WO2005020377A1 - Verbindungsanordnung - Google Patents

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WO2005020377A1
WO2005020377A1 PCT/EP2004/005520 EP2004005520W WO2005020377A1 WO 2005020377 A1 WO2005020377 A1 WO 2005020377A1 EP 2004005520 W EP2004005520 W EP 2004005520W WO 2005020377 A1 WO2005020377 A1 WO 2005020377A1
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connection
carriers
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PCT/EP2004/005520
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Peter Kanschat
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eupec Europäische Gesellschaft für Leistungshalbleiter mbH
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    • H01R12/52—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures connecting to other rigid printed circuits or like structures
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    • H05K3/3421—Leaded components
    • H05K3/3426—Leaded components characterised by the leads

Definitions

  • the invention is in the field of electrical connection technology and relates to a connection arrangement with at least two circuit carriers, each circuit carrier each having a side with electrical contact surfaces and wherein at least one contact surface of the one circuit carrier is electrically conductively connected to at least one contact surface of the other circuit carrier via a connecting element ,
  • connection pins can be soldered onto the respective circuit carriers onto which the corresponding connector plugs are plugged.
  • the mechanical fixation of the circuit carriers relative to one another usually takes place by means of receptacles or brackets which, are provided in a common housing.
  • the object of the present invention is therefore to provide a connection arrangement in which the circuits formed on the two circuit carriers are reliably electrically connected to one another and in which the mechanical fixation of the two circuit carriers in a predetermined relative position to one another is implemented simply and inexpensively in terms of process technology.
  • This object is achieved with a connection arrangement according to claim 1. Refinements and developments of the inventive concept are the subject of subclaims.
  • An essential aspect of the invention is that the connecting element or elements perform a double function by establishing both the electrical and the mechanical connection between two different circuit levels or circuit carriers.
  • Fastening elements are shaped in such a way that the mechanical connection is guaranteed without any additional mechanical connecting parts that have to be handled and assembled.
  • Another essential aspect of the invention is that the positions of the contacting areas connected to one another via a connecting element are predetermined such that the two circuit carriers are fixed to one another in a desired relative position.
  • One circuit carrier can serve as a master and the other
  • Circuit carriers are positioned and fixed relative to the first circuit carrier.
  • the circuit carriers can consist of different materials (e.g. a ceramic and a plastic) and / or be processed differently.
  • connection between the connecting elements and the respectively assigned contacting surfaces is preferably made by means of gluing, soldering or welding.
  • soldering the self-centering effect or self-positioning effect which occurs on a contact surface as a result of the surface tension of the solder can advantageously be used.
  • the connecting elements can preferably be applied and fixed in SMD technology on the associated contacting areas of the first circuit carrier and then fixed with their second free ends on the corresponding contacting areas of the second circuit carrier.
  • connection arrangement according to the invention can be highly automated and is therefore particularly suitable for mass production.
  • the connecting element is a hollow body. This can preferably be tubular or tubular rivet-shaped.
  • a connection element for external contacting particularly preferably a contact pin, can be introduced into the cavity of the connecting element and penetrate at least one circuit carrier to the outside.
  • the connecting element is connected to a contact surface in the penetration area that extends into the penetration area.
  • connection element can in principle be introduced both before and after the connection of the two circuit carriers through a corresponding hole or recess in at least one of the circuit carriers and connected to the connection element, for example soldered or crimped.
  • connection element for example soldered or crimped.
  • FIGS. 1 to 6 show examples of variants of the connection arrangement according to the invention using different connection elements.
  • first circuit carrier 1 and 2 show a first circuit carrier 1 and a second circuit carrier 2 aligned parallel thereto.
  • the circuit carriers have coatings 4, 5 on both sides; 6, 7 made of conductive material, e.g. Copper, on. From the coatings on the facing inner sides 8, 9 of the circuit carriers, line structures (conductor tracks) and several contacting areas 10, 11, 12, 13; 15, 16, 17, 18 formed. Corresponding contacting surfaces facing one another (e.g. 10, 15; 11, 16) are connected to one another via connecting elements in the form of tubular rivet elements 20, 21, 22, 23.
  • the tubular rivet elements are each soldered to the contacting surfaces with flange-shaped extensions at the ends. Alternatively, they could also be welded or glued with a conductive adhesive.
  • the ends of the connecting element 20 are thus connected in an electrically conductive manner to the contacting areas and thus form a conductive connection between the contacting areas 10, 15 and thus between the circuits formed on the circuit carriers 1, 2.
  • the connecting element 20 in a double function, fixes the two circuit carriers 1, 2 mechanically firmly to one another in a predetermined relative position.
  • the tubular shape of the connecting element which is illustrated in cross section in the lower part of FIGS. 1 and 2 with the aid of the connecting element 20, is particularly advantageous for this purpose ensures mechanical rigidity.
  • the two circuit carriers are positioned in a predetermined, desired relative position to one another in that the contacting areas are designed in a corresponding desired position.
  • the connecting elements can first be soldered to the contacting areas of one circuit carrier (for example 2) and then connected to the contacting areas if the other circuit carrier 1 is aligned in the correct position.
  • FIG. 2 shows a supplementary embodiment of the arrangement according to FIG. 1, a contact pin 30, 31, 32 being introduced into the longitudinal cavities of the connecting elements 20, 21, 22 and being electrically conductively connected to the connecting element.
  • the contact pins penetrate holes 34, 35, 36 provided in the circuit carrier 1, so that the contact pin ends can be contacted externally (e.g. by means of plugs).
  • FIG. 3 shows a structure largely corresponding to FIG. 2, with specially shaped tubular rivet elements being used as connecting elements 40, 41, 42, 43. These are each passed through a through-connection 45, 46, 47 in the circuit carrier 1, with which contact-making surfaces 50, 51, 52 extend through the circuit carrier 1 in the penetration area. This results in circuit nodes at which both the conductor tracks formed on the two sides 4, 5 of the circuit carrier 1 and the corresponding contacting areas (for example 15) of the circuit carrier 2 are electrically connected to one another and also an external contact via the free end, for example 56 a contact pin z. B. 57 is possible.
  • the contact pin can also be electrically connected to the connecting element by means of a press or crimp connection.
  • the connecting elements - as can be seen from the cross-sectional view of the connecting element 40 in the lower part of FIG. 3 - have such stability and positioning that the circuit carriers do not require additional receptacles or Bracket elements are mechanically fixed to each other in a predetermined desired relative position.
  • FIG. 4 shows a further variant of a connection arrangement according to the invention, in which the connection elements are formed by pipe pieces or sleeves 60, 61, 62, 63, which, as described above, with the corresponding contacting surfaces 10, 15; 11, 16; 12, 17; 13, 18 are electrically and mechanically connected.
  • FIG. 5 shows a further variant of a connection arrangement according to the invention, in which the connection elements are formed by — preferably slotted — hollow profiles 65, 66, 67, 68 with a rectangular cross-section (see cross-sectional illustration in the lower part of FIG. 5).
  • FIG. 6 shows an embodiment of the connection arrangement according to the invention, in which the connection elements are formed by flat band elements 70, 71 (see also the top view of the connection element 70 in the lower part of FIG. 6). These are each connected to the contacting areas 10, 15 with connecting areas (e.g. areas 75 and 76 of the element 70). A free end 77 of the element 70 extends vertically outwards and serves for external contacting.

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Abstract

Die Verbindungsanordnung umfasst mindestens zwei Schaltungsträger (1, 2), wobei jeder Schaltungsträger jeweils eine Seite mit elektrischen Kontaktierungsflächen (10, 15) aufweist. Mindestens eine Kontaktfläche (10, 15) des einen Schaltungsträgers (1) ist mit mindestens einer Kontaktfläche (15) des anderen Schaltungsträgers (2) über ein Verbindungselement (20) elektrisch leitend verbunden. Um kostengünstig auch eine feste mechanische Verbindung der beiden Schaltungsträger ohne zusätzliche Halterungen zu realisieren, verbindet das Verbindungselement (20) die beiden Schaltungsträger zugleich mechanisch fest miteinander, wobei die verbundenen Kontaktierungsflächen der beiden Schaltungsträger so positioniert sind, dass die Schaltungsträger in einer vorgegebenen Relativlage zueinander fixiert sind.

Description

Beschreibung
Verbindungsanordnung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Verbindungstechnik und betrifft eine Verbindungsanordnung mit mindestens zwei Schaltungsträgern, wobei jeder Schaltungsträger jeweils eine Seite mit elektrischen Kontaktierungsflächen aufweist und wobei mindestens eine Kontaktfläche des einen Schaltungsträgers mit mindestens einer Kontaktfläche des anderen Schaltungsträgers über ein Verbindungselement elektrisch leitend verbunden ist.
Es ist allgemein bekannt, auf unterschiedlichen Schaltungs- trägern (z.B. Platinen oder Keramiken) angeordnete Schaltungen über Verbindungsstecker, Kabel und/oder Bonddrähte elektrisch miteinander zu verbinden. Dazu können Anschlussstifte auf die jeweiligen Schaltungsträger gelötet sein, auf die die entsprechenden Verbindungsstecker aufgesteckt werden. Die me- chanische Fixierung der Schaltungsträger relativ zueinander erfolgt dabei üblicherweise durch Aufnahmen oder Halterungen, die z.B. in einem gemeinsamen Gehäuse vorgesehen sind.
Dies ist prozesstechnisch vergleichsweise aufwendig und lässt sich nur eingeschränkt automatisieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Verbindungsanordnung, bei der die auf den beiden Schaltungsträgern ausgebildeten Schaltungen zuverlässig e- lektrisch miteinander verbunden sind und bei der zugleich die mechanische Fixierung der beiden Schaltungsträger in einer vorgegebenen Relativlage zueinander prozesstechnisch einfach und kostengünstig realisiert ist. Diese Aufgabe wird durch mit eine Verbindungsanordnung gemäß Patentanspruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das oder die Verbindungselemente eine Doppelfunktion ausüben, indem sie sowohl die elektrische als auch die mechanische Verbindung zwischen zwei unterschiedlichen Schaltungsebenen bzw. Schaltungsträgern herstellen. Vorteilhafterweise sind die
Verbindungselemente so geformt, dass die mechanische Verbindung ohne weitere, zusätzlich zu handhabende und zu montie-rende mechanische Verbindungsteile gewährleistet ist.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Positionen der über ein Verbindungselement miteinander verbundenen Kontaktierungsflächen so vorgegeben sind, dass die beiden Schaltungsträger zueinander in einer gewünschten Relativposition fixiert sind. Dabei kann der eine Schaltungsträger quasi als Master dienen und der andere
Schaltungsträger relativ zum ersten Schaltungsträger positioniert und fixiert werden.
Dabei können die Schaltungsträger aus unterschiedlichem Mate- rial (z.B. aus einer Keramik und einem Kunststoff) bestehen und/oder unterschiedlich prozessiert sein.
Bevorzugt erfolgt die Verbindung zwischen den Verbindungselementen und den jeweiligen zugeordneten Kontaktierungsflächen mittels Klebung, Lötung oder Schweißung. Bei einer Lötung kann vorteilhafterweise der durch die Oberflächenspannung des Lotes auf einer Kontaktfläche auftretende Selbstzentrierungseffekt oder Selbstpositionierungseffekt ausgenutzt werden. Die Verbindungselemente können bevorzugt in SMD-Technologie auf den zugeordneten Kontaktierungsflächen des ersten Schaltungsträgers aufgebracht und fixiert werden und anschließend mit ihren zweiten noch freien Enden auf den entsprechenden Kontaktierungsflächen des zweiten Schaltungsträgers fixiert werden.
Insgesamt ist der Herstellungsprozess der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung hoch automatisierbar und deshalb für ei- ne Massenfertigung besonders geeignet.
Bei einer vorteilhaften Fortbildung der Erfindung ist das Verbindungselement ein Hohlkörper. Dieser kann bevorzugt rohrförmig oder rohrnietförmig ausgebildet sein. Vorteilhaft- erweise kann ein Anschlusselement zur externen Kontaktierung, besonders bevorzugt ein Kontaktstift, in den Hohlraum des Verbindungseiements eingebracht sein und zumindest einen Schaltungsträger nach außen hin durchdringen. Dabei ist es fertigungstechnisch bevorzugt, wenn das Verbindungselement mit einer sich in den Durchdringungsbereich erstreckenden Kontaktfläche im Durchdringungsbereich verbunden ist.
Das Anschlusselement kann dabei grundsätzlich sowohl vor als auch nach der Verbindung der beiden Schaltungsträger durch eine entsprechende Bohrung oder Ausnehmung in zumindest einem der Schaltungsträger eingebracht und mit dem Verbindungselement verbunden, z.B. verlötet oder verquetscht, werden. So kann ein Schaltungsknoten zwischen erstem und zweitem Schaltungsträger mit gleichzeitigem externen Anschluss realisiert werden, wie er häufig bei Leistungshalbleitermodulen erforderlich ist. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei in den Figuren der Zeichnung für gleiche Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Die Figuren 1 bis 6 zeigen beispielhaft Varianten der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung unter Verwendung unterschiedlicher Verbindungselemente .
In den Figuren 1 und 2 sind ein erster Schaltungsträger 1 und ein dazu parallel ausgerichteter zweiter Schaltungsträger 2 dargestellt. Die Schaltungsträger weisen beidseitig Beschichtungen 4, 5; 6, 7 aus leitfähigem Material, z.B. Kupfer, auf. Aus den BeSchichtungen auf den zugewandten Innenseiten 8, 9 der Schaltungsträger sind in an sich bekannter Weise Leitungsstrukturen (Leiterbahnen) und mehrere Kontaktierungsflächen 10, 11, 12, 13; 15, 16, 17, 18 gebildet. Einander zugewandte korrespondierende Kontaktierungsflächen (z.B. 10, 15; 11, 16) sind über Verbindungselemente in Form von Rohrniet- elementen 20, 21, 22, 23 miteinander verbunden. Die Rohrnietelemente sind jeweils mit endseitigen, flanschförmigen Erweiterungen mit den Kontaktierungsflächen verlötet. Alternativ könnten sie auch verschweißt oder mit einem Leitkleber verklebt sein.
Das Verbindungselement 20 ist damit mit seinen Enden mit den Kontaktierungsflächen elektrisch leitend verbunden und bildet so eine leitende Verbindung zwischen den Kontaktierungsflächen 10, 15 und damit zwischen den auf den Schaltungsträgern 1, 2 ausgebildeten Schaltungen.
Gleichzeitig fixiert das Verbindungselement 20 in Doppelfunktion die beiden Schaltungsträger 1, 2 in einer vorgegebenen Relativlage mechanisch fest zueinander. Dazu dient besonders vorteilhaft die - im Querschnitt im unteren Teil der Figuren 1 und 2 anhand des Verbindungselements 20 verdeutlichte - rohrförmige Gestalt des Verbindungselements, die eine hohe mechanische Steifigkeit gewährleistet. Die beiden Schaltungsträger sind dadurch in einer vorgegebenen, gewünschten relativen Lage zueinander positioniert, dass die Kontaktierungsflächen in entsprechender Sollposition ausgebildet sind. Die Verbindungselemente können zunächst mit den Kontaktierungsflächen des einen Schaltungsträgers (z.B. 2) verlötet und anschließend bei lagerichtiger Ausrichtung des anderen Schaltungsträgers 1 mit dessen Kontaktierungsflächen verbunden werden.
Figur 2 zeigt eine ergänzende Ausgestaltung der Anordnung nach Figur 1, wobei in die Längshohlräume der Verbindungselemente 20, 21, 22 jeweils ein Kontaktstift 30, 31, 32 eingebracht und mit dem Verbindungselement elektrisch leitend ver- bunden ist. Die Kontaktstifte durchdringen in dem Schaltungsträger 1 vorgesehene Bohrungen 34, 35, 36, so die Kontaktstiftenden extern (z.B. durch Stecker) kontaktierbar sind.
Figur 3 zeigt einen der Figur 2 weitgehend entsprechenden Aufbau, wobei speziell geformte Rohrnietelemente als Verbindungselemente 40, 41, 42, 43 verwendet sind. Diese sind jeweils durch eine Durchkontaktierung 45, 46, 47 im Schaltungsträger 1 hindurchgeführt, mit denen sich Kontaktierungsflächen 50, 51, 52 im Durchdringungsbereich durch den Schal- tungsträger 1 erstrecken. Somit ergeben sich Schaltungsknoten, an denen sowohl die auf den beiden Seiten 4, 5 des Schaltungsträgers 1 ausgebildeten Leiterbahnen als auch die entsprechenden Kontaktierungsflächen (z.B. 15) des Schaltungsträgers 2 elektrisch miteinander verbunden sind und au- ßerdem eine externe Kontaktierung über das freie Ende z.B. 56 eines Kontaktstiftes z. B. 57 möglich ist. Der Kontaktstift kann auch mittels Press- oder Quetschverbindung mit dem Verbindungselement elektrisch verbunden sein. Auch hier weisen die Verbindungselemente - wie aus der Querschnittsdarstellung des Verbindungselements 40 im unteren Teil der Figur 3 ersichtlich - eine derartige Stabilität und Positionierung auf, dass die Schaltungsträger ohne zusätzliche Aufnahmen oder Halterungselemente in vorgegebener gewünschter Relativlage mechanisch fest zueinander positioniert sind.
Figur 4 zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung, bei der die Verbindungselemente von Rohrstücken oder Hülsen 60, 61, 62, 63 gebildet sind, die wie vorbeschrieben mit den korrespondierenden Kontaktierungsflächen 10, 15; 11, 16; 12, 17; 13, 18 elektrisch und mechanisch verbunden sind.
Figur 5 zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung, bei der die Verbindungselemente von - bevorzugt geschlitzten - Hohlprofilen 65, 66, 67, 68 mit rechteckigem Querschnitt (siehe Querschnittsdarstellung im unteren Teil der Figur 5) gebildet sind.
In Figur 6 ist schließlich eine Ausführung der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung dargestellt, bei der die Verbindungselemente von Flachbandelementen 70, 71 gebildet sind (siehe auch Aufsicht auf des Verbindungselement 70 im unteren Teil der Figur 6) . Diese sind jeweils mit Verbindungsflächen (z.B. Flächen 75 und 76 des, Elements 70) mit den Kontaktierungsflächen 10, 15 verbunden. Ein freies Ende 77 des Elements 70 erstreckt sich vertikal nach außen und dient zur ex- ternen Kontaktierung.
Mit den dargestellten Ausführungsbeispielen wird besonders deutlich, dass die Verbindungselemente sowohl die elektrische als auch vollständig die mechanische Verbindung der Schal- tungsträger miteinander in vorgegebener Solllage übernehmen, ohne dass zur mechanischen Verbindung zusätzliche äußere Hal- terungs- oder Positionierungselemente erforderlich sind. Damit ist eine kostengünstige und einfach prozessierbare Verbindungstechnik geschaffen, mit der auch unterschiedlich pro- zessierte Schaltungsträger verbunden werden können. Bezugszeichenliste :
1, 2 Schaltungsträger
4, 5, 6, 7 Beschichtungen 5, 6 8, 9 Innenseiten
10, 11, 12, 13 Kontaktierungsflächen
15, 16, 17, 18 Kontaktierungsflächen
20, 21, 22, 23 Rohrnietelemente 30, 31, 32 Kontaktstift
34, 35, 36 Bohrungen
40, 41, 42, 43 Verbindungselemente
45, 46, 47 Durchkontaktierungen
50, 51, 52 Kontaktierungsflächen 56 freies Ende
57 Kontaktstift
60, 61, 62, 63 Verbindungseiemente
65, 66 , 67, 68 Verbindungseiemente
70, 71, 72, 73 Verbindungseiemente 75, 76 Verbindungsflächen
77 freies Ende

Claims

Patentansprüche
1. Verbindungsanordnung mit mindestens zwei Schaltungs- trägern (1, 2), bei der jeder Schaltungsträger jeweils eine Seite mit elektrischen Kontaktierungsflächen (10, 11, 12, 13; 14, 15, 16, 17) aufweist, mindestens eine Kontaktfläche (10) des einen Schaltungsträgers (1) mit mindestens einer Kontaktfläche (15) des ande- ren Schaltungsträgers (2) über ein Verbindungselement (20) elektrisch leitend verbunden ist, das Verbindungselement (20) die beiden Schaltungsträger zugleich miteinander mechanisch fest verbindet und die verbundenen Kontaktierungsflächen (10, 15) der beiden Schaltungsträger so positioniert sind, dass die Schaltungsträger in einer vorgegebenen Relativlage zueinander fixiert sind.
2. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, bei der das Ver- bindungselement (20, 40, 60) ein Hohlkörper ist.
3. Verbindungsanordnung nach Anspruch 2 , bei der das Verbindungselement (60, 20) rohrförmig oder rohrnietförmig ausgebildet ist.
4. Verbindungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3 , bei der in den Hohlraum des Verbindungselements (20) ein Kontaktstift (30) eingebracht ist, der zumindest einen Schaltungsträger (1) nach außen hin durchdringt.
5. Verbindungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Verbindungselement (40) zumindest einen Schaltungsträger durchdringt (1) und mit einer sich in den Durchdringungsbereich erstreckenden Kontaktfläche (50) im Durchdringungsbereich verbunden ist .
PCT/EP2004/005520 2003-07-23 2004-05-21 Verbindungsanordnung WO2005020377A1 (de)

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