DE69532012T2

DE69532012T2 - Einbau von Anschlussstiften in einem Substrat

Info

Publication number: DE69532012T2
Application number: DE69532012T
Authority: DE
Inventors: Robert M. Maple Park Fuerst; Fred Love Chicago Krehbiel
Original assignee: Molex LLC
Current assignee: Molex LLC
Priority date: 1994-01-28
Filing date: 1995-01-25
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2015-01-26
Also published as: SG43052A1; EP0665609B1; JPH07226238A; ES2208659T3; DE69532012D1; EP0665609A3; JP2787761B2; US5384435A; KR950024376A; EP0665609A2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische oder elektronische Verbindungsvorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei einer solchen Vorrichtung wird ein Anschlussstift elektrisch in einem Loch eines flachen flexiblen Substrates angeschlossen.
Hintergrund der Erfindung
Eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus US-A 4 970 624 bekannt. Ein flaches, flexibles, dielektrisches Substrat mit einer auf diesem befindlichen leitfähigen dünnen Schicht, auch als Film bezeichnet, wird durchstochen, um ein Loch in diesem einzubringen. Ein solches durchstochenes Loch ist normalerweise kein rundes Loch mit gegebenem Durchmesser, in jedem Fall wird es nach innen gerichtete Kräfte auf den Anschlussstift erzeugen. Zur Herstellung einer ausreichenden elektrischen und mechanischen Verbindung zwischen dem Anschlussstift und der flachen flexiblen Schaltung wird ein leitfähiger Klebstoff auf dem leitfähigen Film aufgebracht, bevor dieser von dem Anschlussstift durchstochen wird.
Obgleich solche elektrischen Verbindungen im Allgemeinen ihre beabsichtigten Zwecke erfüllen, macht die Verwendung von Lötmaterialien, leitfähigen Klebstoffen, Z-Achsen-Epoxidharz oder anderen ähnlichen Materialien sekundäre Arbeitsvorgänge erforderlich, um die Leitfähigkeit zwischen dem Anschlussstift und dem flachen Leiter auf dem flachen flexiblen Substrat herzustellen. Zusätzlich zu dem Zeitaufwand und den Kosten der sekundären Arbeitsvorgänge sind die Materialien selbst relativ teuer.
Eine Schaltungsplatte, die eine im Wesentlichen starre Platte und eine separat ausgebildete flexible Folie umfasst, ist aus EP A 0 303 485 bekannt, wobei ein Stift derart durch einen elektrisch leitfähigen Streifen oder Flecken auf der flexiblen Schicht hindurch gedrückt wird, dass ein durchstochenes Loch erzeugt wird, in dem der elektrische Kontakt zu dem Stift hergestellt wird. Es wird in Erwägung gezogen, einen speziellen Stanzstift oder Stanzstifte zu verwenden, um das Loch oder die Löcher vor dem Einfügen des Kontaktstifts oder der Kontaktstifte auszubilden. Es ist nicht erwähnt, dass das Loch rund ist und dass eine bestimmte Differenz im Durchmesser zwischen dem Loch und dem Anschlussstift eingehalten wird.
Es ist bereits bekannt, ein Loch durch einen Stapel von flexiblen, gedruckten Schaltungsplatinen hindurch mit Hilfe eines Metallrohrs zu erzeugen (GB-A 1 142 160). Durch diese gestanzten Löcher wird ein starrer Leiter durchgeführt, und ein Teil des Kontaktfleckens wird in das Loch hinein gebogen. Der Leiter wird dann mit Hilfe von Lot mit dem Kontaktflecken verbunden.
Eine mehrschichtige gedruckte Schaltungsplatinenanordnung ist aus GB-A-1,134,376 bekannt. Ein starrer Stift wird durch ausgerichtete Löcher eines Stapels von Schaltungsplatten durchgeführt, die jeweils Lötaugen um die Löcher herum aufweisen. Jede einzelne Platte ist typischerweise 0,1 mm dick und trägt eine 70 μm dicke Leiterschicht. Wenn die Stifte durch die Löcher gedrückt werden, die einen geringeren Durchmesser aufweisen, wird, wie gezeigt, ein Teil des Materials des Lötauges in das Eintrittsende des Loches hinein gezogen, so dass ein hoher Kontaktdruck zwischen dem Stift und dem Ring des jeweiligen Loches von etwa 2 kg zustande kommt. Das Austrittsende des Loches wird nicht verformt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung soll die Notwendigkeit von Lot oder anderen leitfähigen Materialien in einer Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erübrigen.
Erfindungsgemäß wird ein neues und verbessertes System zum Einbau von Anschlussstiften in einer flachen flexiblen Schaltung zur Verfügung gestellt.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Erfindungsgemäß wird eine elektrische Verbindung zwischen dem Anschlussstift und dem flachen Leiter auf dem flachen flexiblen Substrat direkt hergestellt, indem die metallischen Grenzflächen zwischen dem Stift und dem flachen Leiter ähnlich zueinander sind und indem verschiedene Parameter des Stifts und des Substrates kontrolliert werden. Das Substrat ist ein flaches, flexibles, dielektrisches Substrat mit einer Dicke von weniger als 1,27 mm (0,050 Zoll) und weist ein generell rundes, vorgestanztes Loch mit vorgegebenem Durchmesser auf. In einem Bereich mindestens um das Loch herum ist ein duktiler, oder elastischer, leitfähiger Film auf dem Substrat aufgebracht. Ein allgemein runder Anschlussstift wird in das Loch in dem Substrat in Kontakt mit dem leitfähigen Film eingefügt. Der Stift weist einen vorgegebenen Durchmesser auf, der größer als der des Loches ist. Die Differenz zwischen dem Durchmesser des Stifts und dem Durchmesser des Loches liegt in der Größenordnung von 5 bis 50% des Durchmessers des Loches. Diese Parameter ergeben eine gute Verbindung zwischen dem Stift und dem leitfähigen Film auf dem flexiblen Substrat, d. h. durch das flexible Substrat und den duktilen leitfähigen Film um den Anschlussstift herum wird ein kontrollierter Meniskus erzeugt, welcher eine bestimmte Presspassung zwischen der flachen flexiblen Schaltung und dem Anschlussstift ergibt.
Das Substrat ist vorzugsweise aus einem Material wie etwa Polyamid hergestellt, obgleich auch andere Materialien wie Polyester und dergleichen geeignet sind. Der duktile leitfähige Film kann aus Kupfermaterial oder aus leitfähigem Dickschichtmaterial bestehen.
Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der Anschlussstift und der duktile leitfähige Film beide mit einem gemeinsamen Plattierungsmaterial plattiert sind. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Plattierungsmaterial eine Zinn/Blei-Legierung.
Ein anderes Merkmal der Erfindung beinhaltet die Aufbringung eines Schmiermittels auf den Anschlussstift. Ein solches Schmiermittel verhindert oder reduziert zumindest die so genannte Reibkorrosion. Anders ausgedrückt neigen zwei Metalle, wenn sie aneinander reiben, dazu, Oxide zu bilden, was durch das Schmiermittel reduziert wird. Wenn Zinn/Blei-Grenzflächen verwendet werden, kann ein Polyphenolether-Schmiermittel genutzt werden.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich werden, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gegeben wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung, welche als neu erachtet werden, sind insbesondere in den anhängenden Ansprüchen ausgeführt. Die Erfindung kann zusammen mit ihren Aufgaben und Vorteilen am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung verstanden werden, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gegeben wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Figuren kennzeichnen und in welchen:
1 einen Schnitt durch die Verbindung zwischen einem Anschlussstift und einer flachen flexiblen Schaltung entsprechend dem Stand der Technik darstellt; und
2 einen Schnitt durch die Verbindung zwischen einem Anschlussstift und einer flachen flexiblen Schaltung entsprechend der Erfindung darstellt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Nehmen wir detaillierter auf die Zeichnungen und zunächst auf 1 Bezug, so ist in dieser eine generell mit 10 bezeichnete elektronische Vorrichtung oder elektrische Verbindung zwischen einem allgemein runden Anschlussstift 12 und einer generell mit 14 bezeichneten flachen flexiblen Schaltung entsprechend einem bekannten System nach dem Stand der Technik dargestellt. Speziell stellt 1 ein System dar, wie es in dem zuvor erwähnten US-Patent 4,970,624 offenbart ist.
Genauer gesagt umfasst die flache flexible Schaltung 14 in dem System aus 1 nach dem Stand der Technik ein flaches, flexibles, dielektrisches Substrat 16 mit einer darauf befindlichen duktilen, leitfähigen Schicht 18 oder Film. Der flache Leiter oder Film 18 kann aus Kupfermaterial mit einer Zinn/Blei-Plattierung auf einer Seite desselben (d. h. der Seite, an welcher der Anschlussstift 12 in Anlage kommt) bestehen. In dem Substrat 16 sind Schlitze vorgeschnitten, um das Einfügen des Anschlussstifts 12 durch die flache flexible Schaltung in Richtung des Pfeils "A" bis zu der in 1 gezeigten Stellung zu erleichtern. Ein Z-Achsen-leitfähiges Epoxidharz 20 wird entweder vor dem Einfügen durch die flache flexible Schaltung hindurch auf dem Anschlussstift 12 aufgebracht, oder das Epoxidharz wird vor dem Einfügen des Stifts auf dem Film 18 in einem Bereich um den Eindringpunkt des Anschlussstifts herum aufgebracht. Nach dem Zusammenbau härtet das Epoxidharz 20 aus und verfestigt sich an der Grenzfläche zwischen dem Anschlussstift 12 und dem leitfähigen Film 18, wie gezeigt ist.
Obgleich die Darstellung des Standes der Technik aus 1 und die vorstehende Beschreibung desselben lediglich repräsentativ sind, erfordern solche Systeme sekundäre Arbeitsvorgänge, sei es die Anwendung des leitfähigen Epoxidharzes, anderer Klebstoffe oder herkömmlichen Lötmaterials. Die sekundären Arbeitsvorgänge beinhalten das Aufbringen des Materials als auch die nachfolgende Aushärtung des Epoxidharzes oder erneute Verflüssigung des Lots. Die vorliegende Erfindung erübrigt diese teuren und zeitaufwändigen sekundären Arbeitsvorgänge vollständig, wie anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verständlich werden wird.
Insbesondere wird, Bezug nehmend auf 2, eine generell mit 22 bezeichnete elektronische Vorrichtung zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einem allgemein runden Anschlussstift 24 und einer generell mit 26 bezeichneten flachen flexiblen Schaltung dargestellt. Die flache flexible Schaltung umfasst ein flaches, dielektrisches Substrat 28, das anfangs mit einem vorgestanzten, allgemein runden Loch 30 mit vorgegebenem Durchmesser versehen wird. Das Substrat 28 ist weniger als 1,27 mm (0,050 Zoll) dick. Ein duktiler leitfähiger Film oder flacher Leiter 32 ist auf dem Substrat 28 in einem Bereich zumindest um das Loch 30 herum aufgebracht. Mit dem Begriff "rund", wie er vorliegend und in den zugehörigen Ansprüchen verwendet wird, um die Querschnittskonfiguration des Anschlussstifts 24 und die Konfiguration des Loches 30 zu beschreiben, ist keine Einschränkung auf einen exakt kreisförmigen Stift oder ein kreisförmiges Loch gemeint. Beispielsweise könnte ein elliptischer Stift in ein entsprechendes elliptisches Loch eingefügt werden, solange die kürzere und die längere Achse der beiden elliptischen Konfigurationen zueinander ausgerichtet sind. Außerdem ist, obgleich die 1 nur einen einzigen Stift zeigt, der in ein einziges Loch eingefügt ist, die Erfindung in elektronischen Vorrichtungen mit mehreren Leitungen anwendbar, die eine Mehrzahl von Stiften beinhalten, die einzeln oder gleichzeitig in eine entsprechende Mehrzahl von Löchern in der flachen flexiblen Schaltung 26 eingefügt werden.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, sowohl den Anschlussstift 24 als auch den leitfähigen Film 32 mit einem speziellen leitfähigen Material zu plattieren. Beispielsweise könnte der leitfähige Film 32 aus Kupfermaterial bestehen und mit einer Zinn/Blei-Legierung plattiert sein. Entsprechend ist der Anschlussstift 24 mit einer analogen Zinn/Blei-Legierung plattiert, um vorzugsweise eine Grenzfläche aus ähnlichem Metall zu bilden. Natürlich können auch andere Legierungen, wie etwa eine Zinn/Nickel-Legierung, verwendet werden.
Ein anderes bevorzugtes Merkmal der Erfindung besteht darin, vor dem Einfügen des Stifts in das Loch in der flachen flexiblen Schaltung ein Schmiermittel auf den Anschlussstift 24 aufzubringen. Das Schmiermittel ist bei 34 schematisch durch Strichlinien gezeigt. Das Schmiermittel beseitigt oder reduziert zumindest die "Reibkorrosion", die durch Oxide erzeugt wird, welche gebildet werden, wenn zwei Metalle aufeinander reiben. Bei einer Zinn/Blei-Grenzfläche wäre Polyphenolether ein geeignetes Schmiermittel. Das Schmiermittel erleichtert außerdem das Einfügen des Stifts in Richtung des Pfeils "B", genauso, wie es ein Abschaben oder Abplatzen des Plattierungsmaterials minimiert.
Wie zuvor angemerkt, ist das flache, flexible, dielektrische Substrat 28 weniger als 1,27 mm (0,050 Zoll) dick. Das Substrat kann aus verschiedenen Materialien bestehen, ein Polyamidmaterial, das von der DuPont Corporation unter der Marke KAPTON vermarktet wird, hat sich jedoch als effektiv erwiesen. Andere Materialien wie etwa ein Polyestermaterial, das unter der Marke MYLAR vermarktet wird, könnte ebenfalls verwendet werden. Das Loch 30 in dem flachen flexiblen Substrat wird vorgeformt, beispielsweise vorgestanzt, um zu verhindern, dass das Substratmaterial reißt oder "wegläuft", wenn ein Stift mit einem größeren Durchmesser als dem Durchmesser des Loches in das Loch eingefügt wird.
Die Erfindung schlägt die Nutzung eines Prinzips vor, das als "kontrollierter Meniskus" bezeichnet werden kann, wie bei 36 in 2 gezeigt ist. Anders ausgedrückt wird, um die Verwendung von Lot, Epoxidharzen oder dergleichen zu erübrigen, eine bestimmte Presspassung zwischen dem Anschlussstift 24 und der flachen flexiblen Schaltung 26 in dem gebogenen Bereich 36 erzeugt, wobei letzterer grundsätzlich einen verformten Umfangsrandbereich der Schaltung darstellt, durch welchen Normalkräfte auf den Anschlussstift in Richtung der Pfeile "C" ausgeübt werden, wenn der Stift in Richtung des Pfeils "B" eingefügt wird. Es ist festgestellt worden, dass dieser Bereich und die Presskräfte steuerbar sind, indem die relativen Durchmesser des Anschlussstifts 24 und des Loches 30 gesteuert werden: In der laufenden Praxis ist festgestellt worden, dass gute elektrische Verbindungen aufrechterhalten werden können, wenn die Differenz zwischen dem Durchmesser des Anschlussstifts 24 und dem Durchmesser des Loches 30 in der Größenordnung von 5 bis 50% des Durchmessers des Loches liegt. Dies könnte als so genannter Pressungsparameter bezeichnet werden. In der tatsächlichen Praxis ergaben sich unter Verwendung dieser Beziehung die folgenden experimentellen Ergebnisse:
Diese Presspassungsgrade wurden beibehalten, wobei das Substrat 28 in einer Polyamidschicht von entweder 0,127 mm (0,005 Zoll) Dicke oder 0,05 mm (0,002 Zoll) Dicke bestand und mit einem Kupferfilm 32 von 28,35 g (einer Unze) mit einer Zinn/Blei-Plattierung versehen war.
Durch Beibehaltung der Parameter analog zu den oben angegebenen wurde festgestellt, dass sich sekundäre Arbeitsvorgänge wie etwa das Löten des Anschlussstifts an den flachen Leiter der flachen flexiblen Schaltung oder die Verwendung von Epoxidharz oder anderen Klebstoffen zwischen dem Stift und der flexiblen Schaltung vollständig erübrigen können und dennoch eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Stift und dem flachen Leiter der flexiblen Schaltung aufrechterhalten wird.

Claims

Elektrische oder elektronische Verbindungsvorrichtung (22) zur Errichtung einer Verbindung zwischen einem generell runden Anschlussstift (24) und einer ebenen flexiblen Schaltung (26), umfassend ein ebenes flexibles dielektrisches Substrat (28) mit einem darin befindlichen Loch (30); einen duktilen leitenden Film (32) auf dem Substrat (28) in einem Bereich mindestens um das Loch (30) herum; wobei der Anschlussstift (24) in das Loch (30) in dem Substrat (28) in Kontakt mit dem leitenden Film (32) eingefügt wird, dadurch gekennzeichnet, dass i) das flache flexible dielektrische Substrat (28) weniger als 1,27 mm (0,050'') dick ist, dass das darin befindliche Loch (30) generell rund ist und mit vorgegebenem Durchmesser vorgestanzt ist; ii) der Anschlusstift (24) einen vorgegebenen Durchmesser größer als der des Loches (30) aufweist; iii) die elektrische oder elektronische Verbindungsvorrichtung eine elektrische Verbindung direkt zwischen dem Anschlussstift (24) und dem duktilen leitenden Film (32) ohne Anwendung von Lot oder leitfähigen Klebstoffen herstellt; und iv) die Differenz des Durchmessers des Stiftes (24) und des Loches (30) eine spezielle Differenz in der Größenordnung von 5% bis 50% des Durchmessers des Loches ist, und zwar gemäß dem Prinzip des Meniskus, und dass ein spezieller Eingriff zwischen dem Anschlussstift (24) und der flachen flexiblen Schaltung (26) herbeigeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Substrat (28) aus Polyamid-Material hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Substrat (28) aus Polyester-Material hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der duktile leitfähige Film (32) mit einem leitfähigen Material plattiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Anschlussstift (24) mit einem leitfähigen Material plattiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, worin der duktile leitfähige Film (32) und der Anschlussstift (24) mit einem gemeinsamen leitfähigen Plattierungsmaterial beschichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der duktile leitfähige Film (32) Aus Kupfer hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, worin der duktile leitfähige Film (32) mit einer Zinn/Blei-Legierung plattiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, worin der Anschlussstift (24) mit einer Zinn/Blei-Legierung plattiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die ein auf den Anschlussstif (24) aufgebrachtes Schmiermittel (34) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, worin das Schmiermittel (34) mindestens im Bereich des Kontaktes zu dem leitfähigen Film (32) zugegen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der duktile leitfähige Film (32) aus einem leitfähigen Dickfilm-Material besteht.