Beschreibung
Oberflächenmontierbares Bauelement
Die Erfindung betrifft ein zur Oberflächenmontage geeignetes Bauelement, z. B. eine Spule oder einen Kondensator.
Es sind z. B. bei aus der Druckschrift DE 44 32 739 Al be¬ kannten Chip-Induktivitäten SMD-Kontakte (SMD = Surface Moun- ted Device) bekannt, die auf der Unterseite eines Grundkör¬ pers angeordnet sind und die mit einer Leiterplatte verlötet werden.
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein oberflächemontierba- res Bauelement anzugeben, das eine hohe mechanische Belast¬ barkeit aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Anspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den wei¬ teren Ansprüchen hervor.
Aufgrund verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Leiterplatte und des Bauelements (Chips) wird der SMD- Kontakt insbesondere bei thermischer Belastung mit mechani¬ schen Verspannungen beaufschlagt, was zur Unterbrechung des elektrischen Kontakts an dieser Stelle und damit zum Ausfall des Bauelements führen kann. Die Schnittstelle zwischen einer Leiterplatte und dem darauf montierten Bauelement kann auch bei einer Vibrations- oder Stossbelastung des Gesamtaufbaus beschädigt werden.
Die Erfinder haben erkannt, dass in einem elektrischen Gerät die Lötstellen zwischen einer Leiterplatte und einem Bauele-
ment mechanisch am meisten beansprucht werden und dass die mechanischen Impulse bei direkt am Grundkörper eines Bauele¬ ments angebrachten SMD-Kontakten unmittelbar auf den Grund¬ körper übertragen werden. Damit werden nicht nur die SMD- Kontakte, sondern auch der Grundkörper selbst mit einer hohen mechanischen Beanspruchung beaufschlagt. Dabei kann der Grundkörper z. B. bersten, was insbesondere Grundkörper aus Keramik oder Ferriten betrifft. Die Idee der Erfindung ist es, die SMD-Kontakte und damit die mechanisch am meisten be¬ anspruchte Stelle im Abstand vom Grundkörper anzubringen, wo¬ bei ein Verbindungselement zwischen dem SMD-Kontakt und dem Grundkörper mechanische Kräfte abfangen und so den Grundkör¬ per des Bauelements entlasten kann.
Es wird ein Bauelement mit einem Grundkörper angegeben, das fest mit einem (ersten) Ende des Kontaktelements verbunden ist. Ein vom Grundkörper abgewandtes und davon beabstandetes (zweites) Ende des Kontaktelements bildet einen zur Oberflä¬ chenmontage geeigneten elektrischen Außenanschluss des Bau¬ elements .
Das Bauelement kann z. B. eine SMD-Spule, insbesondere eine Spule mit einem langgestreckten Kern sein.
Ein Kontaktelement mit räumlich voneinander entkoppelten Be¬ festigungsstellen wirkt stoßdämpfend. Das Kontaktelement ist zu einer besseren Stoßdämpfung vorzugsweise nicht formstabil, sondern federnd bzw. schwingungsfähig.
Erfindungsgemäß ist der Anschlussweg des Bauelements, d. h. der Weg zwischen einem als SMD-Kontakt geeigneten Ende des Kontaktelements und einem am Grundkörper befestigten Ende des Kontaktelements (gegenüber den bisher bekannten Lösungen)
verlängert . Der in einem Gerät fest mit einer Leiterplatte verbundene SMD-Kontakt und die Befestigungsstelle des Kon¬ taktelements am Grundkörper sind räumlich voneinander entkop¬ pelt. Der zwischen zwei befestigten Enden befindliche, unbe¬ festigte Mittelbereich des Kontaktelements kann frei schwin¬ gen. Die Schwingung des Kontaktelements führt zur Dämpfung des an den Grundkörper übertragenen mechanischen Impulses. Damit wird ein Ausgleichselement zum Abfangen von mechani¬ schen Impulsen geschaffen.
Mit der Erfindung gelingt es, durch Übertragung von mechani¬ schen Schwingungen und Impulsen sowie durch thermische Bean¬ spruchung von Lötstellen zwischen Bauelement und Leiterplatte bedingte Bauelementausfälle zu vermindern. Die Erfindung hat einen erheblichen Kostenvorteil vor anderen' Lösungen wie z. B. mechanische Dämpfung, thermische Isolation, Klimatisierung oder Häusung von Bauelementen oder Baugruppen.
Ein elektrisches Funktionsteil (z. B. Kondensatorplatten bei einem kapazitiven Bauelement) des Bauelements kann im Grund¬ körper angeordnet sein. Ein elektrisches Funktionsteil (z. B. Drahtwicklungen bei einem induktiven Bauelement) kann auch auf dem Grundkörper angeordnet sein.
Im Gegensatz zu bisher bekannten SMD-fähigen Bauelementen be¬ rührt der Außenanschluss nicht die Unterseite des Grundkör¬ pers des Bauelements.
In einer bevorzugten Variante weist das Kontaktelement zumin¬ dest in seinem Mittelbereich einen vorzugsweise federnden Streifen - z. B. Blechstreifen - auf, der zumindest am zwei¬ ten Ende des Kontaktelements zur Bildung des Außenanschlusses abgewinkelt ist.
Der Streifen verläuft vorzugsweise entlang einer Seitenfläche des Grundkörpers im Abstand zu dieser Seitenfläche. Es ist vorteilhaft, das Kontaktelement zur Bildung eines Federele¬ ments derart abzuwinkein bzw. zu falten, dass das dabei ge¬ bildete Federelement bzw. der Außenanschluss zumindest teil¬ weise unterhalb des Grundkörpers - in der Projektionsebene größtenteils oder komplett innerhalb der vom Grundkörper be¬ nötigten Grundfläche - angeordnet ist.
Der entlang einer Seitenfläche des Körpers verlaufende Strei¬ fen ist dann parallel zur Unterseite des Grundkörpers, in die zum Grundkörper zeigende Richtung abgewinkelt . Dabei folgt der Streifen dem Verlauf des Grundkörpers, ohne jedoch diesen zu berühren (bis auf das am Körper befestigte erste Ende des Streifens bzw. des Kontaktelements) .
Eine U-förmige Faltung des Streifens auf der Seite seines an- schlussseitigen zweiten Endes verbessert weiter die Federei¬ genschaften des Kontaktelements. Das Unterbringen mindestens eines Teils des Kontaktelements unterhalb des Grundkörpers hat den Vorteil eines geringen Platzbedarfes. Möglich ist a- ber auch, dass der abgewinkelte Streifen über die vom Grund¬ körper benötigte Grundfläche hinaus geht, wobei der Streifen z. B. in die vom Grundkörper weisende Richtung abgewinkelt ist.
Der Grundkörper kann auf seiner Oberfläche, vorzugsweise auf seiner Stirnseite einen Kontaktbereich - z. B. eine Elektrode des kapazitiven Bauelements - aufweisen, der fest mit einem ersten Ende des Kontaktelements verbunden ist. Der Kontaktbe¬ reich des Grundkörpers kann an der Oberseite oder an einer Seitenfläche des Grundkörpers angeordnet sein. In einer Vari-
ante kann der Kontaktbereich an der Unterseite des Grundkör¬ pers vorgesehen sein. Der Kontaktbereich stellt eine auf den Grundkörper angebrachte Metallfläche dar, die bei einem Kera¬ mikkörper vorzugsweise zusammen mit dem Körper gesintert wird. Der Kontaktbereich kann eine Anschlussfläche oder eine über die jeweilige Fläche des Grundkörpers hinausgehende kap- penförmige Metallisierung darstellen.
Das Kontaktelement ist vorzugsweise mit dem am Grundkörper vorgesehenen Kontaktbereich verlötet oder verschweißt .
In einer vorteilhaften Variante ist das erste Ende des Kon¬ taktelements in Form einer Kappe oder Teilkappe ausgebildet, welche am Grundkörper z. B. durch Presspassung befestigt ist. Die Kappe ist vorzugsweise an einer Stirnseite des Grundkör¬ pers angeordnet. Das Kontaktelement weist ferner einen fe¬ dernden, vorzugsweise mehrfach abgewinkelten Streifen auf.
Es ist vorteilhaft, den Mittelbereich des Kontaktelements bzw. den Streifen zu einer besseren Entkopplung seiner beiden Anschlussstellen (des am Grundkörper befestigten ersten und an der Leiterplatte befestigten zweiten Endes) z. B. durch Vorsehen mindestens einer Öffnung in diesem Streifen in dün¬ ne, vorzugsweise in Längsrichtung parallel zueinander verlau¬ fende Teilstreifen zu unterteilen. Möglich ist aber auch, die vorzugsweise rechteckigen oder schlitzartigen Öffnungen im Streifen quer zum Verlauf des Streifens anzubringen.
Die Erfindung ist im Prinzip für beliebige Bauelemente an¬ wendbar. Das SMD-Bauelement kann z. B. ein induktives Bauele¬ ment darstellen, bei dem auf dem Grundkörper eine Drahtwick¬ lung aufgebracht ist, die an ihren Enden fest mit jeweils ei-
nem Kontaktelement verbunden ist. Das SMD-Bauelement kann auch ein Chipkondensator oder -widerstand sein.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei¬ spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert . Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreu¬ er Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfin¬ dung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen schematisch
Figuren IA, IB, IC verschiedene Ansichten eines oberflächen- montierbaren Bauelements mit einem federndem Kontaktelement, das ein kappenförmiges erstes Ende und ein als SMD-Anschluss geeignetes zweites Ende aufweist;
Figuren 2A, 2B verschiedene Seitenansichten eines oberflä- chenmontierbaren Bauelements mit einem streifenförmigen fe¬ dernden Kontaktelement;
Figur 3 die Vorderansicht eines auf einer Leiterplatte mon¬ tierten oberflächenmontierbaren Bauelements mit einem federn¬ den Kontaktelement;
Figur 4A die erste Variante des in Figur 3 gezeigten Kontakt- elements;
Figur 4B die zweite Variante des in Figur 3 gezeigten Kon¬ taktelements;
Figur 5A die Vorderansicht eines weiteren oberflächenmontier¬ baren Bauelements mit einem mehrfach abgewinkelten Kontakt- element;
Figur 5B die Ansicht der Stirnseite des in Figur 5A gezeigten Bauelements;
Figur 6A die Vorderansicht eines oberflachenmontierbaren Bau¬ elements mit einem mehrfach abgewinkelten und seitlich ge¬ führten Kontaktelement;
Figur 6B die Ansicht der Stirnseite des in Figur 6A gezeigten Bauelements;
Figuren 7, 8, 9, 10 und 11 jeweils eine weitere Variante des federnden Kontaktelernents.
Figur 1 zeigt die Vorderansicht eines induktiven SMD- Bauelements mit einem Grundkörper 10 und einem daran befes¬ tigten Kontaktelement 3.
Der Grundkörper 10 kann bei einem induktiven Bauelement z. B. aus Keramik oder einem anderen, als Magnetkern einer Spule geeigneten Material bestehen. Der Grundkörper 10 besteht vor¬ zugsweise aus einem Ferritmaterial. Auf dem Grundkörper 10 ist eine Drahtwicklung 15 aufgebracht, deren Ende 15a am ers¬ ten Ende 31 des Kontaktelements 3 befestigt ist.
Das Kontaktelernent 3 weist ein kappenförmiges erstes Ende 31 und einen abgewinkelten Streifen 30 mit einem an seinem frei¬ en Ende (d. h. am zweiten Ende des Kontaktelements 3) vorge¬ sehenen SMD-Anschluss 32. Das kappenförmige Ende 31 des Kon¬ taktelements ist formschlüssig auf die Stirnseite 11 des Grundkörpers aufgesetzt.
Der Anschlussbereich des Kontaktelernents 3 ist derart abge¬ winkelt, dass er parallel zur Unterseite 12 des Grundkörpers 10 bzw. zur Leiterplatte 50 (Fig. 2A, 7) verläuft.
Der Streifen 30 verläuft im wesentlichen parallel, aber im Abstand zur Stirnseite 11 des Grundkörpers 10. Das Kontakt¬ element 3 verläuft - bis auf sein am Grundkörper befestigtes erstes Ende 31 - um den Grundkörper 10, ohne ihn zu berühren. Der SMD-Anschluss 32 berührt den Grundkörper 10 also nicht.
Der Streifen 30 ist vorzugsweise auf einer Höhe unterhalb der Ebene abgewinkelt, in der die Unterseite des Grundkörpers liegt. Der Streifen 30 kann auch oberhalb dieser Ebene abge¬ winkelt sein, siehe z. B. Figuren 10 und 11.
Der SMD-Anschluss 32 ist in Figuren IA bis 4B größtenteils und in Figuren 5A bis 6B komplett unterhalb des Grundkörpers 10 angeordnet.
Die Figur IB zeigt das Bauelement gemäß Figur IA in einem schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A. Figur IC zeigt dasselbe Bauelement in einer schematischen Ansicht von oben. Der Streifen 30 weist eine geringere Breite als das kappenförmige erste Ende 31 und der SMD-Anschluss 32 des Kon¬ taktelements 3 auf. Figur 4B entspricht einer Seitenansicht auf das in Figuren IA bis IC vorgestellte Kontaktelernent 3.
In der in Figuren 2A, 2B vorgestellten Variante ist am Grund¬ körper 10 ein Kontaktbereich 2 (hier eine elektrisch leitende Anschlussfläche) vorgesehen, an dem das erste Ende 31 des Kontaktelements 3 z. B. mittels Lots 41 befestigt ist.
Auch in diesem Beispiel ist der Mittelbereich des Kontaktele¬ ments 3, d. h. der Streifen 30 schmaler als die Endbereiche 31, 32 des Kontaktelements 3 ausgebildet.
Das Bauelement ist in Figuren 2A bis 11 auf einer Leiterplat¬ te 50 montiert, wobei der SMD-Anschluss 32 mittels des Lots 42 fest mit der Kontaktfläche 6 der Leiterplatte 50 verbunden ist.
In Figur IC ist das Ende 15a der Drahtwicklung 15 an der O- berseite des Bauelements mit dem Kontaktelement 3 verbunden. In Figur 3 ist das Ende 15a der Drahtwicklung 15 an der Sei¬ tenfläche des Bauelements mit dem Kontaktelement 3 verbunden.
Die Seitenansicht auf das in Figur 3 gezeigte Kontaktelement 3 ist in Figur 4A vorgestellt. Das Kontaktelement weist in seinem Mittelbereich eine Öffnung auf, die den Streifen 30 in Teilstreifen 30a und 30b aufteilt. Die Breite der Teilstrei¬ fen ist in Summe kleiner als die Breite des Kontaktelements in seinen Endbereichen. Die Verringerung der Breite des Kon¬ taktelements in seinem Mittelbereich verbessert die Federei¬ genschaften des Kontaktelements . Die mechanische Schockbelas¬ tung wird durch diese „Engstelle" größtenteils abgefangen, da ein Teil der mechanischen Energie zur Anregung einer Schwin¬ gung an dieser Stelle., verbraucht wird.
Der Streifen 30 kann zur Verringerung seines Querschnitts bzw. seiner Gesamtbreite an mehreren Stellen (in vertikaler oder horizontaler Richtung) perforiert sein. Auch weitere Maßnahmen zur Verringerung der Breite des Kontaktelements im Mittelbereich sind denkbar.
In Figur 4A ist die im wesentlichen rechteckige Öffnung mit abgerundeten Ecken in Längsrichtung ausgebildet. Möglich ist es auch, im Mittelbereich des Kontaktelements anstelle nur einer Öffnung mehrere übereinander angeordnete, quer ausge¬ richtete, z. B. schlitzartige oder rechteckige Öffnungen aus¬ zubilden.
Figur 5A zeigt ausschnittsweise die Vorderansicht und Figur 5B die Seinansicht eines Bauelements mit einem weiteren vor¬ teilhaften Kontaktelement 3, dessen erstes Ende 31 die Form einer am Grundkörper 10 dicht anliegenden Teilkappe hat. Der Mittelbereich des Kontaktelements stellt einen im oberen Be¬ reich einstückig und beidseitig mit der Teilkappe verbunde¬ nen, in Teilstreifen 30a, 30b aufgeteilten und unten zur Bil¬ dung eines Federelements 33 U-förmig verbogenen Streifen 30 dar. Das Federelement 33 ist besonders platzsparend unterhalb des Grundkörpers 10 angeordnet.
Das Federelement 33 ist schwingungsfähig und stellt daher ne¬ ben den federnden Teilstreifen 30a, 30b eine weitere Dämp¬ fungsstufe zur Dämpfung von mechanischen Impulsen dar.
Figur 6A zeigt ausschnittsweise die Vorderansicht und Figur 6B die Seinansicht eines Bauelements mit einem Kontaktelement 3, dessen erstes Ende 31 hier zweiteilig in Form einer Klam¬ mer ausgebildet ist und den Grundkörper 10 von oben und unten umklammert. Der Streifen 30 ist oben und unten einstückig mit den beiden Teilen der Klammer 31 verbunden. Der Streifen 30 weist wie in Figur 5B auf der Höhe der Stirnfläche 11 des Grundkörpers 10 eine Öffnung auf, welche diesen Streifen in zwei dünne Teilstreifen unterteilt. Ein Teil des Streifens 30 ist links seitlich herausgeführt und U-förmig gefaltet, wobei das U-Stück im Unterschied zu Figuren 5A, 5B neben dem Grund-
körper angeordnet ist . Diese Ausführung hat den Vorteil einer geringen Bauhöhe bei guten Stoßdämpfungseigenschaften des Kontaktelements.
In Figur 7 ist eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung eines stoßdämpfenden Kontaktelements vorgestellt. Der Kontaktbe¬ reich 2 des Grundkörpers 10 ist hier auf seiner Unterseite 12 angeordnet. Das Kontaktelement stellt ein Federelement 33 bzw. ein U-Stück dar, dessen erster Schenkel 31 mittels Lots 41 am Kontaktbereich 2 und dessen zweiter Schenkel 32 (SMD- Anschluss) mittels Lots 42 an der Kontaktfläche 6 der Leiter¬ platte 50 befestigt ist. Der unbefestigte Mittelteil des Kon¬ taktelements 3 kann frei schwingen.
In den in Figuren IA bis 4B aufgeführten Ausführungsbeispie¬ len war das Kontaktelement 3 an seinem zweiten Ende zur Bil¬ dung des SMD-Anschlusses 32 in die zum Grundkörper gewandte Richtung abgewinkelt.
In Figur 8 ist ein Kontaktelement 3 gezeigt, das zur Bildung des SMD-Anschlusses 32 in die vom Grundkörper abgewandte Richtung abgewinkelt ist. Es ist vorteilhaft, zur Verlänge¬ rung des Anschlussweges das Kontaktelement 3 auf der Obersei¬ te des Grundkörpers zu befestigen. Denkbar ist aber auch ein einfach abgewinkeltes Kontaktelement, das an einer Seitenflä¬ che, vorzugsweise an der Stirnseite des Grundkörpers befes¬ tigt ist.
Figur 9 zeigt eine weitere Ausführung des Kontaktelements 3, bei der das U-Stück - Federelement 33 - auf der Höhe der Stirnfläche 11 des Grundkörpers 10 ausgebildet ist. Der Streifen 30 kann zusätzlich vorzugsweise oberhalb des U-
Stücks wie in Figuren 5B, 6B in mehrere Teilstreifen unter¬ teilt sein.
Figur 10 zeigt ein oberflächenmontierbares Bauelement mit ei¬ nem an seiner Stirnfläche 11 befestigten ersten Ende 31 des Kontaktelements 3. Der Kontaktbereich 2 kann dabei auch an der Stirnfläche 11 vorgesehen sein.
In Figur 11 ist ein weiteres oberflächenmontierbares Bauele¬ ment, z. B. ein Chipkondensator mit im Grundkörper verborge¬ nen, übereinander im Stapel angeordneten Kondensatorplatten gezeigt. Die kappenförmig ausgebildeten Kontaktbereiche 2 stellen die Elektroden des Kondensators dar. Das erste Ende 31 des Kontaktelements 3 ist an der Stirnfläche des Grundkör¬ pers befestigt. Der Streifen 30 ist zur Verlängerung des An¬ schlussweges mehrfach abgewinkelt.
Die Erfindung ist nur mit wenigen Beispielen dargestellt, ist allerdings auf diese oder die genannten Anwendungsbeispiele nicht beschränkt. In verschiedenen Ausführungsbeispielen vor¬ gestellte Elemente können miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste
10 Grundkörper des Bauelements
11 Stirnseite des Grundkörpers 10
12 Unterseite des Grundkörpers 10 15 Drahtwicklung
15a Ende der Drahtwicklung
2 Kontaktbereich des Grundkörpers 10
3 Kontaktelernent
30 Streifen im Mittelbereich des Kontaktelements 3 30a, 30b Teilstreifen des Streifens 30
31 erstes Ende des Kontaktelements 3
32 SMD-Anschluss am zweiten Ende des Kontaktelements 3
33 U-förmiges Federelement des Kontaktelements 3 41, 42 Lot
50 Leiterplatte
6 Kontaktfläche der Leiterplatte 50