EP1355383A1 - Hochstrom-Kontaktelement zur Befestigung an einer Leiterplattenanordnung und Verwendung eines Hochstrom-Kontaktelements - Google Patents

Hochstrom-Kontaktelement zur Befestigung an einer Leiterplattenanordnung und Verwendung eines Hochstrom-Kontaktelements Download PDF

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EP1355383A1
EP1355383A1 EP03007269A EP03007269A EP1355383A1 EP 1355383 A1 EP1355383 A1 EP 1355383A1 EP 03007269 A EP03007269 A EP 03007269A EP 03007269 A EP03007269 A EP 03007269A EP 1355383 A1 EP1355383 A1 EP 1355383A1
Authority
EP
European Patent Office
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circuit board
current
contact element
contact body
current contact
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03007269A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Bast
Bernd Beckenbauer
Robert Haas
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • H01R43/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for soldered or welded connections
    • H01R43/0256—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for soldered or welded connections for soldering or welding connectors to a printed circuit board
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent
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    • H01R12/50—Fixed connections
    • H01R12/51—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures
    • H01R12/52—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures connecting to other rigid printed circuits or like structures

Definitions

  • the invention is in the field of initiation or discharge of high currents in or out of a circuit board.
  • the invention relates to a high-current contact element for attachment on a printed circuit board, with a metallic contact body and with a connectable to the contact body Screw element, wherein the contact body on a first side surface has a thread for fastening a high-current cable by means of the screw element.
  • the invention relates also a circuit board arrangement and a use of the high-current contact element mentioned.
  • contact elements For introducing low currents into a printed circuit board or for Such currents are discharged from the circuit board, for example from DE 196 08 032 A1, US 5,281 166 A and DE 197 43 251 C1 contact elements are known which have a contact surface, that on a conductive surface of a printed circuit board is attachable. The attachment is done by soldering. Cables can be attached to the contact element e.g. via a plug connection be attached. Multi-part connection terminals with a connecting screw for attaching the connecting cable are described in EP 0 878 868 A2 and in DE 39 11 108 C2.
  • SMT surface mounting technology
  • a high-current cable clamp for a PCB assembly is known for example from EP 0 784 354 A2. This points Press-in pins for fastening to the circuit board and the opposite End a clamping screw for attaching a High-current cable.
  • the well-known high current contact elements in THT technology are more difficult to assemble. Assembly using automatic placement machines is usually not possible because also machining operations from the opposite side of the circuit board, for example attaching a mother or soldering, are necessary. In addition, placement machines can be used for Do not apply press-fit technology.
  • the invention has for its object a high-current contact element to alleviate these disadvantages, are weakened or avoided.
  • a printed circuit board arrangement and an operating mode for a circuit board arrangement are weakened or avoided.
  • the task related to a high current contact element becomes for the aforementioned high-current contact element according to the Invention solved in that the contact body in one piece or is formed in one piece and on a second side surface has a conductive soldering zone comprising a plane Contact area or several contact areas lying in one plane, the soldering zone being dimensioned such that it Placeable on a conductive pad or field on the circuit board is.
  • the first side surface can face away from the circuit board arrangement and the second side surface in turn the first side surface be turned away.
  • the side surfaces are preferably parallel to each other.
  • the invention lies inter alia. based on the knowledge that the well-known SMT technology can also be used in the high-current range is without significant or even annoying warming would occur or compromise in the strength of the attachment of the contact elements on the circuit board or on the PCB arrangement would have to be made.
  • the high current contact element according to the invention is for example as a "power element" in the field of high-voltage devices used. It is particularly suitable for manufacturing electronic components as part of x-ray generators or transformers or x-ray tube assemblies.
  • the contact body with its first side surface for receiving a cable lug of the high-current cable.
  • the contact body is preferably on its first side surface executed on schedule.
  • the contact body can be completely flat on the thread side and without protrusions.
  • the high-current contact element according to the invention is particularly suitable for transferring a current of more than 50 A, in particular more than 100 A.
  • the soldering zone preferably has a cross-sectional area of at least 70 mm 2 , in particular of at least 100 mm 2 .
  • the thread is especially a threaded hole (internal thread) to accommodate a screw element Screw pin trained. It is in with the screw pin possible in a simple way, a high-current cable, which ends with a U-shaped or a ring-shaped cable lug is provided by a screw connection on the contact element attach stably. Coming for high current applications especially threads M5, M6 or larger.
  • the first is Side surface as a flat suction surface for receiving the contact body formed by a suction nozzle. That’s it Contact element in a simple manner from an automatic placement machine mountable, the contact element from the suction or vacuum nozzle of the pick and place machine.
  • the Contact body made from a single blank.
  • the task related to a circuit board arrangement is according to the invention solved by a circuit board arrangement, to which a high-current contact element according to the invention is soldered is.
  • circuit board arrangement is advantageously of this type usable that can also be used as a wall element to create a gas or vacuum-tight interior functions.
  • one Printed circuit board of the printed circuit board assembly which is the conductive Carries the pad for receiving the high-current contact element, a grid of holes in the area of the pad.
  • the hole pattern is a micro hole pattern with a hole diameter of less less than 0.4 mm or less than 0.3 mm. So that are special good contact values have been achieved.
  • the invention also relates to the use of a High-current contact element according to the invention for introduction or discharging a current of more than 50 A, in particular of more than 100 A, in or out of a circuit board arrangement.
  • High-current contact element according to the invention for surface mounting on a circuit board assembly using a Suction nozzle of an automatic placement machine, in particular an SMT automatic placement machine.
  • the printed circuit board arrangement 2 comprises a printed electrical circuit board or printed circuit board 2 ', on which an electrically conductive field or pad 3 with solder paste for the soldering fastening of a metallic contact body 4 of the high-current contact element 1 has been attached. The contact body 4 was then attached to the conductive pad 3 by reflow soldering.
  • the contact body 4 has on its upper first side surface 7 an M6 thread 9 for screwing in a as Screw pin designed self-locking screw element 5 (with captive disc). Equivalent to the screw thread other connection technologies can be used that are difficult to solve, e.g. a snap-in connector.
  • the first side surface 7 is positioned over a block 11 the lower second side surface facing the printed circuit board 2 ' 13 (soldering surface) in connection, which is soldered onto the pad 3 is.
  • the weight saving serves to absorb the high-current contact element 1 through a suction nozzle of an automatic pick and place machine to ensure.
  • the mass of the contact body 4 is preferably less than 13 g, e.g. only 10 g.
  • the opening 15 can also be used for clamping the end of a high-current cable.
  • Prefers becomes the high-current cable, with the help of which current enters the circuit board 2 'or out of this, but attached in which a cable lug 16 of the high-current cable 17 between the underside of the head of the screw element 5 with a captive disc, not shown, and the first side surface 7 is pressed.
  • the initiated / discharged Current then flows in an example and diagram only Line 3 'on the circuit board 2' and / or on the back of the circuit board 2 '(see e.g. Figure 5).
  • the contact body 4 made of tinned non-ferrous metal, in particular of bronze or brass, for example of CuZn39B63F51, in a side, cross-sectional and top view.
  • the width B of the second side surface 13 is approximately 11 mm, its length L approximately 15 mm.
  • the height H of the contact body 4 is 13 mm in the example and the diameter D of the opening 15 is approximately 8 mm.
  • the weight savings through the opening 15 are limited insofar as the contact body 4 must still have sufficient current carrying capacity in the area of the block 11. The person skilled in the art can dimension this area on the basis of calculations known per se.
  • the height h is 11 mm and its width b is 7 mm.
  • solder paste print in foil form
  • the solder paste print which is produced in one work step together with any further lines that may be present on the circuit board , has intersecting interruptions 21, 23. These serve to support the escape of gases that arise when the flux of the solder paste evaporates.
  • FIG. 4 shows the circuit board 2 'in the area of the pad 3 of FIG. 3 viewed from the rear.
  • a micro hole pattern with a hole diameter of approx. 0.3 mm.
  • Such a micro hole pattern could also be referred to as a micro via.
  • the hole pattern has a total of 216 holes with reference number 25. This ensures a particularly high current carrying capacity of the connection of the contact element 1 to the printed circuit board 2 '. As a rule of thumb, one hole per 2 A current carrying capacity.
  • the mechanical stability is increased by using the micro-hole pattern.
  • the holes 25 of the micro-hole pattern do not necessarily have to be continuous. Rather, it is sufficient if they are designed as blind holes starting from the top. A more complex variant could provide that the blind holes are braided transversely in an inner layer of the printed circuit board 2 '.
  • the high-current contact element 1 of FIG. 1 is positioned on the circuit board 2 'prepared according to FIGS. 3 and 4 in the region of the pad 3, picked up by a suction nozzle of an automatic placement machine.
  • a soldered connection is established between the printed circuit board 2 'and the high-current contact element 1, the soldering paste penetrating into the holes 25 in the grid, as is shown in more detail in FIG .
  • the solder paste is designated 27 in FIG. It was for an exemplary method of a "Heraeus F360 "used. A placement machine” Siemens Siplace 80F "with suction pipette 0335761-01.
  • the circuit board 2 ' was of the "FR 4" (Metric) type with a copper thickness 105 ⁇ m and surface HAL.
  • the soldering temperature was Peak 220 ° C at a transport speed of 88 cm / min and a preheat of 2.5 ° C / sec.
  • FIG. 6 shows a second exemplary embodiment of a high-current contact element 1 according to the invention, which is essentially identical to the exemplary embodiment shown in FIG. 5, with the difference that the lower second side surface 13 is not equipped with a continuous flat contact surface, but instead with a plurality of contact surfaces 31 lying in one plane.
  • the lower side surface 13 is crossed with grooves, furrows or channels. This further increases the mechanical stability of the connection to the printed circuit board 2 '.
  • FIG. 7 shows a third exemplary embodiment of a high-current contact element 1 according to the invention, which essentially differs from the contact element 1 of FIGS. 1, 2, 5 and 6 in terms of its outer contour. Whereas the last-mentioned views show an essentially double-T-shaped high-current contact element 1, the contact element 1 of FIG. 7 is cuboid with regard to its outer contour.
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of a high-current contact element 1 according to the invention, which, like the exemplary embodiments already illustrated, is equipped with a one-piece contact body 4.
  • the contact body 4 is created by sawing off or cutting off a U-shaped longitudinal profile.
  • the two legs of the U serve as the two side surfaces 7, 13.
  • the contact body 4, which is thus open at the side, could be equipped on its open side with a second vertical web, so that - as in FIG. 7 - a cuboidal outer contour would result.
  • the contact body 4 has a plurality of bores 35 with a diameter of approximately 1 mm on its lower side surface 13 in order to further increase the holding force and the gas conductivity.
  • a suitable choice of material ensures a torsional strength of at least 8 Nm for brass screw elements 5.
  • contact body 4 in one piece without a thread perform and instead a press nut or the like. provided.
  • the high-current contact element 1 can except for transferring electrical currents also as purely mechanical Bracket for fastening components on a circuit board Find use.

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Abstract

Ein Hochstrom-Kontaktelement (1) zur Befestigung an einer Leiterplatte (2') weist einen metallischen Kontaktkörper (4) und einen mit dem Kontaktkörper (4) verbindbares Schraubelement (5) auf. Der Kontaktkörper (4) weist an einer ersten Seitenfläche (7) ein Gewinde auf zur Befestigung eines Hochstrom-Kabels (17) mittels des Schraubelements (5) und an einer zweiten Seitenfläche (13) eine leitende Lötzone, die derart dimensioniert ist, dass sie auf einem leitenden Pad (3) der Leiterplatte (2') platzierbar ist. Ein solches Hochstrom-Kontaktelement (1) ist in vorteilhafter Weise in Oberflächenmontage (SMT) zu einer Leiterplattenanordnung (2) zusammenbaubar und eignet sich besonders zur Verwendung in einem Bestückautomaten.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Einleitung oder Ausleitung von hohen Strömen in bzw. aus einer Leiterplatte.
Die Erfindung betrifft ein Hochstrom-Kontaktelement zur Befestigung an einer Leiterplatte, mit einem metallischen Kontaktkörper und mit einem mit dem Kontaktkörper verbindbaren Schraubelement, wobei der Kontaktkörper an einer ersten Seitenfläche ein Gewinde aufweist zur Befestigung eines Hochstrom-Kabels mittels des Schraubelements. Die Erfindung betrifft außerdem eine Leiterplattenanordnung sowie eine Verwendung des genannten Hochstrom-Kontaktelements.
DE 198 42 590 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Schaltungsanordnungen.
Zum Einleiten niedriger Ströme in eine Leiterplatte oder zum Ausleiten solcher Ströme von der Leiterplatte sind beispielsweise aus DE 196 08 032 A1, US 5,281 166 A und DE 197 43 251 C1 Kontaktelemente bekannt, die eine Kontaktfläche aufweisen, die auf einer leitenden Oberfläche einer gedruckten Leiterplatte befestigbar ist. Die Befestigung geschieht durch Löten. An dem Kontaktelement können Kabel z.B. über eine Steckverbindung angebracht werden. Mehrteilige Anschlussklemmen mit einer Anschlussschraube zum Befestigen des Anschlusskabels sind in EP 0 878 868 A2 und in DE 39 11 108 C2 beschrieben.
Allgemeiner ausgedrückt werden Kontaktelemente für niedrige Ströme unter Anwendung der "Surface Mounting Technologie (SMT) bei Bearbeitung nur von einer Seite aus, nämlich der Oberfläche, auf der Leiterplatte befestigt. Die SMT Technik, hat daher den Vorteil einer einfachen Montierbarkeit. Weil ein Zugriff auf die Leiterplatte von nur einer Seite aus nötig ist, kann die Montage in einfacher Weise mit einem Bestückautomaten, insbesondere unter Verwendung von Saugpipetten, erfolgen.
Zur Übertragung von hohen Strömen in eine oder aus einer Leiterplatte sind spezielle Hochstrom-Kontaktelemente bekannt, die berücksichtigen, dass wesentlich größere Leistungen übertragen werden können. Übermäßige Erwärmungen müssen ebenso vermieden werden wie - aus Sicherheitsgründen - ein ungewolltes Ablösen des Kontaktelements. Im Bereich hoher Ströme kommt daher die sogenannte "Through Hole Technik" (THT) zum Einsatz. Entsprechende Kontaktelemente können in Durchstecktechnik, Einspresstechnik oder Verschraubtechnik mit der Leiterplatte verbunden werden.
Eine Hochstrom-Kabelklemme für eine Leiterplattenanordnung ist beispielsweise aus EP 0 784 354 A2 bekannt. Diese weist Einpressstifte zur Befestigung an der Leiterplatte und am gegenüberliegenden Ende eine Klemmschraube zur Befestigung eines Hochstromkabels auf.
Aus DE 201 04 407 U1 ist ein Leitungsverbinder mit einer Klemmschraube für einen elektrischen Leiter bekannt. Dieser Leitungsverbinder ist ebenfalls in THT-Technik ausgeführt.
Die bekannten Hochstrom-Kontaktelemente in THT-Technik sind schwieriger zu montieren. Eine Montage mittels Bestückautomaten ist in der Regel nicht möglich, weil auch Bearbeitungsvorgänge von der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte, beispielsweise das Anbringen einer Mutter oder ein Verlöten, notwendig sind. Außerdem können Bestückautomaten die für die Einpresstechnik notwenigen Kräfte nicht aufbringen.
Da die integrierte Klemmschraube bei Verkanten des Kabelschuhs während der Montage leicht abreißen kann, muss in solchen Fällen unter Umständen eine gesamte Flachbaugruppe ausgetauscht und entsorgt werden. Bei Flachbaugruppen, die auch zur Abdichtung eines Vakuums oder einer Ölkammer dienen, kann dies sehr aufwändig sein. Das THT-Hochstromkontaktelement kann nämlich nicht ausgewechselt werden, ohne die Leiterplatte zu delaminieren.
Ein weiterer Nachteil der THT-Technik besteht darin, dass die dem Kontaktelement gegenüberliegende Seite auf der Leiterplatte als Montagefläche benötigt wird und daher nicht zum Anbringen anderer Bauteile auf der Leiterplattenordnung zur Verfügung steht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochstrom-Kontaktelement anzugeben, mit dem diese Nachteile gemindert, abgeschwächt oder vermieden sind. Zu diesem Zweck soll auch eine Leiterplattenanordnung angegeben werden sowie eine Betriebsweise für eine Leiterplattenanordnung.
Die auf ein Hochstrom-Kontaktelement bezogene Aufgabe wird für das eingangs genannte Hochstrom-Kontaktelement gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Kontaktkörper einstückig oder einteilig ausgebildet ist und an einer zweiten Seitenfläche eine leitende Lötzone aufweist, umfassend eine ebene Kontaktfläche oder mehrere in einer Ebene liegende Kontaktflächen, wobei die Lötzone derart dimensioniert ist, dass sie auf einem leitenden Pad oder Feld der Leiterplatte platzierbar ist.
Die erste Seitenfläche kann der Leiterplattenanordnung abgewandt und die zweite Seitenfläche ihrerseits der ersten Seitenfläche abgewandt sein. Vorzugsweise sind die Seitenflächen einander parallel.
Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass die an sich bekannte SMT-Technik auch im Hochstrombereich einsetzbar ist, ohne dass nennenswerte oder gar störende Erwärmungen auftreten würden oder Abstriche bei der Festigkeit der Befestigung der Kontaktelemente auf der Leiterplatte oder auf der Leiterplattenanordnung gemacht werden müssten.
Das Hochstrom-Kontaktelement nach der Erfindung ist beispielsweise als "Power-Element" im Bereich von Hochspannungsgeräten einsetzbar. Es eignet sich insbesondere zur Fertigung elektronischer Komponenten als Bestandteil von Röntgengeneratoren oder von Transformatoren oder von Röntgenröhrenanordnungen.
Bei Anwendungen, beispielsweise bei den eben genannten, bei welchen die Platte einer Leiterplattenanordnung nicht nur zur Befestigung elektronischer Komponenten sondern gleichzeitig als Wandelement zur Erzeugung eines gasdichten oder vakuumdichten Innenraums verwendet wird, ergibt sich mit dem Hochstrom-Kontaktelement in SMT-Technik nach der Erfindung der zusätzliche Vorteil, dass Undichtigkeiten sicher vermeidbar sind. Solche Undichtigkeiten entstehen beispielsweise bei der Verwendung von Kontaktelementen in THT-Technik. Bei der Einpresstechnik ist die Verbindung ohnehin nicht gasdicht. Bei der Löttechnik erfolgt durch hohe Wärme oftmals eine ungewollte Ablösung einer Kupferhülse von der Durchkontaktierung von der Ober- zur Unterseite der Leiterplatte und somit ebenfalls eine Undichtigkeit. Hier wäre bei THT-Technik ein zusätzliches Abdichten mittels Kleber oder Vergussmasse nötig. Demgegenüber benötigt das Hochstrom-Kontaktelement nach der Erfindung nicht zwangsweise Löcher in der Leiterplatte.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist der Kontaktkörper mit seiner ersten Seitenfläche zur Aufnahme eines Kabelschuhs des Hochstrom-Kabels ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Kontaktkörper an seiner ersten Seitenfläche plan ausgeführt. Mit anderen Worten: Der Kontaktkörper kann gewindeseitig völlig eben und ohne Vorsprünge abschließen.
Das Hochstrom-Kontaktelement nach der Erfindung ist insbesondere für eine Überleitung eines Stroms von mehr als 50 A, insbesondere von mehr als 100 A, geeignet. Um einen besonders geringen elektrischen Übergangswiderstand und eine besonders hohe mechanische Haftung zu erreichen weist die Lötzone vorzugsweise eine Querschnittsfläche von mindestens 70 mm2, insbesondere von mindestens 100 mm2, auf.
Das Gewinde ist insbesondere als Gewindebohrung (Innengewinde) zur Aufnahme eines als Schraubelement fungierenden Schraubstiftes ausgebildet. Mit dem Schraubstift ist es in einfacher Weise möglich, ein Hochstromkabel, welches endseitig mit einem U-förmigen oder einem ringförmigen Kabelschuh versehen ist, durch eine Schraubverbindung an dem Kontaktelement stabil zu befestigen. Für Hochstrom-Anwendungen kommen insbesondere Gewinde M5, M6 oder größer in Betracht.
Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Seitenfläche als ebene Saugfläche für die Aufnahme des Kontaktkörpers von einer Saugdüse ausgebildet. Damit ist das Kontaktelement in einfacher Weise von einem Bestückautomaten montierbar, wobei das Kontaktelement von der Saug- oder Vakuumdüse des Bestückautomaten aufgenommen werden kann.
Für eine platzsparende Anordnung auf der Leiterplatte ist es zweckmäßig, dass die erste Seitenfläche des Kontaktkörpers in einer Draufsicht in Richtung Leiterplatte deckungsgleich mit der zweiten Seitenfläche des Kontaktkörpers ist.
Nach einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Kontaktkörper ausgehend von einem einzigen Rohling gefertigt. Dadurch sind sowohl die mechanische Stabilität in vorteilhafter Weise erhöht als auch ggf. auftretende unerwünschte elektrische Übergangswiderstände unterbunden.
Die auf eine Leiterplattenanordnung bezogene Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Leiterplattenanordnung, an der ein Hochstrom-Kontaktelement nach der Erfindung angelötet ist.
Die für das Hochstrom-Kontaktelement genannten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen gelten für die Leiterplattenanordnung analog.
Eine solche Leiterplattenanordnung ist vorteilhaft derart verwendbar, dass sich auch als Wandelement zur Erzeugung eines gas- oder vakuumdichten Innenraums fungiert.
Nach einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung weist eine Leiterplatte der Leiterplattenanordnung, welche das leitende Pad zur Aufnahme des Hochstrom-Kontaktelements trägt, im Bereich des Pads ein Lochraster auf. Die Löcher dieses Lochrasters dienen anders als bei der THT-Technik nicht dazu, um Kontaktstifte oder Pins des Kontaktelements hindurch zu stecken, sondern vielmehr dazu, eine Verbesserung des mechanischen und elektrischen Kontakts des Kontaktelements zur Platte der Leiterplattenanordnung zu erreichen, indem Lötzinn in die Löcher eindringen kann.
Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist das Lochraster ein Mikro-Lochraster mit einem Lochdurchmesser von weniger als 0,4 mm oder von weniger als 0,3 mm. Damit sind besonders gute Kontaktwerte erzielt worden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung eines Hochstrom-Kontaktelements nach der Erfindung zum Einleiten oder Ausleiten eines Stromes von mehr als 50 A, insbesondere von mehr als 100 A, in eine bzw. aus einer Leiterplattenanordnung.
Außerdem liegt im Rahmen der Erfindung die Verwendung eines Hochstrom-Kontaktelements nach der Erfindung zur Oberflächen-Montage auf einer Leiterplattenanordnung unter Einsatz einer Saugdüse eines Bestückautomaten, insbesondere eines SMT-Bestückautomaten.
Vier Ausführungsbeispiele eines Hochstrom-Kontaktelements nach der Erfindung sowie Beispiele für Leiterplattenanordnungen nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 8 näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Hochstrom-Kontaktelements nach der Erfindung in perspektivischer Ansicht,
FIG 2
das Hochstrom-Kontaktelement der FIG 1 in Seiten-, Querschnitts- und Draufsicht,
FIG 3
eine Leiterplatte, die auf ihrer Oberseite zur Montage eines Kontaktelements nach der Erfindung mit Lotpaste vorbereitet ist,
FIG 4
die Leiterplatte der FIG 3, von der Rückseite aus gesehen, noch ohne Blaulack-Abdeckung,
FIG 5
das Hochstrom-Kontaktelement der FIG 1 in montiertem Zustand auf der Leiterplatte der FIG 3 und 4 in einer Querschnittsansicht,
FIG 6
ein zweites Ausführungsbeispiel eines Hochstrom-Kontaktelements nach der Erfindung in zu FIG 5 analoger Ansicht,
FIG 7
ein drittes Ausführungsbeispiel eines Hochstrom-Kontaktelements nach der Erfindung in perspektivischer Darstellung und
FIG 8
ein viertes Ausführungsbeispiel eines Hochstrom-Kontaktelements nach der Erfindung in perspektivischer Ansicht.
FIG 1 zeigt ein Hochstrom-Kontaktelement 1 nach der Erfindung, das Bestandteil einer Leiterplattenanordnung 2 nach der Erfindung ist. Die Leiterplattenanordnung 2 umfasst eine bedruckte elektrische Platine oder Leiterplatte 2', auf der ein elektrisch leitfähiges Feld oder Pad 3 mit Lötpaste zur lötenden Befestigung eines metallischen Kontaktkörpers 4 des Hochstrom-Kontaktelements 1 angebracht wurde. Die Befestigung des Kontaktkörpers 4 auf dem leitfähigen Pad 3 erfolgte dann durch Reflow-Löten.
Der Kontaktkörper 4 weist an seiner oberen ersten Seitenfläche 7 ein M6-Gewinde 9 auf zum Einschrauben eines als Schraubstift ausgebildeten selbstsichernden Schraubelements 5 (mit unverlierbarer Scheibe). Äquivalent zu dem Schraubgewinde können andere Verbindungstechniken zum Einsatz kommen, die nur schwer lösbar sind, z.B. eine einrastende Steckverbindung.
Über einen Block 11 steht die erste Seitenfläche 7 mit einer der Leiterplatte 2' zugewandten unteren zweiten Seitenfläche 13 (Lötfläche) in Verbindung, die auf das Pad 3 aufgelötet ist.
Parallel zur Leiterplatte 2' verläuft durch den Block 11 eine Bohrung oder Öffnung 15, die einerseits der Gewichtsersparnis dient um die Aufnahmefähigkeit des Hochstrom-Kontaktelements 1 durch eine Saugdüse eines Bestückautomaten ("pick-and-place") zu gewährleisten. Die Masse des Kontaktkörpers 4 beträgt vorzugsweise weniger als 13 g, z.B. nur 10 g.
Da die Gewindebohrung 9 bis in die Öffnung 15 hinein durchgeführt ist, kann die Öffnung 15 auch zur klemmenden Aufnahme des Endes eines Hochstrom-Kabels verwendet werden. Bevorzugt wird das Hochstromkabel, mit Hilfe dessen Strom in die Leiterplatte 2' oder aus dieser heraus geleitet werden soll, aber befestigt, in dem ein Kabelschuh 16 des Hochstrom-Kabels 17 zwischen die Unterseite des Kopfes des Schraubelements 5 mit einer nicht dargestellten unverlierbaren Scheibe und die erste Seitenfläche 7 gepresst wird. Der ein-/ ausgeleitete Strom fließt dann in einer nur beispiel- und schemahaft dargestellten Leitung 3' auf der Leiterplatte 2' und/oder auf der Rückseite der Leiterplatte 2' (siehe z.B. Figur 5).
FIG 2 zeigt den aus verzinntem Buntmetall, insbesondere aus Bronze oder Messing, beispielsweise aus CuZn39B63F51, gefertigten Kontaktkörper 4 in einer Seiten-, Querschnitts- und Draufsicht. Die Breite B der zweiten Seitenfläche 13 beträgt ca. 11 mm, ihre Länge L ca. 15 mm. Die Höhe H des Kontaktkörpers 4 ist im Beispiel 13 mm und der Durchmesser D der Öffnung 15 ca. 8 mm. Der Gewichtsersparnis durch die Öffnung 15 sind Grenzen gesetzt insofern, dass der Kontaktkörper 4 im Bereich des Blocks 11 noch eine ausreichende Stromtragfähigkeit aufweisen muss. Die Dimensionierung dieses Bereichs kann der Fachmann aufgrund an sich bekannter Berechnungen vornehmen. Im Beispiel einer Ausgestaltung des Hochstrom-Kontaktelements 1 für Ströme bis zu 200 A beträgt die Höhe h 11 mm und seine Breite b 7 mm.
Bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Durchgangsleistung von 63 kW wurde an dem Hochstrom-Kontaktelement 1 mittels einer Thermokamera ein maximaler Temperaturanstieg von 2,1° C gemessen. Die gemessenen Torsionsfestigkeiten lagen im Bereich von 14 Nm bis 21 Nm, die gemessenen Biegefestigkeiten (Scherung) im Bereich von 1000 Nm bis 1100 Nm. Für eine hohe Festigkeit des Kontaktelements 1 zur Leiterplatte 2' sind galvanisierte Buntmetall- oder Messingkontakte mit Zinn förderlich. Ebenso zweckmäßig hierfür ist eine gute Wärmedurchdringung der Kontakte im Reflow-Ofen während der Reflow-Phase und eine hohe Haltekraft des Lotpads 3 auf der Leiterplatte 2'.
In der unteren zweiten Seitenfläche 13 ist eine runde Ausnehmung 20 vorhanden, durch die entstehendes Gas aus dem Flussmittel der Lötpaste entweichen kann (Durchmesser d = 1,25 mm).
FIG 3 zeigt ein elektrisch leitfähiges Pad 3 als Bereich auf einer Leiterplatte 2' mit einem Lötpastendruck (in Folienausprägung) vor der Montage des Hochstrom-Kontaktelements 1. Der Lötpastendruck, der zusammen mit ggf. vorhandenen weiteren Leitungen auf der Platine in einem Arbeitsschritt hergestellt wird, weist sich kreuzende Unterbrechungen 21, 23 auf. Diese dienen dazu, ein Entweichen von Gasen zu unterstützen, die beim Verdampfen von Flussmittel der Lötpaste entstehen.
FIG 4 zeigt die Leiterplatte 2' im Bereich des Pads 3 der FIG 3 von der Rückseite aus betrachtet. Es ist dort ein Mikro-Lochraster mit einem Lochdurchmesser von ca. 0,3 mm vorhanden. Ein solches Mikro-Lochraster könnte auch als Mikro-Via bezeichnet werden. Das Lochraster weist insgesamt 216 Löcher mit Bezugszeichen 25 auf. Damit wird eine besonders hohe Stromtragfähigkeit der Verbindung des Kontaktelements 1 zur Leiterplatte 2' gewährleistet. Als Faustregel kann gelten: Ein Loch pro 2 A Stromtragfähigkeit. Außerdem wird durch die Verwendung des Mikro-Lochrasters auch die mechanische Stabilität erhöht. Die Löcher 25 der Mikro-Lochrasterung müssen nicht notweniger Weise durchgehend sein. Vielmehr genügt es, wenn sie von der Oberseite ausgehend als Sacklöcher ausgebildet sind. Eine aufwändigere Variante könnte vorsehen, dass die Sacklöcher in einem Innenlayer der Leiterplatte 2' quer entflochten sind.
Zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung nach der Erfindung wird auf die gemäß den Figuren 3 und 4 vorbereitete Leiterplatte 2' das Hochstrom-Kontaktelement 1 der FIG 1 im Bereich des Pads 3, aufgenommen von einer Saugdüse eines Bestückautomaten, positioniert. Bei einem anschließenden nicht dargestellten Lötvorgang in einer Reflow-Lötanlage wird eine Lötverbindung zwischen der Leiterplatte 2' und dem Hochstrom-Kontaktelement 1 hergestellt, wobei die Lötpaste in die Löcher 25 der Rasterung eindringt, wie dies in FIG 5 näher dargestellt ist.
Damit das Lötzinn im Falle von durchgehenden Löchern 25 beim Reflowprozess nicht kapillarartig durch die Mikro-Via zur gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 2' fließt und sich auf dem gegenüberliegenden Pad absetzt, wurde dort zuvor eine Blaulack-Lochabdeckung 26 angebracht.
Es ist vorteilhaft, die Geometrie des Pads 3 so zu dimensionieren, dass das Hochstrom-Kontaktelement 1 während der Reflow-Phase nicht verschwimmt. Das Pad 3 ragt hierzu nur maximal 0,5 mm über die Lötfläche 13 hinaus.
Die Lötpaste ist in Figur 5 mit 27 bezeichnet. Es wurde für ein beispielhaftes Verfahren eine Lötpaste vom Typ "Heraeus F360" verwendet. Dabei kam ein Bestückautomat "Siemens Siplace 80F" mit Saugpipette 0335761-01 zum Einsatz.
Die Leiterplatte 2' war vom Typ "FR 4" (Metric) mit Kupferdicke 105µm und Oberfläche HAL. Die Löttemperatur betrug im Peak 220°C bei einer Transportgeschwindigkeit von 88 cm/min und einer Vorwärme von 2,5°C/sec. Es wurde eine Edelstahl-Lotpastendruckfolie mit einer Dicke von 250 µm verwendet.
In FIG 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Hochstrom-Kontaktelements 1 nach der Erfindung dargestellt, das im Wesentlichen mit dem in FIG 5 dargestellten Ausführungsbeispiel identisch ist, mit dem Unterschied, dass die untere zweite Seitenfläche 13 nicht mit einer durchgehenden ebenen Kontaktfläche ausgestattet ist, sondern mit mehreren in einer Ebene liegenden Kontaktflächen 31. Anders formuliert ist bei diesem Ausführungsbeispiel die untere Seitenfläche 13 mit Rillen, Furchen oder Kanälen durchzogen. Dadurch wird die mechanische Stabilität der Verbindung hin zur Leiterplatte 2' noch weiter erhöht.
In FIG 7 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Hochstrom-Kontaktelements 1 nach der Erfindung dargestellt, dass sich im Wesentlichen bezüglich seiner Außenkontur von dem Kontaktelement 1 der Figuren 1, 2, 5 und 6 unterscheidet. Wogegen die letztgenannten Ansichten ein im Wesentlichen doppel-Tförmiges Hochstrom-Kontaktelement 1 zeigen, ist das Kontaktelement 1 der FIG 7 bezüglich seiner Außenkontur quaderförmig.
FIG 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Hochstrom-Kontaktelements 1 nach der Erfindung, das ebenso wie die bereits dargestellten Ausführungsbeispiele mit einem einstückigen Kontaktkörper 4 ausgestattet ist. Der Kontaktkörper 4 ist durch Absägen oder Abschneiden von einem U-förmigen Längsprofil entstanden. Die beiden Schenkel des U dienen als die beiden Seitenflächen 7, 13. Der somit seitlich offene Kontaktkörper 4 könnte an seiner offenen Seite mit einem zweiten vertikalen Steg ausgestattet sein, so dass sich - wie in FIG 7 - eine quaderförmige Außenkontur ergeben würde. Bei dem in FIG 8 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Kontaktkörper 4 an seiner unteren Seitenfläche 13 mehrere Bohrungen 35 mit einem Durchmesser von ca. 1 mm auf, um die Haltekraft und die Gasableitfähigkeit noch weiter zu vergrößern. Bei diesem Beispiel kann durch entsprechende Materialwahl (Festigkeit) eine Torsionsfestigkeit von mindestens 8 Nm für Messing-Schraubelemente 5 gewährleistet werden.
Es ist auch möglich, den Kontaktkörper 4 einstückig ohne Gewinde auszuführen und stattdessen eine Einpressmutter o. dgl. vorzusehen.
Das Hochstrom-Kontaktelements 1 nach der Erfindung kann außer zum Überleiten von elektrischen Strömen auch als rein mechanische Halterung zur Befestigung von Bauteilen auf einer Platine Verwendung finden.

Claims (13)

  1. Hochstrom-Kontaktelement (1) zur Befestigung an einer Leiterplatte (2'), mit einem metallischen Kontaktkörper (4) und mit einem mit dem Kontaktkörper (4) verbindbaren Schraubelement (5), wobei der Kontaktkörper (4) an einer ersten Seitenfläche (7) ein Gewinde (9) aufweist zur Befestigung eines Hochstrom-Kabels mittels des Schraubelements (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper (4) einstückig ausgebildet ist und an einer zweiten Seitenfläche (13) eine leitende Lötzone aufweist, umfassend eine ebene Kontaktfläche oder mehrere in einer Ebene liegende Kontaktflächen (31), wobei die Lötzone derart dimensioniert ist, dass sie auf einem leitenden Pad (3) der Leiterplatte (2') platzierbar ist.
  2. Hochstrom-Kontaktelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper (4) mit seiner ersten Seitenfläche (7) zur Aufnahme eines Kabelschuhs (16) des Hochstrom-Kabels ausgebildet ist.
  3. Hochstrom-Kontaktelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper (4) an seiner ersten Seitenfläche (7) plan ausgeführt ist.
  4. Hochstrom-Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötzone eine Querschnittsfläche (B x L) von mindestens 70 mm2, insbesondere von mindestens 100 mm2, aufweist.
  5. Hochstrom-Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewinde (9) als Gewindebohrung zur Aufnahme eines als Schraubelement (5) fungierenden Schraubstiftes ausgebildet ist.
  6. Hochstrom-Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seitenfläche (7) als ebene Saugfläche für die Aufnahme des Kontaktkörpers (4) von einer Saugdüse ausgebildet ist.
  7. Hochstrom-Kontaktelement (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seitenfläche (7) des Kontaktkörpers (4) in einer Draufsicht in Richtung Leiterplatte (2') deckungsgleich mit der zweiten Seitenfläche (13) des Kontaktkörpers (4) ist.
  8. Hochstrom-Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper (4) ausgehend von einem einzigen Rohling gefertigt ist.
  9. Leiterplattenanordnung (2) mit einem daran angelöteten Hochstrom-Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Leiterplattenanordnung (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine das leitende Pad (3) tragende Leiterplatte (2') im Bereich des leitenden Pads (3) ein Lochraster, insbesondere ein Mikro-Lochraster mit einem Lochdurchmesser von weniger als 0,4 mm oder von weniger als 0,3 mm, aufweist.
  11. Verwendung einer Leiterplattenanordnung (2) gemäß Anspruch 9 oder 10 als Wandelement zur Erzeugung eines gasdichten oder vakuumdichten Innenraums.
  12. Verwendung eines Hochstrom-Kontaktelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Einleiten oder Ausleiten eines Stromes von mehr als 50 A, insbesondere von mehr als 100 A, in eine bzw. aus einer Leiterplattenanordnung (2).
  13. Verwendung eines Hochstrom-Kontaktelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Oberflächen-Montage auf einer Leiterplattenanordnung (2) unter Einsatz einer Saugdüse eines Bestückautomaten.
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