WO2001008267A1 - Kontaktelement zum einpressen in ein loch einer leiterplatte - Google Patents

Kontaktelement zum einpressen in ein loch einer leiterplatte Download PDF

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Roland Cuvelier
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Tyco Electronics Logistics Ag
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    • H01RELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
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    • H01R12/50Fixed connections
    • H01R12/51Fixed connections for rigid printed circuits or like structures
    • H01R12/55Fixed connections for rigid printed circuits or like structures characterised by the terminals
    • H01R12/58Fixed connections for rigid printed circuits or like structures characterised by the terminals terminals for insertion into holes
    • H01R12/585Terminals having a press fit or a compliant portion and a shank passing through a hole in the printed circuit board
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/30Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
    • H05K3/306Lead-in-hole components, e.g. affixing or retention before soldering, spacing means
    • H05K3/308Adaptations of leads

Definitions

  • the invention relates to a contact element which is equipped with a press-in zone.
  • the press-in zone is intended to deform when inserted into a hole in a printed circuit board, as a result of which a force is exerted on the wall of the hole and an electrical and mechanical connection is thus established.
  • Press fit zones are used in a wide variety. It is a widely used solderless connection technology, which is characterized by high reliability with simple processing.
  • So-called bottleneck press-in zones are known from the prior art. These press-in zones have an elongated opening in the direction of insertion, which is pressed together when pressed into a hole.
  • The. Press-in zone must have a certain minimum material thickness in order to be able to apply the necessary holding force. Problems arise with bottleneck press-in zones in the lower hole tolerance area, since the insertion area of the press-in zone is difficult to deform. When pressing in, high press-in forces arise at the beginning, with the risk of tin chip formation and circuit board deformation.
  • An improved press-in zone is known from EP 0 387 317 B1, which has two openings. The web between the openings is split in the middle. The press-in zone is now curved so that when pressed in, the two halves of the web slide behind one another and thus overlap. In the production of the press-in zone, an additional work step is required due to the bending, which makes the press-in zone more complex and thus more expensive.
  • the invention is based on the object of creating a press-in zone which is simple in construction, enables a small material thickness and nevertheless exerts the necessary holding force.
  • a contact element for pressing into a hole in a printed circuit board with a pin-shaped press-in zone which has an insertion area and an adjoining deformable area, both of which are formed in one plane, the deformable area having a width which is larger than the diameter of the hole, and the insertion area has a width which is smaller than the diameter of the hole, the deformable area having a front and a rear area, both of which have a closed opening.
  • the design according to the invention of the press-in zone with two openings ensures the necessary rigidity of the press-in zone, even when using very thin material. Since no bending processes are necessary, the manufacture of the contact element is very simple.
  • the outer contour of the press-in zone preferably has a constriction between the front and the rear deformable region. In this way, the press-in behavior of the press-in zone can be optimized.
  • the front deformable area has a smaller width than the rear deformable area.
  • the front deformable area guarantees an optimal tight fit in the lower tolerance area of the hole, the rear deformable area an optimal tight fit in the upper area of the hole tolerance.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a contact element according to the invention for a hole diameter of 1.0 mm
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a contact element according to the invention for a hole diameter of 0.7 mm
  • a press-in zone 1 of a contact element which has two openings 2.
  • the front area in the insertion direction 3 is an insertion area 4.
  • the insertion area 4 widens in the direction of the front opening 2 and merges into a deformable area which is divided into a front deformable area 5 and a rear deformable area 6.
  • One of the openings 2 is located in the front deformable area 5, the other opening 2 in the rear deformable area 6. It is therefore two adjacent needle eye zones.
  • the distinction between the two deformable areas is also clear from a constriction 8 in the outer contour of the press-in zone 1. This configuration results in a continuous web 7 between the two openings 2.
  • Both the front deformable region 5 and the rear deformable region 6 have a width which is greater than the diameter of the hole into which the press-in zone 1 is inserted shall be. In the area of the web 7, on the other hand, the width is smaller than the diameter of the hole, likewise in the insertion area 4.
  • the press-in zone 1 is made from a sheet metal, the material thickness d of which is considerably smaller than the diameter a of the hole (see FIG. 3). In this embodiment the material thickness d is approximately 35% of the diameter a.
  • Another problem that must be taken into account is the tolerance of the holes into which the press-in zones are to be inserted. Due to the hole tolerance, it is difficult to achieve sufficient contact in the upper tolerance range and no damage in the lower tolerance range. This problem is also solved with the press-in zone according to the invention. This is done in that the width of the front deformable area 5 is smaller than the width of the rear deformable area 6. In the lower tolerance half of the hole, the front deformable area 6 has an optimal effect. In the upper tolerance half of the hole, however, the rear deformable area 5 has its optimal effect. In addition, the front deformable area 5 the hole is already preconditioned when inserted, d. H.
  • the deformation of the hole takes place when the front deformable region 5 is inserted, so that the rear deformable region 6 can achieve a maximum contact force without damaging the hole.
  • the setting of the dimensions of the two deformable regions 5 and 6 results in an optimal coordination with regard to the press-in force, the holding force, the molding into the hole and the gas tightness of the connection between the press-in zone 1 and the hole.
  • FIG. 1 is provided for a hole diameter of 1.0 mm
  • FIG. 2 shows a press-in zone 21 for a hole diameter of 0.7 mm.
  • the invention is not limited to contact elements with press-in zones for these two diameters. They are any other Diameter possible.
  • the width of the deformable regions 25 and 26 is smaller than in the embodiment of FIG. 1, but the material thickness of the sheet is the same.
  • the geometry of the outer contour must be changed. For example, the insertion area 24 is made much longer than in the exemplary embodiment of FIG. 1 and the opening 22 in the front deformable area 25 is significantly shorter.
  • Figure 3 shows the cross section of the press-in zone 21 of a contact element.
  • a hole 32 in a circuit board 31.
  • a sleeve 33 is introduced into the hole 32.
  • the hole 32 is also provided with another method with a metal layer.
  • the press-in zone 21 lies tight against the sleeve 33, so that a low-resistance electrical contact is produced. Since the contact surfaces are also gas-tight zones, long-term stability is guaranteed.
  • FIGS. 4A to 4C show the press-in process using three functional phases.
  • first functional phase press-in zone 1 with insertion area 4 is inserted into hole 32.
  • second functional phase FIG. 4B
  • the front deformable area 5 is already pressed into the hole 32.
  • the third functional phase even if the rear deformable region 6 is pressed into the hole, it is deformed somewhat less than if the front deformable region 5 were not present.
  • the usual tolerances of the holes 32 are largely compensated for by the front deformable area 5.
  • the smaller the hole diameter the more the hole is widened by the front deformable area. This leads to a further optimization of the contact behavior. It can also be seen in FIG. 4C that there are four contact areas instead of two as in a simple bottleneck zone.

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  • Multi-Conductor Connections (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kontaktelement zum Einpressen in ein Loch einer Leiterplatte. Das Kontaktelement weist eine Einpreßzone (1) auf, die sich in einen vorderen und in einen hinteren verformbaren Bereich (5, 6) sowie einen Einführbereich (4) unterteilen läßt. Sowohl der vordere als auch der hintere verformbare Bereich (5, 6) weisen eine Öffnung (2) auf. Zwischen den Öffnungen (2) ist ein Steg (7) gebildet. Durch diese Ausgestaltung wird die Steifigkeit der Einpreßzone (1) optimiert und somit die Haltekraft bei Verwendung von Blech mit einer geringen Materialstärke verbessert. Außerdem findet beim Einpressen durch den vorderen verformbaren Bereich (5) eine Kalibrierung des Lochdurchmessers statt.

Description

Beschreibung
Kontaktelement zum Einpressen in ein Loch einer Leiterplatte
Die Erfindung betrifft ein Kontaktelement, das mit einer Einpreßzone ausgestattet ist. Die Einpreßzone ist dazu bestimmt, beim Einführen in ein Loch einer Leiterplatte sich zu verfor- men, wodurch auf die Wand des Loches eine Kraft ausgeübt und somit eine elektrische und mechanische Verbindung hergestellt wird.
Einpreßzonen finden in einer großen Vielfalt Anwendung. Es handelt sich um eine breit eingesetzte lötfreie Verbindungs- technik, die sich durch hohe Zuverlässigkeit bei einfacher Verarbeitung auszeichnet. Aus dem Stand der Technik sind sogenannte Nadelöhr-Einpreßzonen bekannt. Diese Einpreßzonen weisen eine in Einsteckrichtung längliche Öffnung auf, die beim Einpressen in ein Loch zusammengedrückt wird. Die. Ein- preßzone muß eine bestimmte Mindestmaterialdicke aufweisen, um die nötige Haltekraft aufbringen zu können. Probleme ergeben sich bei Nadelöhr-Einpreßzonen im unteren Lochtoleranzbereich, da der Einführbereich der Einpreßzone schwer verformbar ist. Beim Einpressen entstehen am Anfang hohe Einpress- kräfte mit der Gefahr der Zinnspanbildung und der Leiterplattenverformung.
Aus der EP 0 387 317 Bl ist eine verbesserte Einpreßzone bekannt, die zwei Öffnungen aufweist. Der zwischen den Öffnun- gen liegende Steg ist in der Mitte aufgetrennt. Die Einpreßzone ist nun so gebogen, daß beim Einpressen sich die beiden Hälften des Steges hintereinander schieben und so überlappen. Bei der Herstellung der Einpreßzone ist durch das Verbiegen ein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich, der die Ein- preßzone aufwendiger und somit teurer macht. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einpreßzone zu schaffen, die einfach im Aufbau ist, eine geringe Materialdicke ermöglicht und trotzdem die notwendige Haltekraft aufbringt .
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kontaktelement zum Einpressen in ein Loch einer Leiterplatte mit einer stiftförmi- gen Einpreßzone, die einen Einführbereich und einen sich daran anschließenden verformbaren Bereich aufweist, die beide in einer Ebene gebildet sind, wobei der verformbare Bereich eine Breite besitzt, die größer ist als der Durchmesser des Loches, und der Einführungsbereich eine Breite besitzt, die kleiner ist als der Durchmesser des Loches, wobei der verformbare Bereich einen vorderen und einen hinteren Bereich aufweist, die beide eine geschlossene Öffnung besitzen.
Die erfindungsgemäße Ausführung der Einpreßzone mit zwei Öffnungen, sorgt für die notwendige Steifigkeit der Einpreßzone, auch bei Verwendung von sehr dünnem Material. Da keine Biege- Vorgänge von Nöten sind, ist die Herstellung des Kontaktelementes sehr einfach. Vorzugsweise weist die Außenkontur der Einpreßzone zwischen dem vorderen und dem hinteren verformbarer Bereich eine Einschnürung auf. Auf diese Weise kann das Einpreßverhalten der Einpreßzone optimiert werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist der vordere verformbare Bereich eine geringere Breite auf als der hintere verformbare Bereich. Der vordere verformbare Bereich garantiert einen optimalen Festsitz im unteren Toleranzbe- reich des Loches, der hintere verformbare Bereich einen optimalen Festsitz im oberen Bereich der Lochtoleranz.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä- ßen Kontaktelementes für einen Lochdurchmesser von 1, 0 mm,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kontaktelementes für einen Lochdurchmesser von 0, 7 mm,
Figur 3 einen Querschnitt des Kontaktelementes von Figur 2, und die
Figuren 4A bis 4C den Einpreßvorgang des Kontaktelementes von Figur 1 anhand von drei Funktionsphasen.
In Figur 1 ist eine Einpreßzone 1 eines Kontaktelementes dargestellt, die zwei Öffnungen 2 aufweist. Der in Einsteckrichtung 3 vordere Bereich ist ein Einführbereich 4. In Richtung der vorderen Öffnung 2 verbreitert sich der Einführbereich 4 und geht in einen verformbaren Bereich, der in einen vorderen verformbaren Bereich 5 und einen hinteren verformbaren Bereich 6 gegliedert ist, über. Eine der Öffnungen 2 befindet sich im vorderen verformbaren Bereich 5, die andere Öffnung 2 im hinteren verformbaren Bereich 6. Es handelt sich also um zwei aneinandergrenzende Nadelöhrzonen. Die Unterscheidung der beiden verformbaren Bereiche ist auch durch eine Einschnürung 8 in der Außenkontur der Einpreßzone 1 deutlich. Aufgrund dieser Ausgestaltung ergibt sich zwischen den beiden Öffnungen 2 ein durchgehender Steg 7. Sowohl der vordere ver- formbare Bereich 5 als auch der hintere verformbare Bereich 6 weisen eine Breite auf, die größer ist als der Durchmesser des Loches, in das die Einpreßzone 1 eingesteckt werden soll. Im Bereich des Steges 7 hingegen ist die Breite kleiner als der Durchmesser des Loches, ebenso im Einführbereich 4. Die Einpreßzone 1 ist aus einem Blech gefertigt, dessen Materialdicke d wesentlich kleiner ist als der Durchmesser a des Loches (siehe Figur 3). In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Materialdicke d ungefähr 35% des Durchmessers a. Dieses Verhältnis d/a ist bei der Konstruktion von Einpreßzonen ein wichtiges Maß, da es in die Steifigkeit der Einpreßzone 1 eingeht. Normalerweise kann ein Wert von d/a = 60% nicht un- terschritten werden, ohne daß die Haltekraft der Einpreßzone 1 abnimmt. Durch die Anordnung von zwei Öffnungen 2 und den dazwischen liegenden Steg 7 weist die erfindungsgemäße Einpreßzone 1 jedoch trotzdem eine ausreichende Steifigkeit auf.
Ein weiteres Problem, das berücksichtigt werden muß, ist die Toleranz der Löcher, in die die Einpreßzonen eingesteckt werden sollen. Aufgrund der Lochtoleranz ist es schwierig, einen ausreichenden Kontakt im oberen Toleranzbereich, und keine Beschädigung im unteren Toleranzbereich zu erzielen. Auch dieses Problem wird mit der erfindungsgemäßen Einpreßzone gelöst. Dies geschieht dadurch, daß die Breite des vorderen verformbaren Bereiches 5 kleiner ist als die Breite des hinteren verformbaren Bereiches 6. In der unteren Toleranzhälfte des Loches hat der vordere verformbare Bereich 6 eine optima- le Wirkung. In der oberen Toleranzhälfte des Loches hingegen hat der hintere verformbare Bereich 5 seine optimale Wirkung. Hinzu kommt, daß der vordere verformbare Bereich 5 das Loch beim Einstecken bereits vorkonditioniert ist, d. h. die stattfindende Verformung des Loches geschieht beim Einführen des vorderen verformbaren Bereiches 5, so daß der hintere verformbare Bereich 6 eine maximale Kontaktkraft ohne Beschädigung des Loches erreichen kann. Die Einstellung der Maße beider verformbarer Bereiche 5 und 6 bewirkt eine optimale Abstimmung in Hinblick auf die Einpreßkraft, die Haltekraft, die Einformung in das Loch sowie die Gasdichtheit der Verbindung 'zwischen Einpreßzone 1 und Loch.
Während die Einpreßzone von Figur 1 für einen Lochdurchmesser von 1,0 mm vorgesehen ist, zeigt Figur 2 eine Einpreßzone 21 für einen Lochdurchmesser von 0,7 mm. Die Erfindung beschränkt sich aber nicht auf Kontaktelemente mit Einpreßzonen für diese beiden Durchmesser. Es sind auch beliebige andere Durchmesser möglich. Bei der Einpreßzone 21 für ein 0,7 mm - Loch ist zwar die Breite der verformbaren Bereiche 25 und 26 kleiner als bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 1, die Materialstärke des Bleches ist jedoch gleich. Um dieselben Kennwerte für die Kräfte zu erhalten, muß deshalb die Geometrie der Außenkontur geändert werden. Beispielsweise ist der Einführbereich 24 wesentlich länger ausgeführt als bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 und die Öffnung 22 im vorderen verformbaren Bereich 25 wesentlich kürzer.
Figur 3 zeigt den Querschnitt der Einpreßzone 21 eines Kontaktelementes. In einer Leiterplatte 31 befindet sich ein Loch 32. In das Loch 32 ist eine Hülse 33 eingebracht. Oft ist das Loch 32 aber auch mit einem anderen Verfahren mit ei- ner Metallschicht ausgestattet. Durch das Einpressen legt sich die Einpreßzone 21 dicht an die Hülse 33 an, so daß ein niederohmiger elektrischer Kontakt entsteht. Da es sich bei den Kontaktflächen auch um gasdichte Zonen handelt, ist eine Langzeitstabilität gewährleistet .
In den Figuren 4A bis 4C ist der Einpreßvorgang anhand von drei Funktionsphasen dargestellt. In der ersten Funktionspha- se (Figur 4A) wird die Einpreßzone 1 mit dem Einführbereich 4 in das Loch 32 eingesetzt. In der zweiten Funktionsphase (Fi- gur 4B) ist der vordere verformbare Bereich 5 bereits in das Loch 32 eingepreßt. Durch das Einpressen weitet sich das Loch 32 dort, wo es mit der Einpreßzone in Kontakt ist. Dadurch wird in der dritten Funktionsphase (Figur 4C) , wenn auch der hintere verformbare Bereich 6 in das Loch eingepreßt wird, dieser etwas weniger verformt, als wenn der vordere verformbare Bereich 5 nicht vorhanden wäre. Die üblichen Toleranzen der Löcher 32 werden weitgehend ausgeglichen durch den vorderen verformbaren Bereich 5. Je kleiner der Lochdurchmesser ist, desto stärker wird das Loch durch den vorderen verform- baren Bereich geweitet. Dies bewirkt eine weitere Optimierung des Kontaktverhaltens. In Figur 4C ist auch zu erkennen, daß es vier Kontaktbereiche gibt statt zwei wie bei bei einer einfachen Nadelöhrzone.

Claims

Patentansprüche
1. Kontaktelement zum Einpressen in ein Loch einer Leiterplatte mit
einer stiftförmigen Einpreßzone (1; 21) , die einen Einführbereich (4; 24) und einen sich daran anschließenden verformbaren Bereich aufweist, die beide in einer Ebene gebildet sind,
wobei der verformbare Bereich eine Breite besitzt, die größer ist als der Durchmesser des Loches (32), und der Einführungsbereich (4; 24) eine Breite besitzt, die kleiner ist als der Durchmesser des Loches (32),
wobei der verformbare Bereich einen vorderen und einen hinteren Bereich (5, 6; 25, 26) aufweist, die beide eine geschlossene Öffnung (2; 22) besitzen.
2. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur der Einpreßzone (1; 21) zwischen dem vorderen und dem hinteren verformbaren Bereich (5, 6; 25, 26) eine Einschnürung (8; 28) aufweist.
3. Kontaktelement nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß der vordere verformbare Bereich (5; 25) eine geringere Breite aufweist als der hintere verformbare Bereich (6; 26).
4. Kontaktelement nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Einpreßzone (1; 21) zwischen dem vorderen und dem hinteren verformbaren Bereich (5, 6; 25, 26) kleiner als der Durch- messer des Loches (32) ist. Kontaktelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur des vorderen und des hinteren verformbaren Bereiches (5, 6 ; 25, 26) bauchförmig ist.
Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialdicke (d) der Einpreßzone (1; 21) kleiner als 60% des Lochdurch- messers (a) ist.
Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialdicke (d) der Einpreßzone (1; 21) 30% bis 40% des Lochdurchmessers (a) beträgt.
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