DE69721689T2

DE69721689T2 - Verfahren zum Einpressen eines elektrischen Kontaktstifts mit elastischer Einpresszone in eine Bohrung einer Leiterplatte

Info

Publication number: DE69721689T2
Application number: DE69721689T
Authority: DE
Inventors: Robert Arthur Helena Juliene Wuyts; Yves Simon Antoon Loosen
Original assignee: FCI SA; Framatome Connectors International SAS
Current assignee: FCI SA
Priority date: 1996-10-23
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2017-10-16
Also published as: JPH10126098A; EP0838884A1; US5940967A; EP0838884B1; BE1010707A3; US6098275A; DE69721689D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einführen elektrischer Kontaktstifte mit einem federnden Verbindungsbereich, die im Allgemeinen im Gehäuse eines Steckverbinders (eines so genannten Presssitz-Steckverbinders) befestigt sind, in entsprechende Öffnungen einer bedruckten Leiterplatte oder eines anderen Teils.
Zum Einführen des mit federnden Kontaktstiften ausgestatteten Steckverbinders in eine bedruckte Leiterplatte wird im Allgemeinen eine Presse verwendet, die die Kontaktstifte des Steckverbinders in die entsprechenden Öffnungen auf der Platte einführt und den federnden Verbindungsbereich jedes Kontaktstifts so verformen muss, dass der vollständige Steckverbinder sicher an der Platte befestigt ist.
Wie allgemein bekannt, besteht ein Kontaktstift mit einem federnden Verbindungsbereich aus einem länglichen Stab, gewöhnlich mit quadratischem Querschnitt, wobei ein Teil des Stabs in Längsrichtung zweigeteilt ist und so zwei nebeneinanderliegende Schenkel bildet, von denen jeder nach außen gebogen ist, wodurch man einen federnden Verbindungsbereich erhält. Wenn ein Kontaktstift in eine Öffnung in der Leiterplatte eingeführt wird, wird der erste, nicht federnde Abschnitt des Kontaktstifts zuerst in die Platte eingeführt, und man erhält so eine anfängliche Führung für den Kontaktstift, wobei so gut wie keine Widerstandskraft aufgebracht wird.
Wenn der federnde Verbindungsbereich die obere Kante der Öffnung erreicht, nimmt die Einführungskraft zu, und die nach außen gebogenen Schenkel bewegen sich elastisch aufeinander zu und erzeugen so eine Haltekraft, die den Kontaktstift an der Wand der Öffnung hält.
Die für diese Funktion erforderliche Einführungskraft kann beträchtlich sein, insbesondere, wenn der Steckverbinder mit einer großen Anzahl von Kontaktstiften ausgestattet ist, die in ihren entsprechenden Öffnungen sicher befestigt werden müssen. Das sofort ersichtliche Hauptproblem besteht darin, die Abwärtsbewegung der Presse rechtzeitig zu stoppen, um ein Schaden oder das Verbiegen der Leiterplatte aufgrund des Kontakts zwischen dem Steckverbindergehäuse und der Platte zu verhindern. Vorhandene Pressen sind gewöhnlich mit einer computergesteuerten Einheit und einer Kraftmessungsvorrichtung ausgestattet, die im Kopf der Presse eingebaut ist und das Fortschreiten der Kraft/Einführungs-Kurve messen und steuern kann.
Zum Beispiel kann die Presse angehalten werden, wenn die entwickelte Kraft einen bestimmten Maximalwert erreicht. Eine solche Vorrichtung ist in einem Artikel von O'Black Robert offenbart:" Poka-Yoke Means Mistake-Proof Production" Electronic Packaging and Production, Band 28, Nr.°3, 1. März 1988, Seiten 66–69, XP000111172.
Dieser Artikel offenbart die Möglichkeiten eines neuen DSO (Tektronics 2200-Serie Digitalen Speicheroszilloskops) durch ein Verfahren das das angemessene Einstecken der Kontaktstifte unter Verwen dung von Sensoren sowohl für die Einführungskraft als auch für die Bewegung (d. h. die Einführungslänge) bestimmt. Eine Datenbank wird mithilfe der Daten aus verschiedenen Messungen erstellt. Die tatsächliche Einführung wird von Einrichtungen beobachtet und gesteuert, um sicherzustellen, dass die Kontaktstifte richtig eingesteckt werden, wenn einmal ein gewisser Druckspitzenwert erreicht wurde.
In der Praxis kann dies allerdings zu ernsthaften Problemen führen, da bei Pressen dieser Leistungsfähigkeit die Trägheit der Abwärtsbewegung nicht unterschätzt werden sollte und dazu führen kann, dass das Gehäuse des Steckverbinders mit übermäßiger Kraft gegen die Platte gedrückt wird, wodurch die Platte möglicherweise Schaden nehmen kann. Es ist bekannt, dass die Einsteckkraft der Presse um 1000 Newton pro 0,001 mm am Ende des Einführungsschrittes zunimmt, wenn das Steckverbindergehäuse in Kontakt mit der Platte tritt. Es ist ebenso nicht möglich, die korrekte maximale Einführungstiefe vorzugeben, da die Dickenabweichung der bedruckten Leiterplatte (PCB), die normalerweise 3,2 mm beträgt, schwer zu steuern ist. Abweichungen in der Dicke von 10% bis 12% sind bei den Platten normal. In der Praxis variieren diese Abweichungen in der Dicke um einige Zehntelmillimeter, da sie sich in diesem Fall auf eine beschichtete Verbundplatte beziehen.
Um übermäßiges Pressen zu verhindern, ist es folglich erstrebenswert, die Presse rechtzeitig anzuhalten, um sicherzustellen, dass die Pressbewegung nicht fortgeführt wird, nachdem das Steckverbindergehäuse in Kontakt mit der Platte getreten ist. Bei vielen Anwendun gen ist es außerdem erstrebenswert, einen Luftspalt zwischen dem Steckverbindergehäuse und der Fläche der Leiterplatte zu lassen.
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzustellen, das es zulässt, die Bewegung der Presse so anzupassen, dass jegliche Überlastung der Platte und/oder des Steckverbindergehäuses vermieden wird, und bei dem, falls notwendig, das Steckverbindergehäuse automatisch im richtigen Abstand von der Platte angeordnet wird. Zu diesem Zwecke ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass alle Parameter der Bauteile, nämlich mindestens ein Kontaktstift und ein federnder Verbindungsbereich, mindestens eine entsprechende Öffnung der bedruckten Leiterplatte und die gewünschte Einführungstiefe vorher in den Daten für die Steuereinrichtung der Einführungs- und Druckvorrichtung festgelegt werden, und wobei

– die Einführungsbewegung der Presse mit der Einführung des. ersten (nicht federnden) Kontaktstiftabschnitts beginnt, der gewöhnlich keine Widerstandskraft aufbringt, sondern lediglich den Kontaktstift führt; während dieser Einführung (Bewegung der Presse) werden die Einführungskraft und -tiefe kontinuierlich gemessen und gesteuert;
– zu dem Zeitpunkt, zu dem wahrgenommen wird, dass die Einführungskraft deutlich zunimmt, d. h. wenn der erste Kontakt zwischen der Unterseite des federnden Verbindungsbereichs von einem der Kontaktstifte und der Oberkante der entsprechenden Öffnung in der gedruckten Leiterplatte erfolgt, die verbleibende Einführungslänge ermittelt und in der Steuerungseinrichtung gespeichert wird;
– die Einführbewegung unter Berücksichtigung der verbleibenden Einführungslänge fortgeführt wird, um den Kontaktstift bis zur richtigen Tiefe in der Platte einzuführen.

Die Druckvorrichtung besteht aus einem oberen Träger in Form eines Montageturms, an dem der Einführungskopf befestigt wird, und einem Tisch, der im wesentlichen aus einem Material hergestellt ist, das hohe Steifigkeitseigenschaften aufweist, wie z. B. Granit oder einer Betonmischung, um die Verformung des oberen Trägers und des Tischs zu minimieren. Die Abmessungen der Öffnung oder Öffnungen in der bedruckten Leiterplatte können mit einer herkömmlichen CCD-Kamera ermittelt werden, wie oben in der belgischen Patentanmeldung N° 9500914 auf den Namen des Anmelders beschrieben.
Weitere erfindungsgemäße Eigenschaften werden anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführung unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen erklärt.
1 ist eine schematische Darstellung der Anordnung der Hauptteile, die zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich sind.
2 ist eine Teilansicht eines Kontaktstifts mit einem federnden Verbindungsbereich, eines Steckverbindergehäuses und einer bedruckten Leiterplatte.
3 zeigt das sich während des Einführens ergebende Kraft/Verschiebungs-Diagramm.
1 illustriert eine Pressvorrichtung 10, die mit einem Tisch 12 und einem oberen Träger in Form eines Montageturms 14 ausgestattet ist. Eine bedruckte Leiterplatte 11 ist am Tisch 12 befestigt.
Der Montageturm 14 ist mit einem Einführungskopf 16 mit einer Druck-/Greifvorrichtung 18 ausgestattet, die ein Steckverbindergehäuse 20 mit Kontaktstiften 22 festhält.
Um das Verfahren erfindungsgemäß durchzuführen, ist der Einführungskopf 16 mit einer Vorrichtung 24 zum Messen der Kraft, die während des Einführens der Kontaktstifte ausgeübt wird, ausgestattet. Der Abstand, um den sich der Einführungskopf 16 verschoben hat, kann mithilfe einer bekannten Einrichtung gemessen und ermittelt werden, z. B. mit einem absoluten Pulsgenerator.
Die Druckvorrichtung 10 ist mit einem Steuerungssystem ausgestattet, über das die Daten, die von der Kraft/Messungs-Vorrichtung aufgezeichnet werden, und die Einführungstiefe des Einführungskopfs 16 zur Computereinheit 26 übertragen werden, um den Antriebsmotor 26 anzutreiben.
Diese Computereinheit 26 empfängt auch über eine Datenbank 28 alle Daten über die Geometrie eines jeden Kontakts und Art des Steckverbindergehäuses und überträgt Steuersignale über eine „Servo-Steuerungs"-Einheit 30 und einen Verstärker 32 zum Antriebsmotor 34 der Druckvorrichtung 10.
Der Antriebsmotor 34 ist vorzugsweise ein hochdynamischer Elektromotor mit Servosteuerung, da eine hydraulisch oder pneumatisch angetriebene Druckvorrichtung viel zu langsam auf die Steuerungsbefehle reagieren würde, Überlastung verursachen und möglicherweise Schaden an der bedruckten Leiterplatte bzw. dem Steckverbindergehäuse anrichten würde.
2 ist eine Teilansicht eines Kontaktstifts 22, der mit einem federnden Verbindungsbereich 36 ausgestattet ist, der zwischen einem freien Führungsendabschnitt und einem oberen Endabschnitt 40 liegt, der fest in einem Steckverbindergehäuse 20 ange- bracht ist.
Der Kontaktstift 22 mit seinem Verbindungsbereich 36 muss in eine entsprechende Öffnung 38 einer bedruckten Leiterplatte 11 eingesteckt werden, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktstift 22 und der verzinnten inneren Fläche der Öffnung 38 herzustellen.
Wie in 3 dargestellt, kann die fortschreitende Einführbewegung genau beobachtet werden.
Wenn der Einführungskopf 16 entlang der Z-Achse verschoben wird, nimmt die Kraft, die in der ersten Zone „I" gemessen wird, so gut wie überhaupt nicht zu. Außerdem tritt normalerweise während dieser Verschiebung der freie Endabschnitt des Kontaktstifts 22 in die Öffnung 38 ein, wobei so gut wie keine Kraft entwickelt wird, bis der „first contact point (FCP)" – der erste Kontaktpunkt – erreicht wird.
Dieser erste Kontaktpunkt wird erreicht, wenn die Unterseite des federnden Verbindungsbereichs 36 in Kontakt mit der Oberkante der entsprechenden Öffnung 38 der Leiterplatte 11 kommt.
In diesem Augenblick steigt die Kraft plötzlich an, und man erreicht Bereich „II" auf der Z-Achse auf dem Kraft-Verschiebungs-Diagram, bis eine Maximalkraft „m" erreicht ist, wobei der dickste Teil des federnden Verbindungsbereichs des Kontaktstiftes in die Öffnung in der Platte eingeführt wird.
Im Bereich „III" wird der Kontaktstift weiter in die Öffnung eingeführt, und die Einsteckkraft nimmt leicht ab, da die maximale Verformungskraft des federnden Verbindungsbereichs überwunden und Material (Zinn/Blei) von der Auskleidung der Öffnung abgeschabt wurde.
Wenn das Steckverbindergehäuse 20 weitergeschoben werden sollte, nachdem es in Kontakt mit der Fläche der Leiterplatte 11 getreten ist, würde das Diagramm weiter in einen Bereich „IV" reichen, in dem die Kraft schnell wesentlich zunehmen würde, da das Steckverbindergehäuse 20 und die Leiterplatte 11 zwischen dem Einführungskopf 16 (obere Vorrichtung) und einem Amboss (untere Vorrichtung) eingeklemmt würde, der normalerweise dazu dient, die Leiterplatte 11 während des Einführens der Kontaktstifte 22 zu stützen.
Wie bereits in der Einleitung gesagt, ist die Dicke der Leiterplatte 11 als Minimal- und Maximalwert im Verhältnis zur Bezugsebene (s. 2) schwer zu steuern (variabel).
Um übermäßiges Pressen zu verhindern, ist es erstrebenswert, vor oder beim Eintreten in Bereich „IV" auf der Verschiebungsachse aufzuhören.
Bei vielen Anwendungen ist außerdem ein Luftspalt bekannter Größe zwischen dem Steckverbindergehäuse 20 und der Fläche der Leiterplatte 11 wünschenswert.
Erfindungsgemäß liefert die Kraft-Verschiebungsrückkopplung eine Lösung für dieses Problem.
Wenn der Kontaktstift 22 in die Öffnung 38 eindringt, wird normalerweise keine Kraft erzeugt. Wenn eine Kraft ermittelt wird, so zeigt dies, dass ein oder mehrere Kontaktstifte nicht richtig ausgerichtet sind.
In diesem Fall kann der Steuerungscomputer sofort den Motor M anhalten, um eine falsche Einführbewegung zu verhindern.
Über die Kraftmessung im Einführungskopf 16 weiß der Steuerungscomputer, auf welchem Punkt auf der Z-Achse (Einführbewegung) der federnde Verbindungsbereich der Kontaktstifte in Kontakt mit der Fläche der Leiterplatte 11 kommt.
Da die Größe X, nämlich die Entfernung zwischen der Unterseite des Steckverbindergehäuses 20 und dem ersten Kontaktpunkt (2), für einen ebenfalls bekannten Öffnungsdurchmesser d für jeden Steckverbinder ein bekannter Wert ist, kann die Computereinheit 26 die Entfernung (Einführungstiefe) berechnen, die der Einführungskopf 16 zurücklegen muss, bevor er in Kontakt mit dem Steckverbindergehäuse 20 auf der Leiterplatte 11 kommt.
Da die Einführungstiefe, bei der der Einführungskopf 16 der Druckvorrichtung anhalten muss, während des Starts der Einführbewegung bestimmt wird, ist übermäßiges Pressen unmöglich, und ein spezieller Luftspalt kann zwischen die Unterseite des Steckverbindergehäuses 20 und die Fläche der Leiterplatte 11 festgelegt werden.
Da der erste Kontaktpunkt für die gleiche Steckverbinderart vom Öffnungsdurchmesser d abhängt, muss dies bei der Bestimmung des Öffnungsdurchmessers durch Messung mithilfe einer CCD-Kamera berücksichtigt werden. Für weniger genaue Anwendungen ist die Messung des Öffnungsdurchmessers mithilfe einer CCD-Kamera nicht notwendig.
Die korrekte Lage für den ersten Kontaktpunkt wird bestimmt durch:

– die Geometrie des federnden Verbindungsbereichs des Kontaktstifts 22;
– die Dicke der bedruckten Leiterplatte 11;
– den Durchmesser der entsprechenden Öffnung 38 in der Platte.

All diese Parameter werden vorher in den Steuerungscomputer eingegeben, und das Stoppen der Verschiebung der Einführungstiefe des Einführungskopfs 16 entlang der Z-Achse wird nur auf die Position abgestimmt, wo es, entsprechend der Kraft-Verschiebungs-Kurve, zum ersten Kontakt zwischen dem Kontaktstift und der Öffnung kommt.

Claims

Verfahren zum Einführen eines Kontaktstiftes mit einem federnden Verbindungsbereich in eine Öffnung einer bedruckten Leiterplatte durch eine Druckvorrichtung, die eine Einrichtung zum Messen der Einführungskraft und eine Einrichtung zum Messen und Steuerung der Einführungslänge aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Beginn des Einführungsschrittes die Daten, die die Abmessungen des Stiftes, die Geometrie des federnden Verbindungsbereichs zusammen mit dem Durchmesser der Öffnung in der bedruckten Leiterplatte und der gewünschten Einführungstiefe betreffen, in der Steuereinrichtung gespeichert werden, wobei die Einführungsbewegung der Presse mit dem ersten (nicht, federnden) Abschnitt des Kontaktstiftes beginnt, der keine Widerstandskraft aufweist, sondern den Stift nur führt, wobei bei der Einführungsbewegung die Einführungskraft und die Einführungslänge laufend gesteuert werden; wobei in dem Augenblick, in dem wahrgenommen wird, dass die Einführungskraft stark ansteigt, d. h. wenn der erste Kontakt zwischen der Unterseite des federnden Verbindungsbereichs (FCP) des Kontaktstiftes und der oberen Kante der entsprechenden Öffnung der bedruckten Leiterplatte erfolgt, eine restliche verbleibende Einführungslänge (X) definiert und in der Steuereinrichtung gespeichert wird; wobei die Einführungsbewegung unter Berücksichtigung der restlich verbleibenden Einführungslänge (X) fortgeführt wird, um den Kontaktstift bis in die gewünschte vorbestimmte Tiefe in die bedruckte Leiterplatte einzuführen.
Verfahren zur Einführurg zumindest eines Kontaktstiftes mit einem federnden Verbindungsbereich in zumindest eine Öffnung in einer bedruckten Leiterplatte, wobei ein Ende jedes Kontaktstiftes schon an ein Steckverbindergehäuse angebracht ist, und wobei das andere Ende des Kontaktstiftes, das den federnden Verbindungsbereich aufweist, unter dem Steckverbindergehäuse vorsteht, wobei die Einführung durch eine Druckvorrichtung erfolgt, die eine Einrichtung zur Messung der Einführungskraft und eine Einrichtung zur Messung und zur Steuerung der Einführungslänge aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einführungsschritt die Daten für die Größenabmessungen des Kontaktstiftes relativ zum Steckverbindergehäuse, die Geometrie des federnden Verbindungsbereichs, der Durchmesser der Öffnungen in der bedruckten Leiterplatte und die gewünschte Einführungstiefe in der Steuereinrichtung gespeichert werden, wobei die Einführungsbewegung der Presse mit einem ersten nicht federnden Abschnitt des Stiftes beginnt, der keine Widerstandskraft aufbringt, sondern den Stift nur führt, wobei bei der Einführungsbewegung die Einführungskraft und die Einführungslänge laufend gemessen und gesteuert werden; wobei in dem Moment, in dem wahrgenommen wird, dass die Einführungskraft stark ansteigt, d. h. wenn ein erster Kontakt zwischen der Unterseite des federnden Verbindungsbereichs (FCP) und einem der Kontaktstifte und der oberen Kante der entsprechenden Öffnung in der bedruckten Leiterplatte erfolgt, eine restlich verbleibende Einführungslänge (X) definiert und in der Steuereinrichtung gespeichert wird; wobei die Einführungsbewegung unter der Berücksichtigung der restlich verbleibenden Einführungslänge (X) fortgeführt wird, um die Kontaktstifte in die korrekte Tiefe in die bedruckte Leiterplatte so einzuführen, dass das Steckverbindergehäuse an der bedruckten Leiterplatte oder in einem kurzen Abstand davor zu liegen kommt.
Vorrichtung zum Einführen eines Kontaktstiftes mit einem federnden Verbindungsbereich in eine Öffnung einer bedruckten Leiterplatte durch eine Druckvorrichtung, die eine Einrichtung zum Messen des Einführungsdrucks und eine Einrichtung zum Messen und Steuern der Einführungslänge aufweist, wobei die Vorrichtung eine von. einem Motor (34) angetriebene Presse (10) aufweist und mit einem Tisch (12) versehen ist, auf dem die bedruckte Leiterplatte (11) angebracht ist, sowie einen Einführungskopf (16), der auf einem horizontalen Träger, beispielsweise einem Montageturm (14) angebracht ist, eine Einrichtung (24) zur Messung der durch die Presse entwickelten Kraft, eine Einrichtung zum Messen und Steuern der Länge, die von dem Ein- führungskopf abgedeckt wird und einen Steuercomputer (26), der diese Messungen aufnimmt und Steuersignale an den Motor (34) der Presse sendet, dadurch gekennzeichnet, dass der horizontale Träger (14) und der Tisch (12) aus Material mit hohen Steifigkeitsmerkmalen, so wie Granit oder einer Betonmischung bestehen, um die Genauigkeit der Einführungssteuereinrichtung zu erhöhen.