WO2014075758A1 - Videoendoskop und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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Norbert Zimmermann
Jens SCHNITGER
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Olympus Winter & Ibe Gmbh
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    • A61B1/00064—Constructional details of the endoscope body
    • A61B1/0011—Manufacturing of endoscope parts
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    • A61B1/00114—Electrical cables in or with an endoscope
    • G—PHYSICS
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    • G02B23/2476—Non-optical details, e.g. housings, mountings, supports
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    • H05K2201/0394—Conductor crossing over a hole in the substrate or a gap between two separate substrate parts

Definitions

  • the invention relates to a video endoscope according to the preamble of claim 1 and a method for its production according to claim 5.
  • the elongated, narrow, tubular space which is traversed by the printed circuit board forces an elongated, narrow formation of the printed circuit board.
  • the diameter of the surrounding system pipe is a few millimeters.
  • the width of the circuit board is also a few millimeters, z. B. typically about 2 mm.
  • CONFIRMATION COPY In the described application of a video endoscope are on the circuit board z. B. accommodate fifteen or twenty tracks. Even with very high-resolution printed circuit board technology, multilayer printed circuit boards are required.
  • a major problem with such circuit boards is the formation of the contact serving area in which the tracks are exposed to solder fields. There are certain minimum distances between solder fields required to be able to solder these safely separated. It is therefore completely impossible, on a circuit board of a few millimeters width z. B. accommodate fifteen solder pads in a contacting area at one end of the circuit board.
  • the printed circuit board must therefore, as described in the cited document, be widened in the contacting area. But this sets the limited diameter of the system tube, which in turn is required for medical reasons, narrow limits.
  • the object of the present invention is to facilitate in a connecting device of the type mentioned occurring in very narrow circuit boards Kunststoffierprobleme.
  • soldering fields sit in windows that pass through the circuit board.
  • the conductor track to be soldered is accessible from above in the area of a soldering field through the window and can thus be soldered by hand in conventional soldering techniques.
  • the problem of the lack of accessibility of lying on the underside of the PCB solder field is eliminated. Complicated soldering with hot air or the like are unnecessary. A reasonably skilled technician with a fine soldering iron is enough.
  • each solder pad a window.
  • a plurality of solder joints are arranged in a window. This improves the accessibility to all solder joints and simplifies the construction considerably.
  • such a printed circuit board can have more printed conductors at a smaller width than can be arranged next to one another in one layer.
  • the conductor tracks are then to be arranged in several layers, so that there is a multilayer printed circuit board.
  • the tracks can be performed in the lowest position directly to a window.
  • printed conductors from upper layers would be too high in a window, that is to say they are too far above the contact surface with which the soldering field is to be soldered. The soldering would then be difficult and error prone.
  • the conductor track is folded into the lowest position, which is easily possible by means of through-contacting.
  • a plurality of windows are arranged one behind the other in the longitudinal direction of the printed circuit board.
  • the windows can z. B. each contain the traces of a layer.
  • Fig. 1 is a plan view of the end portion of a circuit board according to the invention over a board to be soldered and
  • Fig. 2 is a section along line 2 - 2 in Fig. 1st
  • Fig. 1 shows a plan view of a circuit board 1, which is designed for the purpose described in the aforementioned document. It is intended to replace a multi-core cable which connects the image sensor in a video endoscope with the current feedthrough device leading through the hermetically sealed wall to the outside. In this case, z. B. fifteen wires required. As the cited document shows, flexible printed circuit boards or rigid printed circuit boards are very well suited for such purposes.
  • the circuit board 1 shown in Fig. 1 is provided in the illustrated embodiment with five tracks. Of these, three narrower tracks 2 are arranged side by side on the underside of a middle support plate 3 of the circuit board 1. Two wider tracks 4 are arranged on the top of the support plate 3, as best seen in the section of FIG. 2 can be seen.
  • the conductor tracks 2, or 3 are arranged there are each covered with a cover layer 5u and 5o, z. B. with a suitable paint for these purposes.
  • All five printed conductors 2, 4 shown in FIG. 2 are to be soldered to contact surfaces 6, 7, in the surface of a printed circuit board 8, which provides the connection to an electrical or electronic component (not shown), for example with those shown in FIG. from the contact surfaces 6, 7 outgoing lines. 9
  • the circuit board 1 has a width of only about 2 mm and per layer z. B. should carry four or five tracks. Then soldering is extremely difficult even with state-of-the-art robotic welding technology.
  • the problem is that interconnects should be contacted from several layers.
  • two windows 10 and 1 1 are provided, which pass through the circuit board 1 completely.
  • the window 10 which has the greater distance from the end-side end edge 12 of the circuit board 1, the ends of the three narrower tracks 2 are arranged, as can also be seen in Fig. 2.
  • the solder pads 13 are easily accessible from above through the window 10 therethrough. It is therefore very easy by hand with solder 14, a solder joint between a solder pad 13 and a contact surface 7 are executed.
  • the two interconnects 4 from the upper layer are arranged exposed in the lying closer to the end edge 12 window 1 1 and form there solder joints 15 on the contact surfaces 6, which are also, as described above, very easy soldered.
  • the solder pads 15 are in the window 1 1 in the lower layer, while the supplying track 4 is in the upper position. It is aggravating that the two interconnects 4 are blocked in a straight extension to the window 1 1 out through the front window 10.
  • the upper two tracks 4 can not be as straight as the lower tracks 2 straight into their associated window 10. Rather, the upper conductor tracks 4 must run in a roundabout way.
  • Fig. 1 shows that to diverge the two tracks 4 from their initial parallel position and are guided around the in-way window 10. They now come, as the section of Fig. 2 shows, at the point 4 'in the upper position and must be connected from there to the position of the solder joint 15 in the lower layer.
  • plated-through holes 16 are used. These are formed as holes passing through the printed circuit board 1, which are metallized on the inside and thus connect the conductor track pieces 4 'and 15 with the inner metal layer.
  • the number of contactable printed conductors is limited by the width of the printed circuit board.
  • the usable distances of solder joints are limited and also the production of printed circuit boards sets a too narrow arrangement of printed conductors a limit. If a broadening of the circuit board For the purpose of arranging a plurality of solder joints is not possible, then the present invention helps with great success.
  • further windows can be arranged one behind the other. All windows are used only for soldering fewer tracks.
  • any number of windows can be arranged one behind the other, can be arranged on a very narrow circuit board by increasing the number of layers arbitrarily many tracks, all of which are contactable in an area serving for ontaktmaschine.
  • the printed circuit board 1 is made, this is to be formed multi-layer depending on the design, for example, two layers as shown in Figure 2.
  • the conductor tracks 2, 4 are applied, optionally in alternating layers and with plated-through holes 16, as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the windows 10, 1 1 are now introduced and indeed at the locations of the solder pads 13, 15, so that they are now freely accessible from above and below.
  • the introduction of the windows 10, 1 1 can e.g. by laser ablation or by chemical or photochemical etching.
  • the circuit board is placed with its lower surface on the board 8, whereby the solder pads 13, 15 of the circuit board 1 at a short distance on the contact surfaces 6, 7 of the board 8 arrive.

Abstract

Eine Verbindungseinrichtung zur elektrischen Verbindung elektrischer oder elektronischer Bauelemente (8) mittels Leiterbahnen (2, 4), die auf einer langgestreckten, schmalen Leiterplatte (1) angeordnet sind und an deren Unterseite mit Lötfeldern (13, 15) freiliegen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lötfelder (13, 15) in die Leiterplatte (1) durchsetzenden Fenstern (10, 11) angeordnet sind.

Description

Videoendoskop und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Videoendoskop nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 5.
Derartige Verbindungseinrichtungen sind in der DE 10 2004 023 866 B3 beschrieben. Langgestreckte, schmale Leiterplatten von Videoendoskopen sind, ähnlich wie mehradrige Kabel, zur elektrischen Verbindung durch enge, langgestreckte Räume, wie z. B. Rohre, geeignet. In Endbereichen können sie mit den Bauelementen, die sie elektrisch verbinden sollen, verlötet werden. Probleme ergeben sich jedoch mit den Platzverhältnissen auf den schmalen Leiterplatten.
Wie die zitierte Druckschrift zeigt, zwingt der langgestreckte, enge, rohrförmige Raum, der von der Leiterplatte durchlaufen wird, zu einer langgestreckten, schmalen Ausbildung der Leiterplatte. In dem in der zitierten Druckschrift zitierten Anwendungsfall eines Videoendoskops liegt der Durchmesser des umgebenden Systemrohres bei wenigen Millimetern. Die Breite der Leiterplatte beträgt ebenfalls wenige Millimeter, z. B. typischerweise etwa 2 mm.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Im beschriebenen Anwendungsfall eines Videoendoskops sind auf der Leiterplatte z. B. fünfzehn oder zwanzig Leiterbahnen unterzubringen. Auch bei sehr hochauflösender Leiterplattentechnologie sind dazu mehrlagige Leiterplatten erforderlich.
Ein großes Problem bei solchen Leiterplatten ist die Ausbildung des der Kontak- tierung dienenden Bereiches, in dem die Leiterbahnen mit zu Lötfeldern freiliegen. Es sind gewisse Mindestabstände zwischen zu Lötfeldern erforderlich, um diese noch sicher getrennt verlöten zu können. Es ist daher völlig unmöglich, auf einer Leiterplatte von wenigen Millimetern Breite z. B. fünfzehn Lötfelder in einem der Kontaktierung dienenden Bereich an einem Ende der Leiterplatte unterzubringen.
Die Leiterplatte muss daher, wie dies die zitierte Druckschrift beschreibt, in dem der Kontaktierung dienenden Bereich verbreitert werden. Dem setzt aber der begrenzte Durchmesser des Systemrohres, der wiederum aus medizinischen Gründen erforderlich ist, enge Grenzen.
Hinzu kommen die Handhabungsprobleme beim Ausführen solcher sehr enger Lötungen, insbesondere dann, wenn wegen der bei Videoendoskopen typischen geringen Produktionszahlen eine hochautomatisierte Robotlötstation nicht möglich ist und somit von Hand zu löten ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer Verbindungseinrichtung der eingangs genannten Art die bei sehr schmalen Leiterplatten auftretenden Kontaktierprobleme zu erleichtern.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 sowie den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst. Erfindungsgemäß sitzen die Lötfelder in Fenstern, die die Leiterplatte durchsetzen. Die zu verlötende Leiterbahn ist im Bereich eines Lötfeldes durch das Fenster von oben her zugänglich und kann somit in konventioneller Löttechnik von Hand verlötet werden. Das Problem der mangelnden Zugänglichkeit eines auf der Unterseite der Leiterplatte liegenden Lötfeldes ist damit beseitigt. Komplizierte Lötverfahren mit Heißluft oder dergleichen sind entbehrlich. Ein einigermaßen geschickter Techniker mit einem Feinlötkolben reicht aus.
Es könnte für jedes Lötfeld ein Fenster vorgesehen sein. Vorteilhaft gemäß Anspruch 2 sind jedoch mehrere Lötstellen in einem Fenster angeordnet. Dadurch wird die Zugängigkeit zu allen Lötstellen verbessert und die Konstruktion wesentlich vereinfacht.
Wie bereits erwähnt, kann eine solche Leiterplatte bei geringer Breite mehr Leiterbahnen aufweisen, als in einer Lage nebeneinander angeordnet werden können. Die Leiterbahnen sind dann in mehreren Lagen anzuordnen, so dass sich eine mehrlagige Leiterplatte ergibt. Davon können die Leiterbahnen in der untersten Lage direkt zu einem Fenster geführt werden. Leiterbahnen aus oberen Lagen würden aber in einem Fenster zu hoch, also mit zu großem Abstand über der Kontaktfläche liegen, mit der das Lötfeld zu verlöten ist. Das Löten wäre dann schwierig und fehleranfällig. Vorteilhaft gemäß Anspruch 3 wird in diesem Fall die Leiterbahn in die unterste Lage umgelegt, was mittels Durchkon- taktierung einfach möglich ist.
Vorteilhaft gemäß Anspruch 4 sind mehrere Fenster in Längsrichtung der Leiterplatte hintereinander angeordnet. Die Fenster können z. B. jeweils die Leiterbahnen einer Lage enthalten. Auch bei viellagigen Leiterplatten ist es auf diese Weise möglich, in beliebig vielen Fenstern hintereinander sehr viele Leiterbahnen auf der Unterseite der Leiterplatte zu verlöten, auch wenn die Leiterplatte dafür an sich viel zu schmal ist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Videoendoskopes ist in Anspruch 5 angegeben.
In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf den Endbereich einer erfindungsgemäßen Leiterplatte über einer zu verlötenden Platine und
Fig. 2 einen Schnitt nach Linie 2 - 2 in Fig. 1.
Fig. 1 zeigt in Draufsicht eine Leiterplatte 1 , die für den in der eingangs genannten Druckschrift beschriebenen Zweck ausgebildet ist. Sie soll ein mehradriges Kabel ersetzen, das in einem Videoendoskop den Bildsensor mit der durch die hermetisch abgedichtete Wand nach außen führenden Stromdurchführungseinrichtung verbindet. Dabei sind typischerweise z. B. fünfzehn Adern erforderlich. Wie die eingangs zitierte Druckschrift zeigt, sind für solche Zwecke flexible Leiterplatten oder starre Leiterplatten sehr gut geeignet.
Die in Fig. 1 gezeigte Leiterplatte 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit fünf Leiterbahnen versehen. Davon sind drei schmalere Leiterbahnen 2 nebeneinander auf der Unterseite einer mittleren Tragplatte 3 der Leiterplatte 1 angeordnet. Zwei breitere Leiterbahnen 4 sind auf der Oberseite der Tragplatte 3 angeordnet, wie dies am besten im Schnitt der Fig. 2 ersichtlich ist.
Sowohl auf der Unterseite als auch auf der Oberseite der Tragplatte 3 sind die dort angeordneten Leiterbahnen 2, bzw. 3 jeweils mit einer Deckschicht 5u bzw. 5o abgedeckt, z. B. mit einem für diese Zwecke geeigneten Lack. Alle fünf in Fig. 2 dargestellten Leiterbahnen 2, 4, sollen mit Kontaktflächen 6, 7, in der Oberfläche einer Platine 8 verlötet werden, die den Anschluss an ein nicht dargestelltes elektrisches oder elektronisches Bauelement vermittelt, beispielsweise mit den in Fig. 1 dargestellten, von den Kontaktflächen 6, 7 abgehenden Leitungen 9.
Die auf der Unterseite der Leiterplatte 1 liegenden drei Leiterbahnen 2 könnten nach Entfernen der unteren Deckschicht 5u unmittelbar mit den entsprechend anzuordnenden Kontaktflächen 7 verlötet werden. Das wäre aber bei einer Anordnung gemäß Fig. 2 mit flach aufeinanderliegenden Flächen schwierig, weil innerhalb des schmalen, flächigen Spaltes zwischen der Leiterplatte 1 und der Platine 8 gelötet werden müsste.
Die Probleme vergrößern sich dadurch, dass in einem typischen Anwendungsbeispiel für ein Videoendoskop die Leiterplatte 1 eine Breite von nur ca. 2 mm hat und pro Lage z. B. vier oder fünf Leiterbahnen tragen soll. Dann gestaltet sich das Löten selbst mit modernster Robotschweißtechnik äußerst schwierig.
Es kommt das Problem dazu, dass Leiterbahnen aus mehreren Lagen zu kontaktieren wären.
Wie die Fig. 1 zeigt, sind zwei Fenster 10 und 1 1 vorgesehen, die die Leiterplatte 1 vollständig durchsetzen. In dem Fenster 10, das den größeren Abstand zum endseitigen Stirnrand 12 der Leiterplatte 1 aufweist, sind die Enden der drei schmaleren Leiterbahnen 2 angeordnet, wie dies auch in Fig. 2 zu ersehen ist. In dem Fenster 10 bilden die dort liegenden Bereiche der Leiterbahnen 2 Lötfelder 13 aus, die, wie Fig. 2 zeigt, in sehr geringem Abstand, nämlich dem Abstand der Schichtdicke der Deckschicht 5u über den Kontaktflächen 7 angeordnet sind. Die Lötfelder 13 sind von oben durch das Fenster 10 hindurch sehr leicht zugänglich. Es kann daher sehr einfach von Hand mit Lötmittel 14 eine Lötstelle zwischen einem Lötfeld 13 und einer Kontaktfläche 7 ausgeführt werden.
Die zwei Leiterbahnen 4 aus der oberen Lage werden in dem näher zum Stirnrand 12 liegenden Fenster 1 1 freiliegend angeordnet und bilden dort Lötstellen 15 über den Kontaktflächen 6, die ebenfalls, wie zuvor beschrieben, sehr einfach verlötbar sind.
Wie Fig. 2 zeigt, liegen die Lötfelder 15 im Fenster 1 1 in der unteren Lage, während die zuleitende Leiterbahn 4 in der oberen Lage liegt. Es kommt erschwerend hinzu, dass die beiden Leiterbahnen 4 in gerader Verlängerung zum Fenster 1 1 hin durch das davor liegende Fenster 10 blockiert sind.
Wie Fig. 1 zeigt, können daher die oberen beiden Leiterbahnen 4 nicht so einfach wie die unteren Leiterbahnen 2 geradeaus bis in ihr zugehöriges Fenster 10 verlaufen. Vielmehr müssen die oberen Leiterbahnen 4 auf Umwegen verlaufen.
Fig. 1 zeigt, dass dazu die beiden Leiterbahnen 4 aus ihrer anfänglichen Parallellage auseinanderlaufen und um das im Wege liegende Fenster 10 herumgeführt sind. Sie kommen nun, wie der Schnitt der Fig. 2 zeigt, an der Stelle 4' in der oberen Lage an und müssen von dort zur Position der Lötstelle 15 in der unteren Lage verbunden werden. Dazu werden Durchkontaktierungen 16 verwendet. Diese sind als die Leiterplatte 1 durchsetzende Bohrungen ausgebildet, die innen metallisiert sind und somit mit der inneren Metallschicht die Leiterbahnstücke 4' und 15 verbinden.
Nach dem Stand der Technik ist die Anzahl der kontaktierbaren Leiterbahnen durch die Breite der Leiterplatte begrenzt. Die nutzbaren Abstände von Lötstellen sind begrenzt und auch die Fertigung von Leiterplatten setzt einer zu engen Anordnung von Leiterbahnen eine Grenze. Wenn eine Verbreiterung der Leiterplatte zum Zwecke der Anordnung einer Vielzahl von Lötstellen nicht möglich ist, dann hilft die vorliegende Erfindung mit großem Erfolg. In der in Fig. 1 dargestellten Weise können weitere Fenster hintereinander angeordnet werden. Alle Fenster dienen nur dem Verlöten weniger Leiterbahnen. Da jedoch beliebig viele Fenster hintereinander angeordnet werden können, lassen sich auf einer sehr schmalen Leiterplatte durch Erhöhung der Lagenzahl beliebig viele Leiterbahnen anordnen, die alle in einem zur ontaktierung dienenden Bereich kontaktierbar sind.
Bei der Herstellung einer Verbindungseinrichtung eines Videoendoskopes gemäß der Erfindung wird zunächst die Leiterplatte 1 angefertigt, wobei diese je nach Ausführung mehrlagig auszubilden ist, zum Beispiel zweilagig wie in Figur 2 dargestellt. Dabei werden die Leiterbahnen 2, 4 aufgebracht, gegebenenfalls in wechselnden Lagen und mit Durchkontaktierungen 16, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Dabei wird dafür Sorge getragen, dass die Leiterbahnen 2, 4 an den Stellen, wo sie die später zu verlötenden Lötfelder 13, 15 ausbilden, in der untersten Lage der mehrlagigen Leiterplatte 1 liegen.
Im nächsten Schritt werden nun die Fenster 10, 1 1 eingebracht und zwar an den Stellen der Lötfelder 13, 15, so dass diese nun von oben und unten frei zugänglich sind. Das Einbringen der Fenster 10, 1 1 kann z.B. durch Laserabtragung oder durch chemisches bzw. photochemisches Ätzen erfolgen.
Sodann wird die Leiterplatte mit ihrer unteren Fläche auf die Platine 8 aufgelegt, wodurch die Lötfelder 13, 15 der Leiterplatte 1 in geringen Abstand über die Kontaktflächen 6, 7 der Platine 8 gelangen.
Im letzten Schritt wird nun durch die Fenster 10, 1 1 von oben her mit Löteinrichtungen wie zum Beispiel einem Lötkolben an den Lötfeldern 13, 15 angegriffen, um diese mit den darunter liegenden Kontaktflächen 6, 7 unter Zuhilfenahme eines geeigneten Lötmittels, wie zum Beispiel Lötzinn zu verlöten.

Claims

Videoendoskop und Verfahren zu seiner Herstellung PATENTANSPRÜCHE
1. Videoendoskop mit einer Verbindungseinrichtung zur elektrischen Verbindung elektrischer oder elektronischer Bauelemente (8) mittels Leiterbahnen (2, 4), die auf einer langgestreckten, schmalen Leiterplatte (1) angeordnet sind und an deren Unterseite mit Lötfeldern (13, 15) freiliegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötfelder (13, 15) in die Leiterplatte (1) durchsetzenden Fenstern (10, 1 1) angeordnet sind.
2. Videoendoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Fenster (10, 1 1) mehrere Lötfelder (13, 15) angeordnet sind.
3. Videoendoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (1) Leiterbahnen (2, 4) in mehreren Lagen aufweist, von denen die unterste an der Unterseite der Leiterplatte (1) liegt, wobei Leiterbahnen (4) aus höheren Lagen mittels Druchkontaktierungen (16) in die unterste Lage zu Lötfeldern (15) verbunden sind.
Videoendoskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fenster (10, 1 1) in Längsrichtung der Leiterplatte (1) hintereinander angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Videoendoskopes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Herstellung der Leiterplatte (1) einschließlich der Aufbringung der Leiterbahnen (2, 4),
- Einbringen der Fenster (10, 1 1) an den Lötfeldern (13, 15),
- Auflegen der Leiterplatte (1) mit ihrer Unterseite auf einer Platine (8) unter Ausrichtung der Lötfelder (13, 15) zu Kontaktflächen (6, 7) der Platine (8) und
- Zugriff durch die Fenster (10, 1 1) zu den Lötfeldern (13, 15) und Verlöten der Lötfelder (13, 15) mit den Kontaktflächen (6, 7).
PCT/EP2013/003172 2012-11-19 2013-10-22 Videoendoskop und verfahren zu seiner herstellung WO2014075758A1 (de)

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