer einendigen Ausgestaltung sind die Abschirmungsplatten zwischen
den Spalten von Signalmesserkontakten 126 angeordnet. In
der bevorzugten Ausgestaltung sind die Abschirmungsplatten 130 zwischen
Paaren von Signalmesserkontakten 126 angeordnet. Die Abschirmungsplatten 130 sind im
Wesentlichen planar und enden an einem Basisende in Endelementen 132,
die für
eine Presspassung in Masselöcher 114 in
der Rückwandplatine 104 gestaltet
sind. In der bevorzugten Ausgestaltung haben die Endelemente 132 die
Form von „Nadelöhr"-Kontakten. Masselöcher 114 sind
plattierte Durchkontaktlöcher,
die mit Masseebenen auf der Rückwandplatine 104 verbunden
sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung beinhaltet die Abschirmungsplatte 130 zehn
Endelemene 132. Ein abgeschrägter Rand (nicht beschriftet)
ist am oberen Ende der Abschirmungsplatte 130 vorgesehen.
In einer Ausgestaltung beinhalten die Abschirmungsplatten 130 Verstärkungsrippen 134 auf
einer ersten Fläche der
Abschirmungsplatte 130.
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Wieder
mit Bezug auf 1, der Tochterkartenverbinder 120 ist
ein modularer Verbinder. Das heißt, er beinhaltet eine Mehrzahl
von Modulen oder Wafern 136. Die Mehrzahl von Wafern werden
von einem Verstärkungsteil 142 aus
Metall getragen. Hier ist ein repräsentativer Abschnitt des Verstärkungsteils 142 aus
Metall dargestellt. Ebenso ist ein beispielhafter Wafer 136 dargestellt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung beinhaltet der Tochterkartenverbinder 120 eine
Mehrzahl von nebeneinander gestapelten Wafern, wobei jeder Wafer
von dem Verstärkungsteil 142 aus
Metall gelagert wird.
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Der
Verstärkungsteil 142 aus
Metall wird im Allgemeinen von einem Metallband gebildet, typischerweise
aus Edelstahl oder einem extrudierten Aluminium, und eine Mehrzahl
von Durchbrüchen 162 wird
daraus ausgestanzt. Die Mehrzahl von Durchbrüchen 162 ist so gestaltet,
dass sie Merkmale 158 von jedem aus der Mehrzahl von Wafern 136 aufnimmt,
die gemeinsam die Wafer 136 festhalten. Hier weist der
Verstärkungsteil 142 aus
Metall drei Durchbrüche 162 zum
Halten der Waferposition; ein erster 162a befindet sich
an einem ersten Ende, der zweite 162b befindet sich in
einer Krümmung
von im Wesentlichen 90 Grad in dem Verstärkungsteil
aus Metall, der dritte 162c befindet sich an einem zweiten Ende
des Verstärkungsteils 142 aus
Metall. Wenn sie befestigt ist, dann greift der Verstärkungsteil 142 aus Metall
in jeden der beiden Ränder
an den Wafern 136 an.
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Jeder
Wafer 136 hat einen Signalteil 148 und einen Abschirmungsteil 140.
Sowohl der Signalteil 148 als auch der Abschirmungsteil 140 beinhalten
ein Isoliergehäuse 138, 139,
das aus einem Isoliermaterial Insert-geformt ist. Typische Materialien,
die zum Bilden der Gehäuse 138, 139 verwendet
werden, sind zum Beispiel Flüssigkristallpolymer
(LCP), Polyphenylinsulfid (PPS) oder ein anderes geeignetes hochtemperaturbeständiges Isoliermaterial.
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In
dem Isoliergehäuse 138 des
Signalteils 148 sind leitende Elemente angeordnet, die
von dem Isoliergehäuse 138 durch
jedes der beiden Enden nach außen
verlaufen. Die leitenden Elemente sind aus einer Kupferlegierung
wie Berylliumkupfer gebildet und aus einer Materialrolle mit einer
Dicke von etwa acht mil ausgestanzt.
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An
einem ersten Ende endet jedes leitende Element in einem Endelement 146,
das für
eine Presspassung in ein Signalloch 116 in der Tochterkarte 102 gestaltet
ist. Signallöcher 116 sind
plattierte Durchkontaktlöcher,
die mit Signalbahnen in der Tochterkarte 102 verbunden
sind. An einem zweiten Ende endet jedes leitende Element in einem
Steckkontakt 144. In einer bevorzugten Ausgestaltung hat der
Steckkontakt die Form einer Pfostenstruktur 144 zur Aufnahme
der Signalmesserkontakte 126 vom Rückwandplatinenverbinder 110.
Für jeden
Signalmesserkontakt 126, der im Rückwandplatinenverbinder 110 vorgesehen
ist, ist eine entsprechende Pfostenstruktur 144 im Tochterkartenverbinder 120 vorgesehen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind acht Reihen oder vier Differenzpaare
von Pfostenstrukturen in jedem Wafer 136 vorgesehen. Der
Abstand zwischen Differenzpaaren, über den Wafer gemessen, beträgt 1,6 mm
bis 1,8 mm. Der Abstand von Gruppe zu Gruppe, ebenfalls über den
Wafer gemessen, beträgt
etwa 5 mm. Das heißt,
der Abstand zwischen sich wiederholenden, identischen Merkmalen
wie z.B. zwischen dem linken Signalmesserkontakt 126 in
einem ersten Paar und dem linken Signalmesserkontakt 126 in
einem benachbarten Paar beträgt
5 mm.
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An
einem dritten und vierten Ende des Isoliergehäuses 138 befinden
sich mehrere Merkmale 158a – 158c, die in die
Verstärkungsteildurchbrüche 162 gesteckt
werden, um den Wafer 136 an dem Verstärkungsteil 142 zu
befestigen. Die Merkmale 158a, 158b am vierten
Ende haben die Form von Zungen, die im Isoliergehäuse ausgebildet
sind, während
das Merkmal 158c am dritten Ende eine Nabe ist, die so gestaltet
ist, dass sie im Presssitz in den dritten Durchbruch 162c im
Verstärkungsteil 142 aus
Metall passt.
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Der
Abschirmungsabschnitt des Wafers 136, auch als Abschirmung 140 bezeichnet,
ist aus einer Kupferlegierung, gewöhnlich Berylliumkupfer, gebildet
und wird aus einer Materialrolle mit einer Dicke von etwa acht mil
ausgestanzt. Wie oben beschrieben, befindet sich die Abschirmung
auch teilweise in Isoliermaterial.
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Das
Isoliermaterial an der Abschirmung 140 definiert eine Mehrzahl
von Hohlräumen 166,
in denen sich die Signalpfosten 144 befinden. Neben diesen
definierten Hohlräumen 166 am
ersten und am dritten Ende des Wafers 136 befinden sich
Kontaktschutzführungen 160a, 160b,
die in die Seitenwandrillen 124 des Rückwandplatinenverbinders 110 eingreifen,
wenn die Verbinder von Tochterkarte 120 und Rückwandplatine 110 zusammengesteckt
werden, wodurch die Ausrichtung unterstützt wird. Die Kombination aus
Seitenwandrillen 124 und Kontaktschutzführungen 160a, 160b verhütet eine
unerwünschte Rotation
der Wafer 136 und unterstützt einen gleichförmigen Abstand
zwischen den Wafern 136, wenn der Rückwandplatinenverbinder 110 und
der Tochterkartenverbinder 120 zusammengesteckt werden.
Der Waferpitch oder -abstand zwischen den Wafern liegt im Bereich
von 1,75 mm bis 2 mm, wobei ein bevorzugter Waferabstand 1,85 mm
beträgt.
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Die
Seitenwandrillen 124 bieten ebenfalls zusätzliche
Stabilität
für die
Wafer, indem die Kräfte der
Steckkontakte ausgeglichen werden. In der bevorzugten Ausgestaltung
werden die Signalmesserkontakte 126 des Rückwandplatinenverbinders 110 mit
den Signalpfosten 144 des Tochterkartenverbinders 120 zusammengesteckt.
Die Natur dieser Steckverbindung ist derart, dass die Kräfte von
den Pfosten alle auf eine einzige Seite oder Fläche der Messerkontakte aufgebracht
werden. Infolgedessen verlaufen die durch diese Steckverbindung
erzeugten Kräfte
alle in einer einzigen Richtung, ohne dass eine Gegenkraft zum Ausgleichen
des Drucks vorhanden wäre.
Die Seitenwandrillen 124 im Rückwandplatinenkontaktschutz 122 gleichen
diese Kraft aus und erzeugen somit Stabilität für den Verbinder 100.
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An
einem ersten Ende der Abschirmung 140 ist eine Mehrzahl
von Endelementen angeordnet. Jedes Endelement ist so gestaltet,
dass es im Presssitz in ein Masseloch 118 in der Tochterkarte 102 passt. Masselöcher 118 sind
plattierte Durchkontaktlöcher, die
mit Massebahnen in der Tochterkarte 102 verbunden sind.
In der illustrierten Ausgestaltung beinhaltet die Abschirmung 140 drei
Endelemente 152, aber in einer bevorzugten Ausgestaltung
sind vier Endelemente 152 vorgesehen. In einer bevorzugten
Ausgestaltung haben die Endelemente die Form von „Nadelöhr"-Elementen.
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An
einem zweiten Ende der Abschirmung 140 befinden sich Steckkontakte 150.
In der illustrierten Ausgestaltung haben die Steckkontakte 150 die Form
von Pfosten, die so gestaltet sind, dass sie den abgeschrägten Rand
der Rückwandplatinenverbinderabschirmung 130 aufnehmen.
Die resultierende Verbindung zwischen den Abschirmungen 130, 140 ergibt
einen Massepfad zwischen der Tochterkarte 102 und der Rückwandplatine 104 durch
die Verbinder 110, 120.
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4 zeigt
einen zusammengesetzten Wafer. Wenn der Signalteil 148 und
der Masseteil 140 des Wafers 136 zusammengesetzt
sind, dann sind die Signalendelemente 146 und die Masseendelemente 152 in
einer Linie angeordnet, die eine einzige Ebene definiert. Wie gezeigt,
ist ein einzelnes Masseendelement 152 zwischen jedem Paar
Signalendelementen 146 angeordnet.
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5 zeigt
die Abschirmung 140 vor dem Formprozess. Sie beinhaltet
Flügel 154a, 154b,
die auf gegenüberliegenden
Seiten der Abschirmung 140 angeordnet sind. In dem fertigen
Wafer 136 befinden sich diese Flügel 154a, 154b in
dem Isoliermaterial, das die Kontaktschutzführungen 160a, 160b bildet.
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Im
Allgemeinen wird zum Ausbilden der Flügel 154a, 154b die
Abschirmung 140 zunächst
aus einer Metallblechrolle, typischerweise aus einer Kupferlegierung
wie Berylliumkupfer, ausgestanzt. Die Flügel 154a, 154b werden
aus der Ebene der Abschirmung 140 gebogen, so dass ein
Winkel von im Wesentlichen 90° zur
Abschirmung 140 entsteht. Die resultierenden Flügel 154a, 154b bilden
somit neue Ebenen, die im Wesentlichen lotrecht zur Ebene der Abschirmung 140 sind.
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Die
Abschirmung 140 beinhaltet auch die zuvor beschriebenen
Endelemente 152a – 152c,
die Abschirmungsendpfosten 150a – 150c und eine Mehrzahl
von Abschirmungsfingern 170a – 170d. Die Abschirmungsfinger 170a – 170d sind
neben den Steckkontakten 150a – 150c sowie zwischen
den Flügeln 154a, 154b angeordnet.
Verstärkungsrippen 172 sind
auf der Fläche
der Abschirmungsfinger 170a – 170d vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind vier Abschirmungsfinger 170a – 170d mit
zwei Verstärkungsrippen 172aa – 172db vorgesehen,
die auf jedem Abschirmungsfinger 170a – 170d angeordnet
sind, um den durch die gegenüberliegenden
Steckkontakte ausgeübten
Kräften
entgegenzuwirken.
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Auf
der Fläche
der Abschirmung 140 befindet sich auch eine Mehrzahl von
vorstehenden Öffnungen
oder Ösen 156,
die zum Zusammenhalten der Abschirmung 140 und des Signalteils 148 des Wafers 136 dienen.
Der Signalteil 148 beinhaltet Durchbruch- oder Ösenfassungen 164 (4), durch
die diese Ösen 156 gesteckt
werden können. Nach
dem Einführen
kann ein vorderer Rand (nicht beschriftet) der Ösen 156 zurückgerollt
werden, so dass er in die Fläche
des Signalteils um die Ösenfassungen 164 herum
eingreift und so die Abschirmung 140 und den Signalteil 148 aneinander
verriegelt.
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Die
Illustration zeigt die Abschirmung 140 ferner mit Durchflusslöchern 168.
Durchflusslöcher 168 nehmen
das Isoliermaterial auf, das während des
Insert-Formprozesses auf die Abschirmung 140 aufgebracht
wird. Das Isoliermaterial lagert sich in den Durchflusslöchern 168 ab,
so dass eine stärkere Bindung
zwischen dem Isoliermaterial und der Abschirmung 140 entsteht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein einziges Durchflussloch 168 auf
der Fläche
jedes Abschirmungsfingers 170a – 170d und in der
Krümmung
von jedem der Flügel 154a, 154b vorgesehen.
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In
der illustrierten Ausgestaltung sind Steckkontakte 150a – 150c bogenförmige Pfosten,
die an beiden Enden an einem Rand von einem der Abschirmungsfinger 170b – 170d befestigt
sind. Wie die Flügel 154a, 154b,
so werden die Steckkontakte 150a – 150c gewöhnlich nach
dem Ausstanzen der Abschirmung aus der Ebene der Abschirmung 140 heraus gebogen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind wenigstens zwei Krümmungen
in den Abschirmungsabschlusspfosten 150a – 150c ausgebildet,
um eine ausreichende Federkraft zu erzeugen.
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Die
Lücken
(nicht beschriftet), die entstehen, wenn die Steckkontakte 150a – 150c in
ihre Position gebogen werden, nehmen den abgeschrägten Rand der
Rückwandplatinenabschirmung 130 auf,
wenn die beiden Verbinder 110, 120 zusammengesteckt werden.
Die Lücken
haben jedoch keine Breite, die ausreicht, um den abgeschrägten Rand
der Rückwandplatinenabschirmung 130 frei
aufzunehmen. Demgemäß werden
die Steckkontakte 150a – 150c durch die Rückwandplatinenabschirmung 130 verdrängt. Durch
die Verdrängung
entsteht eine Federkraft in den Steckkontakten 150a – 150c,
so dass ein effektiver elektrischer Kontakt zwischen den Abschirmungen 130, 140 entsteht
und der Massepfad zwischen den Verbindern 110, 120 vervollständigt wird.
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6 ist
eine Schnittansicht von oben auf ein Abschirmungsmuster, das entsteht,
wenn die beiden Stücke
des Verbinders 100 von 1 zusammengesteckt
werden. In dem Diagramm sind nur bestimmte der Elemente des Rückwandplatinenverbinders 110 und
des Tochterkartenverbinders 120 dargestellt.
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Insbesondere
sind die Abschirmungen für Rückwandplatine 130 und
Tochterkarte 140, die Signalmesserkontakte 126 und
die Seitenwandrillen 124 des Kontaktschutzes 122 vorhanden.
Ferner sind mit Bezug auf eine repräsentative Tochterkartenabschirmung 140a ein
Umriss, der das Isoliermaterial um die Abschirmung 140a herum
repräsentiert,
die entsprechenden Pfostenstrukturen 144 vom Tochterkartenverbinder 120 und
die Steckkontakte 150 dargestellt.
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Im
zusammengesteckten Zustand bilden die Abschirmungsplatten 130, 140 in
jedem Verbinder 110, 120 ein Gittermuster. In
jeder Zelle des Gitters befindet sich ein Signalkontakt. Hier ist
der Signalkontakt ein Differenzpaar, das sich aus zwei Signalmesserkontakten 126 vom
Rückwandplatinenverbinder 110 und
zwei Pfostenstrukturen 144 vom Tochterkartenverbinder 120 zusammensetzt.
In einer einendigen Ausgestaltung umfassen ein einzelner Signalmesserkontakt 126 und
eine einzelne Pfostenstruktur 144 den Signalkontakt.
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Die
in 6 dargestellte Abschimungskonfiguration isoliert
jeden Signalkontakt von jedem benachbarten Signalkontakt, indem
eine Kombination aus einer oder mehreren der Rückwandplatinenabschirmungen 130 und
einer oder mehreren der Tochterkartenabschirmungen 140 zwischen
einem Signalkontakt und seinem angrenzenden Kontakt bereitgestellt
wird. Darüber
hinaus ist zu bemerken, dass die Flügel 154a, 154b,
die sich auf beiden Seiten der Tochterkartenabschirmung 140 befinden,
ferner Crosstalk zwischen Signalkontakten verhüten, die sich neben den Seitenwänden des
Kontaktschutzes 122 befinden, und außerdem eine symmetrische Massekonfiguration
zur Bereitstellung eines ausgeglichenen Differenzpaares bilden.
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7 zeigt
eine alternative Ausgestaltung des Verbinders 100'. In der Darstellung
beinhaltet der Verbinder 100' einen
Rückwandplatinenverbinder 200 und
einen Tochterkartenverbinder 210. Der Tochterkartenverbinder 210 beinhaltet
eine Mehrzahl von Wafern 236, die auf einem Verstärkungsteil 142 aus
Metall gehalten werden. Es sind zwei repräsentative Wafer 236 dargestellt.
Die Wafer 236 beinhalten eine Mehrzahl von Kontaktenden 246, 252,
die so gestaltet sind, dass sie an der ersten Leiterplatte 102 befestigt
werden. Die Wafer beinhalten ferner eine Mehrzahl von Signalpfosten 244,
die so gestaltet sind, dass sie mit den vom Rückwandplatinenverbinder 200 weg
verlaufenden Signalmesserkontakten 226 zusammengesteckt
werden.
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Zwischen
den Signalpfosten 244 ist eine Mehrzahl von Steckkontakten 250 angeordnet.
Die Steckkontakte 250 sind so gestaltet, dass sie einen abgeschrägten Rand
einer Rückwandplatinenabschirmung 230 im
Rückwandplatinenverbinder 200 aufnehmen.
Gemäß der Darstellung
beinhaltet die Rückwandplatinenabschirmung 230 auch
eine Mehrzahl von Endelementen 232, die so gestaltet sind, dass
sie im Presssitz in die zweite Leiterplatte 104 passen.
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8 zeigt
einen Wafer 236, der einen Signalteil 248 und
einen Abschirmungsteil 240 aufweist. Der Signalteil 248 beinhaltet
ein Isoliergehäuse 238, das
vorzugsweise Insert-einspritzgeformt ist. Ein Hochtemperatur-Isoliermaterial
wie LCP oder PPS ist zur Bildung des Isoliergehäuses 238 geeignet.
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Gemäß der Darstellung
beinhaltet der Signalteil 248 Kontaktenden 246 und
Signalpfosten 244. Hier sind die Kontaktenden 246 und
die Signalpfosten 244 als Differenzpaare konfiguriert,
so dass ein Differenzsignal davon entsteht, aber es kann auch eine
einendige Konfiguration vorgesehen werden. Der Signalteil 248 beinhaltet
auch Ösenfassungen 264,
die Ösen 256 vom
Abschirmungsteil 240 des Wafers 236 aufnehmen.
Die Ösen 256 werden
in die Ösenfassungen 264 gesteckt
und radial nach außen gegen
die Oberfläche
des Signalteils 248 gerollt, so dass die beiden Teile aneinander
verriegelt werden.
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Ein
unterer Abschnitt des Abschirmungsteils 240 oder der Abschirmung 240 ist
mit einem Isoliermaterial wie LCP oder PPS Insert-geformt. Das Isoliergehäuse bildet
eine Mehrzahl von Hohlräumen 266,
die die Signalpfosten vom Signalteil 248 aufnehmen. Ein
Boden jedes Hohlraums 266 weist einen Durchbruch 340 auf,
durch den die Signalmesserkontakte 226 vom Rückwandplatinenverbinder 200 Zugang
zu den Signalpfosten 244 des Tochterkartenverbinders 210 erhalten.
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Gemäß der Darstellung
hat die Abschirmung 240 ferner Kontaktenden 252 und
Steckkontakte 250. Die Steckkontakte werden in Verbindung
mit 11 ausführlicher
beschrieben.
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9 zeigt
den Rückwandplatinenverbinder 200 mit
einem Kontaktschutz 222. Der Kontaktschutz 222 ist
aus einem Metall, vorzugsweise aus Druckgusszink, gebildet. Der
Kontaktschutz beinhaltet Seitenwandrillen 224, die unter
anderem den Zweck haben, die Wafer 236 in ihre richtige
Position im Kontaktschutz 222 zu führen. Die Seitenwandrillen 224 befinden
sich an gegenüberliegenden
Wanden des Kontaktschutzes 222.
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Auf
dem Boden des Kontaktschutzes 222 befinden sich eine Mehrzahl
von Durchbrüchen 234 sowie
eine Mehrzahl von schmalen Gräben 225.
Die meisten Durchbrüche 234,
hier rechteckig geformt, sind so gestaltet, dass sie einen Block
aus Isoliermaterial 300, vorzugsweise aus LCP, PPS oder
einem anderen temperaturbeständigen
Isoliermaterial, aufnehmen. Der Isolierblock 300 wird nach
dem Gießen des
Kontaktschutzes in die Durchbrüche 234 gepresst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Mehrzahl von Isolierblöcken 300 an
einer Isoliermaterialplatte angebracht, um Handhabung und Einführen praktischer
zu machen.
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Jeder
Isolierblock 300 hat wenigstens einen Kanal 310,
der zur Aufnahme eines Signalmesserkontakts 226 gestaltet
ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung, in der der Verbinder 100' zur Übertragung von
Differenzsignalen konfiguriert ist, beinhaltet der Isolierblock 300 zwei
Kanäle 310 zur
Aufnahme eines Paares von Signalmesserkontakten 226. Die
Signalmesserkontakte 226 werden in den Isolierblock 300 gepresst,
der wiederum in den Kontaktschutz 222 aus Metall gepresst
wird. Vom Boden des Isolierblocks 300 ausgehend verlaufen
Kontaktenden 228, die so gestaltet sind, dass sie im Presssitz
in die zweite Leiterplatte 104 passen.
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Hier
bieten die rechteckig geformten Durchbrüche 234 eine zusätzliche
Abschirmung gegen Crosstalk für
Signale, die durch den Rückwandplatinenverbinder 200 laufen.
Der Isolierblock 300 isoliert die Signalmesserkontakte 226 gegen
den Metallkontaktschutz 222.
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In
der Figur hat der Rückwandplatinenverbinder 200 ferner
eine Mehrzahl von Rückwandplatinenabschirmungen 230,
die in die schmalen Gräben 225 eingeführt werden,
die sich am Boden des Metallkontaktschutzes 222 befinden.
Vom Boden des Metallkontaktschutzes 222 ausgehend verlaufen
die Kontaktenden 232. Gemäß der Darstellung beinhaltet
die Rückwandplatinenabschirmung 230 eine Mehrzahl
von Abschirmungspfosten 320. Die Rückwandplatinenabschirmung beinhaltet
auch Mittel zum Vereinigen der Massen oder, spezifischer ausgedrückt, Mittel
zum elektrischen Verbinden der Rückwandplatinenabschirmung 320 mit
dem Metallkontaktschutz 222. Hier sind die Mittel zum Vereinigen der
Massen als eine Mehrzahl von leichten Presspassungskontakten 231 dargestellt.
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Die
Abschirmungspfosten 320 funktionieren im Einklang mit den
Steckkontakten 250 des Wafers 236, um einen kompletten
Massepfad durch den Verbinder 100' bereitzustellen. Das Zwischenspiel
dieser Merkmale sowie zusätzliche
Details in Bezug auf die Rückwandplatinenabschirmung 230 und
eine im Wafer 236 des Tochterverbinders 210 befindliche
Abschirmung 240 werden in Verbindung mit den 10 und 11 unten
ausführlicher
beschreiben.
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Mit
Bezug auf 10, die Rückwandplatinenabschirmung 230 ist
aus einer Kupferlegierung wie Berylliumkupfer, Messing oder Phosphorbronze gebildet.
Die Abschirmungspfosten 230 werden aus der Rückwandplatinenabschirmung 230 ausgestanzt und
aus der Ebene der Rückwandplatinenabschirmung
heraus gebogen. Die Abschirmungspfosten werden ferner so bearbeitet,
dass sie einen gekrümmten
oder bogenförmigen
Bereich 322 an einem distalen Ende des Pfostens 320 haben.
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Auch
mit Bezug auf 11, dort ist die Abschirmung 240 des
Tochterkartenverbinders 210 so dargestellt, dass sie eine
Mehrzahl von Steckkontakten 250 aufweist. Jeder Steckkontakt 250 beinhaltet einen
Schlitz (nicht nummeriert) und einen Tochterkartenabschirmungspfosten 251.
Die Tochterkartenabschirmungspfosten 251 werden aus der
Tochterkartenabschirmung 240 ausgestanzt und aus der Ebene
der Abschirmung 240 heraus gebogen. Ein distales Ende des
Abschirmungspfostens 251 wird so gebogen, dass eine kurze
Zunge 249 entsteht, die sich in einem Winkel vom Boden
des Pfostens 251 erstreckt.
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Im
zusammengesteckten Zustand wird der abgeschrägte Rand der Rückwandplatinenabschirmung 230 in
den Steckkontakt 250 der Tochterkartenabschirmung 240 gesteckt,
spezifischer ausgedrückt
im Schlitz des Steckkontakts 250 aufgenommen. Ein elektrischer
Kontakt wird ferner dann hergestellt, wenn der Rückwandplatinenabschirmungspfosten 320 in
den Tochterkartenabschirmungspfosten 251 eingreift. In
einer bevorzugten Ausgestaltung greift der gekrümmte Bereich 322 des
Rückwandplatinenabschirmungspfostens 320 elastisch
in die kurze Zunge 249 des Tochterkartenabschirmungspfostens 251 ein.
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Die
Tochterkartenabschirmung 240 beinhaltet ferner Abschirmungsflügel 254,
die auf gegenüberliegenden
Seiten der Abschirmung 240 neben den Steckkontakten 250 und
den Tochterkartenabschirmungspfosten 251 angeordnet sind.
Die Abschirmungsflügel
bieten zusätzlichen
Schutz gegen Crosstalk, das an Rändern
des Verbinders in der Nähe
der Seitenwandrillen 224 auftritt.
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Eine
Fläche
der Tochterkartenabschirmung 240 weist ferner Verstärkungsrippen 272 auf.
Die Verstärkungsrippen
bieten zusätzliche
Stabilität
und Unterstützung
für die
Tochterkartenabschirmung 240 im Hinblick auf die Kräfte, die
durch die Steckverbindung zwischen den beiden Abschirmungen 230, 240 entstehen.
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Es
wurden zwar mehrere Ausgestaltungen beschrieben, aber es sind auch
zahlreiche alternative Ausgestaltungen oder Variationen möglich. So
sind beispielsweise der Kontakttyp, der zum Verbinden der Verbinder
der Rückwandplatine 110 oder
der Tochterkarte 120 mit ihrer jeweiligen Leiterplatte 104, 102 beschrieben
wurde, vornehmlich als Nadelöhrverbinder
beschrieben. Es können
aber auch andere ähnliche
Verbindertypen zum Einsatz kommen. Spezifische Beispiele sind unter
anderem Oberflächenmontageelemente,
Federkontakte, lötfähige Pins usw.
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Darüber hinaus
ist der Abschirmungsabschlusspfostenkontakt 150 als ein
bogenförmiger Pfosten
beschrieben. Andere Strukturen sind ebenso denkbar, um die gewünschte Funktion
bereitzustellen, wie z.B. freitragende Pfosten.
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Als
weiteres Beispiel wurde ein Differenzverbinder beschrieben, bei
dem Signalleiter paarweise bereitgestellt werden. Jedes Paar soll
in einer bevorzugten Ausgestaltung ein Differenzsignal führen. Der Verbinder
kann auch zum Führen
von einendigen Signalen verwendet werden. Alternativ könnte der
Verbinder mit denselben Techniken hergestellt werden, aber mit einem
einzigen Signalleiter anstatt jedes Paares. Der Abstand zwischen
Massekontakten könnte
in dieser Konfiguration reduziert werden, so dass ein dichterer
Verbinder entsteht.
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Auch
wurde der Verbinder in Verbindung mit einer Anwendung in einer rechtwinkligen
Baugruppe aus Tochterkarte und Rückwandplatine
beschrieben. Die Erfindung ist aber darauf nicht beschränkt. Ähnliche
Strukturen könnten
für Kabelverbinder,
Mezzanin-Verbinder oder Verbinder mit anderen Formen verwendet werden.
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Ferner
wurden die Verbinder so beschrieben, dass sie von einem Verstärkungsteil
aus Metall getragen werden. Alternativ könnten die Wafer jedoch auch
von einem Verstärkungsteil
aus Plastik getragen oder zusammengeklebt werden.
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Auch
an Struktur oder Aufbau des Isoliergehäuses sind Variationen möglich. Die
bevorzugte Ausgestaltung wurde zwar in Verbindung mit einem Insert-Formprozess
beschrieben, aber der Verbinder könnte auch dadurch hergestellt
werden, dass zunächst
ein Gehäuse
geformt und dann leitende Elemente in das Gehäuse eingeführt werden.
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Darüber hinaus
können
andere Kontaktstrukturen zum Einsatz kommen. So können z.B.
gegenüberliegende
Pfostenfassungen anstatt der erwähnten
Messerkontakt- und Pfostensteckstrukturen verwendet werden. Alternativ
könnten
die Orte der Messerkontakte und Pfosten umgekehrt werden. Weitere
Variationen sind unter anderem Änderungen an
der Form der Enden. Lötenden
für eine
Durchkontaktlochbefestigung könnten
verwendet werden, oder es könnten
Leitungen für
Oberflächenmontagelöten verwendet
werden. Es könnten
Druckmontageenden sowie andere Befestigungsformen zum Einsatz kommen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde zwar besonders mit Bezug auf deren bevorzugte
Ausgestaltungen dargestellt und beschrieben, aber die Fachperson
wird verstehen, dass verschiedene Änderungen im Hinblick auf Form
und Details hierin vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung
abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.