WO2019034608A1 - Kontaktstift zum einpressen in eine leiterplatte und kontaktanordnung - Google Patents

Kontaktstift zum einpressen in eine leiterplatte und kontaktanordnung Download PDF

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WO2019034608A1
WO2019034608A1 PCT/EP2018/071922 EP2018071922W WO2019034608A1 WO 2019034608 A1 WO2019034608 A1 WO 2019034608A1 EP 2018071922 W EP2018071922 W EP 2018071922W WO 2019034608 A1 WO2019034608 A1 WO 2019034608A1
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WO
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contact pin
ear
web
circuit board
starting material
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Application number
PCT/EP2018/071922
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French (fr)
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Hermann Eicher
Ralph HABIGER
Andreas Otto
Cynthia Halm
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R12/00—Structural associations of a plurality of mutually-insulated electrical connecting elements, specially adapted for printed circuits, e.g. printed circuit boards [PCB], flat or ribbon cables, or like generally planar structures, e.g. terminal strips, terminal blocks; Coupling devices specially adapted for printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures; Terminals specially adapted for contact with, or insertion into, printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures
    • H01R12/50—Fixed connections
    • H01R12/51—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures
    • H01R12/55—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures characterised by the terminals
    • H01R12/58—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures characterised by the terminals terminals for insertion into holes
    • H01R12/585—Terminals having a press fit or a compliant portion and a shank passing through a hole in the printed circuit board
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members

Definitions

  • the invention relates to a contact pin for pressing into a printed circuit board and a contact arrangement with a contact pin and a printed circuit board.
  • Circuit boards can be used for a variety of applications, for example, circuits with a variety of electrical or
  • connections of the components or cables or wires can be electrically connected to conductor tracks of the printed circuit board.
  • press-in technology A contact pin can in this case be pressed into a channel-like passage opening or recess of the printed circuit board, wherein the through-hole in particular pierces two mutually opposite sides of the printed circuit board.
  • the contact pin has at least in sections, in a grouting zone, a larger diameter than the passage opening or recess.
  • the contact pin in the non-pressed pre-assembly state can be widened in the injection zone in the manner of a Nadelheims, so that the opposite portions of the expansion represent resilient regions.
  • These sections then counter to the inward compression (compression) of a spring force by which the contact pin in a second state (press-in state), e.g. frictionally engaged or non-positively held in the passage opening.
  • the contact pin in the compression zone in cross section a central, thin, land area with a small Have cross-sectional area which is formed such that it
  • Press-fitting is deformed and applied by this deformation, the spring force with which the contact pin is held in the through hole non-positively or frictionally engaged.
  • the Verpresszone viewed along the press-in direction must be made relatively long in relation to the thickness of the circuit board to a sufficient spring force in a trained in the manner of a Nadelschreib grouting zone for a
  • This can be disadvantageous if several printed circuit boards, for example, in an electrical device, such as a controller, to be stacked on top of each other, as the supernatant prevents a denser arrangement of the circuit boards.
  • a projection can form an antenna, for example in high-frequency applications, provided that the contact pin is energized high frequency. This may not have desirable effects on adjacent electrical or electronic circuits.
  • the resilient area is formed exclusively by the web area which deforms, while the joint areas which adjoin the web area on both sides do not deform, there is the risk that the web area will not apply enough spring force over its service life Keep the contact pin in the through hole.
  • the current carrying capacity may be limited, since only a small part of the outer contour of the grouting zone is in mechanical and thus electrical contact with the through hole, so there is only partial contact.
  • the contact pin e.g. From a strip material to emboss or shape, which has a much smaller diameter than the passage opening. This may result from making a malleable central
  • an electrically conductive contact pin for press-fitting into a through opening or through-hole or through-connection of a printed circuit board, which can be produced as inexpensively as possible, for example, from standard strip material in which the current carrying capacity for a given diameter of a through hole of a printed circuit board compared to conventional Pins increased in the whole pressed state has the least possible projection on the circuit board and still has a high holding force by a frictional or non-positive connection in the circuit board, without burdening the walls of the through hole too much punctually.
  • the press-in direction is defined as a Z-direction, an X-direction transverse to the Z-direction and transverse to the Z-direction and the X-direction a Y-direction.
  • the contact pin has a compression zone which is located in one of the
  • each wing region having two ear regions, one ear region of each wing region projecting beyond the web region in the positive Y direction and another ear region of each wing region projecting in the negative Y direction ,
  • ear areas are to be understood as meaning in each case the contiguous area of the cross-section which is from the
  • the web area is limited by a bridge rectangle.
  • the ear areas are bounded by ear rectangles, wherein a center of gravity of the cross-sectional area facing inner corner points of the ear rectangles coincide with corner points of the bridge rectangle.
  • the bridge rectangle has a web width between 9% and 29% in the X direction a starting material thickness of the contact pin, preferably between 14% and 24%, particularly preferably 19% of the starting material thickness. In the Y direction, a web thickness between 35% and 55% of
  • Starting material starch preferably between 40% and 50%, particularly preferably 45% of the starting material starch.
  • Starting material starch preferably between 45% and 55%, particularly preferably 50%.
  • the ear rectangles have in the Y direction an ear thickness between 15% and 35% of the starting material thickness, preferably between 20% and 30%, in particular 25% of the starting material thickness.
  • the bridge rectangle is a minimal rectangle to understand, in which the surface of the land area just just completely fits. Its extent in the Y direction is limited by the two web edges extending substantially along the X direction. In the X direction, the web rectangle extends to the locations at which the side areas of the ear areas, viewed in the X direction, meet the respective web edge or edge of the web area or the web rectangle.
  • the bridge rectangle is thus a kind of virtual rectangle.
  • the ear rectangles are to be understood as minimal rectangles into which the area of an ear area just just completely fits. In each case, an inner corner point of an ear rectangle by a
  • the ear rectangles are thus to be regarded as a kind of virtual rectangles. If the ridge rectangle and the four ear rectangles are drawn into the cross-section of the contact pin in the press-on zone, it may be preferable to use e.g. make an arrangement like the five eyes of a cube-5, the
  • Steg rectangle has exactly one corner point in common with each ear rectangle and all edges of the rectangles each extend in the X direction or in the Y direction.
  • This contact pin can be advantageously made particularly inexpensive, for example, from standard tape material. He has a given diameter of a Through hole of a printed circuit board compared to conventional pins an increased current carrying capacity and advantageously has the smallest possible projection over the circuit board in the fully pressed state.
  • Manufacturing process e.g. by introducing a bead into the starting material, e.g. the strip material - be compressed in the web area, the starting material, so that it is particularly hard or hardened there. This can be done at the same time
  • the pressed-contact pin has due to the stable formed
  • the non-positive or frictional, resilient holding force is provided by a substantially larger area than in conventional contact pins, namely by the outer contour of the ear areas.
  • the point load on the walls of the passage opening decreases, so that the risk of damage to the circuit board decreases and / or the distances between adjacent passage openings can be reduced - for the same diameter of the through hole.
  • the contact pin may e.g. are made of an electrically conductive starting material or a semifinished product, which has a
  • the edge length eg a so-called strip material, which, for example as long strand is present.
  • dumbbell weights are viewable. Outside the injection zone, ie viewed along the press-in or Z direction, the
  • the grouting zone may e.g. be substantially as long as the intended printed circuit board is thick, but it can be slightly longer in the contact pin presented here, e.g. at most 140%, preferably at most 120%, or even shorter, more preferably at most 100% or at most 80% or at most 50% of the thickness of
  • the printed circuit board may preferably have a thickness in the range between 0.8 mm and 2.4 mm, more preferably between 1.2 mm and 2.0 mm, e.g. at 1, 4mm, 1, 55mm, 1, 6mm, 1, 8mm, 2mm or 2.4mm.
  • a bead are embossed in the opposite surfaces or side surfaces.
  • the bead may be e.g. be embossed centrally in the surfaces or side surfaces. Under a bead is to be understood an elongated recess with a substantially constant cross-section. Material from the surfaces or
  • Unprocessed areas of the surfaces or side surfaces of the grouting zone may be e.g. convex are arched and it form the bridge area and the two wing areas with the two each
  • a width of the grout zone in an X-direction of the X-axis may become larger than the stock material thickness due to the flowing material.
  • the width may be in the unpressed state between 13% and 33%, in particular between 18% and 28%, in particular 23% or 25%, greater than the starting material thickness.
  • a maximum thickness of the grout zone may be substantially similar to the source material thickness, for example only.
  • the dimension in the Y direction may also be smaller or larger.
  • the extent in the Y direction may be between 65% and 125% of the starting material thickness, preferably between 90% and 110% of the starting material thickness.
  • the bead may have, for example, a substantially flat bead bottom.
  • the bead bottom then forms a surface of the web area and can correspond to the web edge.
  • Sick flanks of the bead may for example be formed as bevels and, for example, also be flat on its surface.
  • the bead flanks form the side surfaces of the ear regions facing one another along the X direction.
  • Transition between the bottom of the bead and the edge of the bead defines the common corner point of the bridge rectangle with the associated earring rectangle.
  • This transition may be, for example, substantially sharp-edged or rounded.
  • Web portion facing away, substantially in the X-direction extending portion of the ear region can, for example. be rounded so that the side surface or bead edge merges fluently in this section.
  • the web region has a substantially rectangular shape, wherein the web region in the Y direction has a greater extent, as in the X direction. As a result, the web area is very rigid.
  • the ear areas have approximately rectangular shape or can be written in a minimal rectangle. They are thinner in the Y direction than in the X direction. Due to the presence of the bead, the material can be displaced out of the ear regions in the direction of the bead when the contact pin is pressed into the passage opening.
  • a geometry is presented that makes it possible to produce injection-molded pins made of a variety of materials, in particular soft or easily flowable or ductile materials.
  • the geometry can be pressed without damage into the through hole of the circuit board. Due to the fact that an edge distance between two edges of two ear rectangles facing away from the center of gravity, relative to the center of gravity, is between 129% and 149%, in particular between 134% and 144%, in particular 139%, of the starting material thickness is advantageously brought about that Web section is particularly little deformed during the press-in process and the deformation predominantly in the ear areas. Because of the increased edge-distance compared to the starting material, material has been compressed or embossed or flowed from the center into the outer regions, ie the ear regions, and at the same time the central web region has been strengthened.
  • the edge distance preferably extends in the X direction, that is to say: the opposing edges are outer edges of two ear rectangles extending in the Y direction. In a section along the X direction, the following sequence may occur: ear area - beading - ear area.
  • an outer contour of an ear portion which points in the direction of an outer corner of the corresponding ear rectangle, is rounded with a radius
  • the radius between 6% and 26%, in particular between 1 1% and 21%, in particular 16%, of the starting material thickness is advantageously causes the contact pin in the compression zone has no sharp edge, with the wall or a coating of the wall of the
  • opposite outer contours between 129% and 149%, in particular between 134% and 144%, in particular 139% of the starting material thickness is advantageously effected that the web area is particularly little deformed during the press-in process and the deformation predominantly in the ear areas. Because of the increased edge-distance compared to the starting material, material has been compressed or embossed or flowed from the center into the outer regions, ie the ear regions, and at the same time the central web region has been strengthened. Furthermore, by the rounding of the diagonal distance can be very selectively adjusted so relative to the diameter of the passage opening that a sufficiently high holding force is achieved without overburdening the wall of the passage opening excessively during the press-fitting process.
  • At least one ear region on a side facing in the X-direction web portion has a slope, wherein the slope relative to the web edge of the web rectangle of the web portion has an angle, the angle between 95 ° and 135 °, in particular between 105 ° and 128 °, in particular 120 °, is advantageously causes the
  • Ear areas has a progressive spring characteristic.
  • An increasing deformation during pressing set the ear areas a strong rising counterforce.
  • a particularly good holding force is effected with a relatively small necessary press-in force.
  • a particularly simple manufacturing process results for the introduction of a bead.
  • a further development provides that the ear areas with respect to the
  • Web portion are arranged and formed substantially mirror-symmetrical to each other. In other words, all four ears are in the ear
  • This basic shape of an ear region can be converted into the shape of each of the three other ear regions by one or two reflections on the web region, preferably on the center of gravity or on a reflection straight line which is parallel to the X axis and the Y axis. This has the advantageous effect that the compressive forces are introduced symmetrically during pressing in the circuit board. So can a high
  • PCB can be effected.
  • a further embodiment provides that the contact pin in the Z-direction has a directly adjoining the grouting zone and reaching to a free end of the contact pin tip region, wherein the cross section of the contact pin tapers in the tip region to the free end, wherein the tip portion in The Z direction has a peak range between 60% and 60%
  • the pin does not or only slightly acts as an antenna and also the stacking density of printed circuit boards can be increased. Due to the fact that the starting material predominantly, e.g. at least 50%, preferably at least 75% and most preferably at least 98%, of a material comprising the group of aluminum, an aluminum alloy, copper, a copper alloy, bronze, brass is advantageously effected so that the contact pin can be produced inexpensively , Of all the proposed materials is cost band material with
  • Standard dimensions eg 0.4x0.4mm 2 , 0.6x0, 6mm 2 , 0.8x0.8mm 2 , 1, 0x1, 0mm 2 or 1, 2mm 2 available.
  • very easily deformable material such as aluminum
  • aluminum is a particularly good conductive and at the same time very cost-effective material.
  • the special geometry of the contact pin advantageously has the effect that the web region deforms very little and, above all, deforms the ear regions and thus a particularly large contact surface and thus
  • the contact arrangement has in this case:
  • a printed circuit board having a, in particular cylindrically shaped, in particular metal-coated, through-opening which extends along the Z-direction,
  • the passage opening engages channel-like the circuit board.
  • the circuit board may for example be a rigid circuit board. It can e.g. made of FR4 material or better.
  • the contact pin can be pressed into the passage opening with or without ultrasound support.
  • This contact arrangement can advantageously be produced particularly inexpensively. It has an increased diameter at a given diameter of the passage opening of the circuit board over conventional contact arrangements
  • the pressed-contact pin has due to the stable formed
  • the printed circuit board between two opposite sides, a first side and a second side, viewed along the Z-direction has a thickness (hereinafter also thickness of the printed circuit board or printed circuit board thickness), wherein in the fully pressed state of the Contact pin a considered along a press-fitting front free end of the contact pin in the Z direction along a length beyond the one side of the printed circuit board, wherein the length in a range between 10% and 300%, preferably between 10% and 1 10% in particular between 45% and 55%, in particular 50% or 100%, of the thickness of the circuit board is.
  • the length can be referred to as supernatant.
  • the thickness of the printed circuit board thickness may be e.g. in a range between 0.5mm and 3mm, preferably between 0.8mm and 2.4mm, more preferably between 1.2mm and 2.0mm, e.g. at 1, 4mm, 1, 55mm, 1, 6mm, 1, 8mm, 2mm or 2.4mm.
  • the passage opening has a diameter of between 1 13% and 133%, in particular between 1 18% and 128%, in particular of 120% or 123% or 125%, of the starting material thickness, on the one hand a sufficiently large diameter of the passage openings is provided in order to prevent damage to prevent the wall of the passage opening during pressing.
  • the passage opening is narrow enough in this way, so that when pressing in the contact pin with its special geometry preferably predominantly the ear portions are deformed and this cause a very good holding force as well as a very large contact surface with a very high current carrying capacity.
  • Such small passage opening diameter in relation to the starting material thickness can not be achieved with conventional contact pin geometries in the grouting zone.
  • the geometry of the contact zone of the contact pin permits a simultaneous optimization of the following parameters: holding force (even with very soft materials), press-in force, point load on the wall of the
  • a passage opening distance from the passage opening to an adjacent passage opening for a further contact pin as described above amounts to between 300% and 425%, in particular between 330% and 390%, in particular 364%, of the starting material thickness advantageously allows the packing density of the press-fit pins or contact pins in the
  • Fig. 2 a schematic representation of a contact pin in not
  • FIG. 3a shows a schematic view of the cross section of the compression zone of the contact pin of FIG. 2 in the non-pressed (first) state
  • FIG. 3b shows the cross section from FIG. 3a with dimensions shown
  • Fig. 4 is a schematic view of the cross section of the grouting zone of the contact pin of Fig. 2 in a pressed-in a printed circuit board (second) state.
  • the contact arrangement 500 has:
  • a printed circuit board 302 having a through-hole 300 extending along a Z-direction
  • An electrical contact pin 100 which is pressed into the passage opening 300 or pressed into the passage opening 300.
  • the circuit board 302 may be a rigid circuit board 302. It can e.g. made of FR4 material or better (FR-5, FR6, etc.).
  • the printed circuit board 302 may be, for example, a single-layer printed circuit board. However, it can also be formed in two layers or even more than two layers.
  • the printed circuit board 302 has a first side 304, e.g. can be referred to as the top or front (in the figure, the upper side).
  • the printed circuit board 302 further has a second side 306 facing away from the first side 304 and may be referred to as a bottom or back.
  • At least one printed conductor 312 can be arranged on the printed circuit board 302.
  • the at least one conductor track 312 may be arranged on the first side 304 and / or on the second side 306. However, the at least one conductor track 312 may also be arranged within the printed circuit board 302. Furthermore, in the illustrated, merely exemplary embodiment both on both sides 304, 306 of the printed circuit board 302, electrical or electronic components 310 are arranged. These may e.g. as SMD
  • the printed circuit board 302 viewed along the Z-direction, ie between the two sides 304, 306, has a thickness D.
  • This thickness D may, for example, be between 0.8 mm and 2.4 mm, more preferably between 1.2 mm and 2.0 mm, eg at 1.4 mm, 1.55 mm, 1.6 mm, 1.8 mm, 2 mm or 2.4 mm, each +/- 10%.
  • At least one through-opening 300 is introduced into the printed circuit board 302. In the illustrated schematic cross section of the printed circuit board 302 three through holes 300 are shown. The at least one
  • Through opening 300 passes through the circuit board 300 between the two sides 304, 306 channel-like and forms a wall 305 from. It can e.g. be designed as a cylindrical bore. On its wall 305, it may have an electrically conductive coating 308. This coating 308 may be e.g. be formed by a metallic coating.
  • Through opening 300 has a diameter DM.
  • This diameter may e.g. between 0.4mm and 2.5mm, e.g. 0.6mm, 0.75mm, 1, 0mm,
  • the diameter DM is the diameter of the passage opening 300 with coating 308.
  • passage openings 300 in the printed circuit board 302 are spaced apart in the lateral direction-in the illustrated two-dimensional cross section, only the X direction is shown. Adjacent passage openings 300 have a passage opening distance A4 between them.
  • each 300 electrical contact pins 100 are pressed into two of the three through holes.
  • the contact pins 100 may be e.g. by means of ultrasound support or conventionally without
  • Ultrasonic support are pressed into the through holes 300.
  • a contact pin 100 is shown in a first state, in a state before the press-fitting operation in the circuit board 302, a
  • Pre-assembly state or pre-press-in state are pre-assembly state or pre-press-in state.
  • the two contact pins 100 shown are in the fully pressed-in ("fully pressed-in") state, ie in a second state or in a press-in state.
  • the contact pins 100 are preferably identical parts.
  • a contact pin 100 is thus formed for pressing along a press-in E in one of the through holes 300 of the circuit board 302, wherein for the contact pin 100, the press-in direction E is defined with correct pressing as Z-direction (at
  • the contact pin 100 has a
  • Compression zone 104 which has a spanned in the X direction and in the Y direction cross-sectional area 200 of the contact pin 100 (see Figures 3 and 4).
  • the contact pin 100 extends along a main extension direction, which here corresponds to the Z direction and thus the press-in direction E.
  • the contact pin has the following sections or area along the press-in direction E (in FIGS. 1 and 2, ie, from top to bottom): first an unprocessed shaft region 106, then the compression zone 104, and then a tip region 102.
  • the contact pin 100 can have its output cross section at least in sections.
  • the output cross section corresponds to the cross section of the unprocessed strip material from which the contact pin 100 is made and may be e.g. square, rectangular, round, etc. be formed. In the present embodiment, it is assumed only by way of example of a square cross-section. In this case, one corresponds
  • Edge length of the square of a starting material thickness 108 of the contact pin 100 For a rectangular, non-square cross section, there is a starting material thickness 108 for each of the two orthogonal directions, and for a round cross section, the diameter corresponds to the starting material thickness 108.
  • a shoulder region 103 e.g. in cross shape (see Fig. 1), for introducing Einpress force and / or for
  • Attachment of a sonotrode for the application of ultrasonic energy during a press-fitting process be formed.
  • the contact pin 100 does not have its output cross section, but a widened cross section.
  • the compression region 104 preferably directly, adjoins the shaft region 106.
  • the compression zone 104 is followed by the reaching to a free end 101 of the contact pin 100
  • Tip region 102 wherein the cross section of the contact pin 100 in the tip region 102 tapers towards the free end 101.
  • the tip region 102 is designed such that it still allows insertion into the through-opening 300, even with a slight lateral misalignment.
  • the tip region 102 has a peak region length LS in the Z-direction between 60% and 300% of the starting material thickness 108, preferably between 60% and 150% of the starting material thickness 108, most preferably between 80% and 120% of the starting material thickness 108
  • This tip region length LS of the tip region 102 is measured from the end of the compression zone 104 facing the free end 101 to the end of the free end 101.
  • the length of the tip region 102 in FIG. 2 corresponds to approximately 100% of the stock thickness 108 ,
  • the crimping zone 104 is configured to form the contact pin 100 in the through-hole 300, e.g. to hold by traction or frictional engagement. This makes it necessary that in the first state (pre-assembly state), the cross-section in the Verpresszone 104 at least along a line has a larger diameter than the diameter DM of
  • the contact pin 100 can be formed from a starting material (of the strip material), which for the most part comprises a material from the group of aluminum, an aluminum alloy, copper, a copper alloy, bronze, brass.
  • the predominant proportion is to be understood as a proportion of at least 50%, preferably of at least 75%, particularly preferably of at least 95% and very particularly preferably of at least 98%. Even if the contact pin 100 is formed predominantly of a soft material such as aluminum or an aluminum alloy, it can reliably and safely with the below-described cross-section in the Verpresszone 104 in the Through hole 300 be pressed, ie he stops there, for example, at
  • the grouting zone 104 may be e.g. have a crimping zone length LV corresponding to the thickness D of the circuit board 302, the circuit board 302 being e.g. a thickness D in the range between 1 mm and 2 mm, e.g. of 1, 6mm +/- 10%.
  • the crimping zone length LV may also be somewhat longer in the contact pin 100 presented here, and e.g. at most 140%, preferably at most 120% of the thickness D.
  • the pressing zone length LV may be particularly preferably shorter than the thickness D of the printed circuit board 302, e.g. at most 100% or at most 80% or at most 50% of the thickness D of the printed circuit board 302.
  • the Verpresszonen length LV measured here as the length along the Z-axis, in which the cross section of the contact pin 100 is the characteristic
  • the Verpresszonen length LV can be considered as the length of the bead.
  • the pressing zone 104 can be used, for example. completely within the circuit board 302, so between the two sides 304, 306 may be arranged. However, the compression zone 104 may also protrude partially beyond at least one of the two sides 304, 306. In the fully pressed-in (second) state of the contact pin 100, the free end 101 of the contact pin 100 projects in the Z-direction or along the Z-direction
  • Circuit board 302 addition wherein the length L is in a range between 10% and 300% of the thickness D of the circuit board 302, preferably between 10% and 1 10%, more preferably only between 45% and 55%, in particular
  • the compression zone 104 can be formed only exemplarily by two embossed into a blank of the contact pin 100 beads 1 10.
  • the blank can be formed from a standard strip material.
  • the beads may for example be stamped centrally in two opposite surfaces 1 12 of the blank.
  • the beads 110 can extend along the entire compression zone 104.
  • Beads 1 10 are depressions from which material of the blank has been displaced laterally in an X-direction.
  • the cross section of the Verpresszone 104 project at least along an axis over the output cross-section.
  • the cross section may be spherical. Due to the displaced material, the compression zone 104 in the illustrated figure is wider than the one at least in the X-direction
  • a bead 1 10 has here, for example, a substantially trapezoidal cross-section on with a bead base 1 16 and inclined to the bead bottom 1 16 standing bead edges 1 18 and bevels 1 18.
  • Transitions between the bead flanks 1 18 and the bead bottom 1 16 may be e.g. be sharp-edged or marked with a very small radius.
  • the surface 1 12 of the contact pin 100 may be pulled in the region of the bead 1 10 by the stamping process, for example, slightly concave.
  • FIGs. 3a and 3b show a schematic view of a cross-sectional area 200 of the compression zone 104 of the contact pin 100 of FIG. 2 in the unpressed (first) state. Both figures are identical with respect to the illustrated cross section. For the sake of clarity, however, the dimensioning of various dimensions has been shifted to the separate figure 3b.
  • the cross-sectional area 200 of the contact pin 100 has in this case:
  • Ear portions 206 has. An ear region 206 of each wing region 204 projects beyond the land region 202 in the positive Y direction and another ear region 206 of each wing region 204 projects in the negative Y direction.
  • the web region 202 is delimited by a web rectangle 214, which corresponds to a minimal rectangle, which is just sufficient to delimit the entire surface of the web region 202.
  • the edges of the bridge rectangle 214 run parallel to the X-direction and parallel to the Y-direction.
  • the ear portions 206 are bounded by ear rectangles 210, which, like the ridge rectangle 214, are each minimum rectangles into which the surface of the individual ear portions 206 just fits.
  • each ear rectangle 210 thus each has a common corner with the bridge rectangle 214 and vice versa, each corner of the bridge rectangle 214 is assigned to exactly one ear rectangle 210.
  • the ridge rectangle 214 has a web width BS between 9% and 29%, in particular between 14% and 24%, in particular 19%, of a starting material thickness 108 of the contact pin 100 in the X direction and has a web thickness DS between 35 in the Y direction % and 55%, in particular between 40% and 50%, in particular 45%, of the starting material thickness 108 (see FIG. 3b).
  • the ear rectangles 210 have an ear width BO between 40% and 60%, in particular between 45% and 55%, in particular 50% of the starting material thickness 108 in the X direction, and an ear thickness DO between 15% and 35% in the Y direction. in particular between 20% and 30%,
  • Dumbbell bar 202 and the two wing portions 204 can present two attached to it laterally weight plates.
  • the ear areas 206 protrude beyond the plane of the dumbbell bar, that is to say the land area 202.
  • the surfaces of the four ears 206 by rotation about the center of gravity 212 (eg, by integer multiples of 90 °) or by one or two
  • This shape can be achieved by a manufacturing method of the contact pin 100, in which two opposing beads 110 are impressed into an initial strip material in the compression zone 104 as described above, whereby the material from the central region in the web portion 202 is compacted and hardened and at the same time material in the wing areas
  • the Verpresszone 104 by the embossing of beads 1 10 of the web portion 202 in the Y direction is bounded on both sides by the bead base 1 16 of the bead 1 10.
  • the web thickness DS is given.
  • In the X-direction of the web portion 202 is as wide as the bead bottom 1 16, whereby the web width BS is given.
  • the web edge 1 17 may e.g. correspond to the bottom of the bead 1 16.
  • the web region 202 is preferably in
  • a wing region 204 extends in the X direction from the end of the
  • the wing regions 204 each occupy the surface adjoining the web region 202 laterally.
  • An ear region 206 extends in the Y direction from the extension of the land region 202 in the X direction into the respective wing region 204 to to the outer contour 208 in the positive or negative Y direction. In the X direction, the ear region 206 extends from the end of the bead bottom 16 to the outer contour 208.
  • the outer contour 208 of an ear region 206 pointing in the direction of an outer corner 209 of the associated ear rectangle 210 may be rounded with a radius R. This radius R can be, for example, between 6% and 26% of the starting material thickness 108.
  • the outer contour 208 occurs during pressing in the
  • the angle ⁇ is always measured between the slope 1 18 and the web edge 1 17, which may also be the bead bottom 1 16.
  • the angle ⁇ can e.g. between 95 ° and 135 °, preferably between
  • Ear rectangles 210 are described. Namely by a minimal
  • Ears rectangle 210 in which the surface of the respective ear portion 206 is just inscribed.
  • the common inner corner points 21 1 between the ears rectangles 210 and the Steg rectangle 214 are given by that point at which the slope 1 18 and the inwardly facing flank of the ear portion 206 intersects with the web edge 1 17.
  • the inner corner points 21 1 of the ear rectangles 210 facing the center of gravity 212 of the cross-sectional area 200 correspond to the vertices of a web rectangle 214 (minimally) enclosing the web area 214.
  • Compression zone 104 on: one in the X direction (in Figs 3a and 3b from the left to the right) continuous spring portion (the land portion 202 and the laterally adjoining portions that are not ear portions 206) and four in the Y direction beyond the spring portion protruding deformation regions (the ear portions 206).
  • An edge distance A1 between two edges 207 of two ear rectangles 210 facing away from the center of gravity 212 relative to the center of gravity 212 can be defined - e.g. between the two in the figure top left and top right drawn ear squeaks 210 and their outer edges 207. Or also between the two in the figure bottom left and bottom right drawn ear squeak 210 and the outer edges 207.
  • This edge distance can in the first state (unpressed state) eg between 129% and 149% of the starting material starch 108, preferably between 134% and 144%, e.g. 139% of
  • An imaginary line between outer corners 209 of two ears rectangles 210 diametrically opposite one another with respect to the center of gravity 212 defines a diagonal spacing A2.
  • a rounding distance A3 is defined, which lies between the intersections of the line of the
  • Diagonal distance A2 with the outer contour 208 of the ear portions 206 results (see Fig. 3b).
  • the diagonal spacing A2 may preferably be between 145% and 165% of the starting material thickness 108.
  • the rounding distance A3 may preferably be between 129% and 149% of the starting material thickness 108, more preferably between 134% and 144%, e.g. 139%.
  • a cross-sectional area 200 of the Verpresszone 104 is shown, which can deform so that the wall 305 of the through hole 300 in the circuit board 302 is not damaged as possible. This is partly due to the fact that during pressing in particular the outer regions of the ear portions 206 are deformed and in this way a large area of the Verpresszone 104 to the wall surface or the
  • Coating 308 of the wall 205 is pressed. This will increase the pressure reduced individual surface segments, since the acting radially outward force distributed during pressing on a large area.
  • the ear portions 206 are rounded at their outward to the wall 305 facing outward contours 209, whereby the contact surface further increases and a sharp-edged effect on the wall 305 and
  • Coating 308 of the passage opening 300 is avoided.
  • the geometry of the cross-sectional area 200 also has enough recesses (the hollow space of the bead 10 between the ear portions 206 in the X-direction) to which excess material may be deformed during the press-fit process.
  • FIG. 4 shows a schematic view of the cross-section of the compression zone 104 of the contact pin 100 of FIG. 2 in a (second) state pressed into a printed circuit board 302, e.g. as in Fig. 1.
  • the contact pin 100 corresponds substantially to the contact pin in Figures 2, 3a and 3b. In contrast, the contact pin 100 is deformed here by the forces during pressing into the through hole 300.
  • the passage opening 300 may have a diameter between 1 13% and 133% of the starting material thickness 108, preferably between 1 18% and 128% of the starting material strength, for example 123%.
  • the contact pin 100 slides along the coating 308 of the through-opening 300 into the through-opening 300.
  • the rounding distance A3 in the first state of the contact pin 100 is larger than the diameter DM of the through hole 300, the ear portions 206 become toward
  • Land area 202 has not (substantially) deformed.
  • An in-flow of parts of the ear portions 206 in the bead 1 10 is the shape of the web rectangle 214 does not oppose, since the bead base 1 16 and the web edge 1 17 limit the dimension of the web rectangle 214 in the Y direction.
  • the ear portions 206 are at
  • Through holes 300 have a passage opening distance A4 in the range of only 300% to 425%, preferably from 330% to 390%, e.g. 364% of the starting material thickness 108. Such a smaller one
  • Passage opening distance A4 is completely surprisingly achievable only due to the special geometry of the compression zone 104 of the contact pin 100. Because only by the large contact surface of the ear portions 206 and the fact that deform predominantly the ear portions 206 during pressing, the walls 305 of the through holes 300 are significantly less loaded than conventional contact pins. Therefore, the
  • Verpresszone 104 can secure and permanent attachment of the
  • Contact pin 100 in the through hole 300 also for soft or ductile material, e.g. Aluminum or aluminum alloys for the contact pin 100 are effected.
  • soft or ductile material e.g. Aluminum or aluminum alloys for the contact pin 100 are effected.
  • a given diameter DM of the through-hole 300 it is also possible for a given diameter DM of the through-hole 300 to use a strip material with a diameter larger diameter DM larger starting material thickness 108 than in conventional contact pins 100.
  • the passage opening 300 as a diameter DM completely surprisingly only between 1 13% and 133% of
  • starting material thickness 108 for example, 120% or 125%.
  • the diameter DM of the passage opening is between 150% and 185% of the starting material thickness 108.
  • This voluminous starting material greater starting material thickness
  • softer materials eg aluminum or an aluminum alloy
  • Mitigation risk on the contact pin 100 can be transmitted.
  • Strip material with a square cross section of 0.8x0, 8mm 2 can be used instead of the traditional 0.6x0, 6mm 2 . Due to the larger contact area between the Verpresszone 104 of
  • Tip region 102 can be reduced without the press-fitting process or the
  • Contact pin 100 may be predominantly as a material aluminum. In the second state, such a contact arrangement 500 has the same pull-out forces or the same holding force for the contact pin 100 and the same service life as conventional contact arrangements 500.

Landscapes

  • Coupling Device And Connection With Printed Circuit (AREA)
  • Multi-Conductor Connections (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch leitenden Kontaktstift (100) zum Einpressen in eine Durchgangsöffnung (300) einer Leiterplatte (302). Für den Kontaktstift (100) ist eine Einpressrichtung als Z-Richtung definiert. Quer zu der Z-Richtung ist eine X-Richtung definiert. Quer zu der Z-Richtung und der X- Richtung ist eine Y-Richtung definiert. Der Kontaktstift (100) weist eine Verpresszone (104) auf, die in einer in der X-Richtung und in der Y-Richtung aufgespannten Querschnittsfläche (200) des Kontaktstifts einen zentralen Stegbereich (202) aufweist sowie zwei in positiver X-Richtung und negativer X- Richtung an den Stegbereich (202) anschließende Flügelbereiche (204), wobei jeder Flügelbereich (204) zwei Ohrenbereiche (206) aufweist. Der Stegbereich (202) ist durch ein Stegrechteck (214) begrenzt und die Ohrenbereiche (206) sind durch Ohrenrechtecke (210) begrenzt. Dabei stimmen einem Schwerpunkt (212) der Querschnittsfläche (200) zugewandte Eckpunkte der Ohrenrechtecke (210) mit Eckpunkten des Stegrechtecks (214) überein, wobei das Stegrechteck (214) in der X-Richtung eine Stegbreite (BS) zwischen 9% und 29% einer Ausgangsmaterialstärke (108) des Kontaktstifts (100) und in der Y-Richtung eine Stegdicke (DS) zwischen 35% und 55% der Ausgangsmaterialstärke (108) aufweist, wobei die Ohrenrechtecke (210) in der X-Richtung eine Ohrenbreite (BO) zwischen 40% und 60% der Ausgangsmaterialstärke (108) aufweisen und in der Y-Richtung eine Ohrendicke (DO) zwischen 15% und 35% der Ausgangsmaterialstärke (108) aufweisen.

Description

Beschreibung Kontaktstift zum Einpressen in eine Leiterplatte und Kontaktanordnung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Kontaktstift zum Einpressen in eine Leiterplatte und eine Kontaktanordnung mit einem Kontaktstift und einer Leiterplatte.
Stand der Technik
Leiterplatten können für vielfältige Anwendungen eingesetzt werden, um beispielsweise Schaltungen mit einer Vielzahl von elektrischen oder
elektronischen Bauteilen aufzubauen. Dabei können Anschlüsse der Bauteile bzw. Kabel oder Drähte mit Leiterbahnen der Leiterplatte elektrisch verbunden werden. Eine Möglichkeit hierfür bietet die sogenannte Einpresstechnik. Ein Kontaktstift kann hierbei in eine kanalartige Durchgangsöffnung bzw. Aussparung der Leiterplatte eingepresst werden, wobei die Durchgangsöffnung insbesondere zwei einander gegenüberliegende Seiten der Leiterplatte durchstößt. Der Kontaktstift weist zumindest abschnittsweise, in einer Verpresszone, einen größeren Durchmesser auf als die Durchgangsöffnung bzw. Aussparung. Beim Einpressen wird der Kontaktstift zumindest in der Verpresszone
zusammengepresst. Um das Zusammenpressen zu ermöglichen, kann der Kontaktstift im nicht eingepressten Vormontagezustand (erster Zustand) in der Verpresszone in der Art eines Nadelöhrs aufgeweitet sein, so dass die einander gegenüberliegenden Abschnitte der Aufweitung elastisch federnde Bereiche darstellen. Diese Abschnitte setzen dann der beim Einpressen erfolgenden Verformung nach innen (aufeinander zu) eine Federkraft entgegen, mittels der der Kontaktstift in einem zweiten Zustand (Einpresszustand), z.B. reibschlüssig oder kraftschlüssig in der Durchgangsöffnung gehalten wird.
Aus der DE 1 1 2013 004 922 T5 ist ein derartiger Kontaktstift mit einer nadelöhrartig aufgeweiteten Verpresszone bekannt.
In anderen Ausführungsformen kann der Kontaktstift in der Verpresszone im Querschnitt einen zentralen, dünnen, Stegbereich mit einer geringen Querschnittsfläche aufweisen, der derartig ausgebildet ist, dass er beim
Einpressvorgang verformt wird und durch diese Verformung die Federkraft aufbringt, mit welcher der Kontaktstift in der Durchgangsöffnung kraftschlüssig oder reibschlüssig gehalten wird.
Aus der EP 0 152 769 B1 ist ein derartiger Kontaktstift bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es hat sich gezeigt, dass bei herkömmlichen Kontaktstiften die Verpresszone entlang der Einpressrichtung betrachtet im Verhältnis zur Dicke der Leiterplatte relativ lang ausgebildet sein muss, um bei einer in der Art eines Nadelöhr ausgebildeten Verpresszone eine ausreichende Federkraft für eine
kraftschlüssige oder reibschlüssige Verbindung in der Durchgangsöffnung bereitzustellen, so dass der Kontaktstift den Anforderungen an eine entgegen der Einpressrichtung gerichtete minimal notwendige Auszugskraft genügt. Die Länge der notwendigen Aufweitung kann dabei dazu führen, dass ein in
Einpressrichtung betrachtet vorderes freies Ende des Kontaktstifts im vollständig eingepressten (zweiten) Zustand des Kontaktstifts erheblich über die
stromabwärts (stromabwärts bezeichnet hier lediglich eine Richtungsangabe und keinen elektrischen Strom) der Einpressrichtung liegende Seite Leiterplatte hinausragt - der hinausragende Teil bildet einen sogenannten Überstand. Dies kann nachteilhaft sein, wenn mehrere Leiterplatten beispielsweise in einem elektrischen Gerät, z.B. einem Steuergerät, übereinander gestapelt werden sollen, da der Überstand eine dichter zueinander liegende Anordnung der Leiterplatten verhindert. Weiterhin kann z.B. bei Hochfrequenzanwendungen ein derartiger Überstand eine Antenne bilden, sofern der Kontaktstift hochfrequent bestromt wird. Dies kann nicht gewünschte Auswirkungen auf benachbarte elektrische oder elektronische Schaltungen haben. Wird dagegen der federnde Bereich ausschließlich durch den Stegbereich gebildet, der sich verformt, während sich die Fügelbereiche, die sich an den Stegbereich beidseitig anschließen, nicht verformen, so besteht zum einen das Risiko, dass der Stegbereich über Lebensdauer nicht genug Federkraft aufbringt, um den Kontaktstift in der Durchgangsöffnung zu halten.
Weiterhin besteht das Risiko, dass die an jedem Flügelbereich ausgebildeten Ohrenbereiche aufgrund ihrer Steifheit beim Einpressen oder bei späteren Vibrationsbelastungen die Innenwände der Durchgangsöffnung beschädigen und es dabei zu einem Ausfall der Leiterplatte kommen kann. Dies kann dazu führen, dass die Abstände zwischen je zwei benachbarten Durchgangsöffnungen größer gewählt werden müssen, als es wünschenswert ist, um derartige punktuelle Belastungen in den Wänden der Durchgangsöffnungen beschädigungsfrei abbauen zu können. Damit wird die mögliche Packungsdichte einer Leiterplatte in lateraler Richtung unerwünscht verringert.
Außerdem kann die Stromtragfähigkeit eingeschränkt sein, da lediglich ein kleiner Teil der Außenkontur der Verpresszone in mechanischem und damit auch elektrischem Kontakt zur Durchgangsöffnung steht, teilweise also nur ein punktueller Kontakt vorliegt.
Darüber hinaus kann es für eine derartige Ausführungsform notwendig sein, den Kontaktstift z.B. aus einem Bandmaterial zu prägen bzw. zu formen, welches einen deutlich kleineren Durchmesser aufweist als die Durchgangsöffnung. Dies kann daraus resultieren, dass zur Herstellung eines verformbaren zentralen
Stegbereichs das Ausgangsmaterial in der Verpresszone derart verpresst werden muss, dass ausreichend Material in die äußeren Bereiche fließt, um so den Stegbereich dünn genug zu gestalten, dass ausschließlich er sich beim Einpressen in die Durchgangsöffnung verformt, nicht dagegen die
Flügelbereiche. Auch eine derartige Wahl des Ausgangsmaterials verringert die
Stromtragfähigkeit.
Es kann daher ein Bedarf bestehen, einen elektrisch leitfähigen Kontaktstift zum Einpressen in eine Durchgangsöffnung bzw. Öffnung bzw. Durchkontaktierung einer Leiterplatte bereitzustellen, der möglichst kostengünstig hergestellt werden kann, z.B. aus Standardbandmaterial, bei dem die Stromtragfähigkeit bei vorgegebenem Durchmesser einer Durchgangsöffnung einer Leiterplatte gegenüber herkömmlichen Kontaktstiften erhöht ist, der im vollständig eingepressten Zustand einen möglichst geringen Überstand über die Leiterplatte aufweist und dennoch eine hohe Haltekraft durch eine reibschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung in der Leiterplatte aufweist, ohne dabei die Wände der Durchgangsöffnung zu stark punktuell zu belasten.
Vorteile der Erfindung
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Im Rahmen der Anmeldung werden die Ausdrücke„umfassen" und„aufweisen" synonym verwendet, solange nichts anderes ausdrücklich erwähnt wird. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein elektrisch leitender
Kontaktstift zum Einpressen entlang einer Einpressrichtung in eine
Durchgangsöffnung einer Leiterplatte vorgeschlagen.
Für den Kontaktstift ist die Einpressrichtung als Z-Richtung definiert, quer zu der Z-Richtung eine X-Richtung und quer zu der Z-Richtung und der X-Richtung eine Y-Richtung. Der Kontaktstift weist eine Verpresszone auf, die in einer in der X-
Richtung und in der Y-Richtung aufgespannten Querschnittsfläche des
Kontaktstifts aufweist:
— einen zentralen Stegbereich mit zwei einander gegenüberliegenden im
Wesentlichen zur X-Richtung parallelen Stegkanten,
— zwei in positiver X-Richtung und negativer X-Richtung an den Stegbereich anschließende Flügelbereiche , wobei jeder Flügelbereich zwei Ohrenbereiche aufweist, wobei ein Ohrenbereich jedes Flügelbereichs in positiver Y-Richtung und ein weiterer Ohrenbereich jedes Flügelbereichs in negativer Y-Richtung über den Stegbereich hinausragt. Mit anderen Worten ist als Ohrenbereiche jeweils diejenige zusammenhängende Fläche des Querschnitts zu verstehen, die vom
Schwerpunkt aus betrachtet in Y-Richtung jeweils weiter vom Schwerpunkt entfernt ist als die angrenzende Stegkante bzw. Kante des Stegbereichs. Je eine Stegkante bzw. Kante des Stegbereichs bzw. ihre Verlängerung begrenzt somit einen Ohrenbereich in der Y-Richtung. Dabei ist der Stegbereich durch ein Stegrechteck begrenzt. Die Ohrenbereiche sind durch Ohrenrechtecke begrenzt, wobei einem Schwerpunkt der Querschnittsfläche zugewandte innere Eckpunkte der Ohrenrechtecke mit Eckpunkten des Stegrechtecks übereinstimmen. Das Stegrechteck weist in der X-Richtung eine Stegbreite zwischen 9% und 29% einer Ausgangsmaterialstärke des Kontaktstifts auf, bevorzugt zwischen 14% und 24%, besonders bevorzugt 19% der Ausgangsmaterialstärke. In der Y- Richtung weist eine Stegdicke zwischen 35% und 55% der
Ausgangsmaterialstärke auf, bevorzugt zwischen 40% und 50%, besonders bevorzugt 45% der Ausgangsmaterialstärke. Die Ohrenrechtecke weisen in der
X-Richtung eine Ohrenbreite zwischen 40% und 60% der
Ausgangsmaterialstärke auf, bevorzugt zwischen 45% und 55%, besonders bevorzugt 50%. Die Ohrenrechtecke weisen in der Y-Richtung eine Ohrendicke zwischen 15% und 35% der Ausgangsmaterialstärke auf, bevorzugt zwischen 20% und 30%, insbesondere 25% der Ausgangsmaterialstärke.
Unter dem Stegrechteck ist ein minimales Rechteck zu verstehen, in welches die Fläche des Stegbereichs gerade eben vollständig hineinpasst. Seine Erstreckung in der Y-Richtung wird durch die zwei sich im Wesentlichen entlang der X- Richtung erstreckenden Stegkanten begrenzt. In der X-Richtung erstreckt sich das Stegrechteck bis zu den Stellen, an welchen die in X-Richtung betrachtet einander zugewandten Seitenflächen der Ohrenbereiche auf die jeweilige Stegkante bzw. Kante des Stegbereichs bzw. auf das Stegrechteck treffen. Das Stegrechteck ist somit eine Art virtuelles Rechteck.
Die Ohrenrechtecke sind als minimale Rechtecke zu verstehen, in welche jeweils die Fläche eines Ohrenbereichs gerade eben vollständig hineinpasst. Dabei ist jeweils ein innerer Eckpunkt eines Ohrenrechtecks durch einen
korrespondierenden Eckpunkt des Stegrechtecks gegeben. Weiterhin erstreckt sich ausgehend von diesem gemeinsamen Punkt die eine Kante des jeweiligen
Ohrenrechtecks in Verlängerung der sich in X-Richtung erstreckenden Stegkante bzw. Kante des Stegrechtecks durch diesen Punkt. Auch die Ohrenrechtecke sind somit als eine Art virtuelle Rechtecke anzusehen. Wenn in den Querschnitt des Kontaktstifts in der Verpresszone das Stegrechteck und die vier Ohrenrechtecke eingezeichnet werden, so kann sich bevorzugt z.B. eine Anordnung wie die fünf Augen einer Würfel-5 ergeben, wobei das
Stegrechteck mit jedem Ohrenrechteck genau einen Eckpunkt gemeinsam hat und alle Kanten der Rechtecke jeweils in X-Richtung oder in Y-Richtung verlaufen.
Dieser Kontaktstift kann vorteilhaft besonders kostengünstig hergestellt werden, z.B. aus Standardbandmaterial. Er weist bei vorgegebenem Durchmesser einer Durchgangsöffnung einer Leiterplatte gegenüber herkömmlichen Kontaktstiften eine erhöhte Stromtragfähigkeit auf und weist vorteilhaft im vollständig eingepressten Zustand einen möglichst geringen Überstand über die Leiterplatte auf.
Durch seine besondere Geometrie wird bewirkt, dass sich beim Einpressen vor allem oder sogar ausschließlich dafür vorgesehene Randbereiche, die
Ohrenbereiche, nach innen verformen, d.h., weg von den Wänden der
Durchgangsöffnung, während der Stegbereich nur einer geringfügigen oder gar keiner Verformung unterliegt. Dies wird unter anderem dadurch bewirkt, dass er eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweist, die ein hohes
Flächenträgheitsmoment aufweist. Zusätzlich kann - bedingt durch den
Herstellprozess, z.B. durch das Einbringen einer Sicke in das Ausgangsmaterial, z.B. das Bandmaterial - im Stegbereich das Ausgangsmaterial verdichtet sein, so dass es dort besonders hart bzw. gehärtet ist. Dadurch kann beim selben
Durchmesser einer Durchgangsöffnung als Ausgangsmaterial ein Bandmaterial gewählt werden, welches größere Außenabmessungen, also eine höhere Materialstärke, aufweist als bei herkömmlichen Kontaktstiften, was z.B. die Stromtragfähigkeit erhöht.
Der eingepresste Kontaktstift weist aufgrund des stabil ausgebildeten
Stegbereichs einen hohen Füllfaktor in der Durchgangsöffnung auf.
Dadurch wird die kraftschlüssige bzw. reibschlüssige, federnde Haltekraft durch eine wesentlich größere Fläche als bei herkömmlichen Kontaktstiften, nämlich durch die Außenkontur der Ohrenbereiche, bereitgestellt. Gleichzeitig sinkt die punktuelle Belastung der Wände der Durchgangsöffnung, so dass das Risiko einer Beschädigung der Leiterplatte sinkt und/oder die Abstände zwischen benachbarten Durchgangsöffnungen verringert werden können - bei gleichem Durchmesser der Durchgangsöffnung. Schließlich ergibt sich durch die
Verformbarkeit der Ohrenbereiche beim Einpressen eine größere
Anlagelagefläche (Kontaktfläche) an die metallisierte Innenwand der
Durchgangsöffnung, so dass die Übergangsfläche für Strom zwischen
Durchgangsöffnung und Kontaktstift steigt und sich dadurch auch die
Stromtragfähigkeit vorteilhaft erhöht. Der Kontaktstift kann z.B. aus einem elektrisch leitenden Ausgangsmaterial beziehungsweise einem Halbzeug hergestellt werden, welches einen
quadratischen Ausgangsquerschnitt mit einer Ausgangsmaterialstärke als Kantenlänge aufweist (z.B. ein sogenanntes Bandmaterial, welches z.B. als langer Strang vorliegt). Um eine Verpresszone zum Verformen herzustellen, kann der (z.B. quadratische, rechteckige, runde, etc.) Ausgangsquerschnitt in der Verpresszone von zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen bzw.
Seitenflächen bearbeitet werden. Dabei wird in der Verpresszone der spezifische Querschnitt der Verpresszone hergestellt, der bildlich z.B. als ein hanteiförmiger
Querschnitt beschrieben werden kann: er ergibt sich aus dem zentralen
Stegbereich und den beiden Flügelbereichen, wobei der Stegbereich als
Hantelstange und die Flügelbereiche als seitlich an die Hantelstange
angebrachte Hantelgewichte ansehbar sind. Außerhalb der Verpresszone, also entlang der Einpressrichtung bzw. der Z-Richtung betrachtet, kann der
Ausgangsquerschnitt im Wesentlichen erhalten bleiben. Die Verpresszone kann z.B. im Wesentlichen so lang sein, wie die vorgesehene Leiterplatte dick ist, sie kann jedoch bei dem hier vorgestellten Kontaktstift etwas länger, z.B. höchstens 140%, bevorzugt höchstens 120%, oder sogar kürzer sein, besonders bevorzugt höchstens 100% oder höchstens 80% oder höchstens 50% der Dicke der
Leiterplatte. Die Leiterplatte kann dabei bevorzugt eine Dicke im Bereich zwischen 0,8mm und 2,4mm aufweisen, besonders bevorzugt zwischen 1 ,2mm und 2,0mm, z.B. bei 1 ,4mm, 1 ,55mm, 1 ,6mm, 1 ,8mm, 2mm oder 2,4mm. Für den (hanteiförmigen) Querschnitt in der Verpresszone kann z.B. aus entgegengesetzten Bearbeitungsrichtungen jeweils eine Sicke in die einander gegenüberliegenden Oberflächen bzw. Seitenflächen eingeprägt werden. Die Sicke kann dabei z.B. mittig in die Oberflächen bzw. Seitenflächen eingeprägt werden. Unter einer Sicke ist dabei eine längliche Vertiefung mit im Wesentlichen gleichbleibendem Querschnitt zu verstehen. Material von den Oberflächen bzw.
Seitenflächen wird in den Bearbeitungsrichtungen in Richtung eines Zentrums beziehungsweise Schwerpunkts des Querschnitts gepresst und fließt dann quer zu den Bearbeitungsrichtungen weg. Unbearbeitete Bereiche der Oberflächen bzw. Seitenflächen der Verpresszone können dabei z.B. konvex gewölbt werden und es bilden sich der Stegbereich sowie die zwei Flügelbereiche mit den je zwei
Ohrenbereichen aus. Eine Achse quer zu den Bearbeitungsrichtungen kann als X-Achse bezeichnet werden. Eine Achse der Bearbeitungsrichtungen kann als Y- Achse bezeichnet werden. Eine Längsachse des Kontaktstifts beziehungsweise der Sicken kann als Z-Achse bezeichnet werden. Eine Breite der Verpresszone in einer X-Richtung der X-Achse kann durch das fließende Material z.B. größer als die Ausgangsmaterialstärke werden. Die Breite kann in unverpresstem Zustand zwischen 13% und 33%, insbesondere zwischen 18% und 28%, insbesondere 23% oder 25%, größer sein als die Ausgangsmaterialstärke. In einer Y-Richtung der Y-Achse kann eine maximale Dicke der Verpresszone lediglich beispielhaft im Wesentlichen weiterhin der Ausgangsmaterialstärke entsprechen. Die Ausdehnung in Y-Richtung (zwischen zwei einander in Y- Richtung einander gegenüberliegenden Ohrenbereichen) kann jedoch auch kleiner sein oder größer sein. So kann die Ausdehnung in Y-Richtung je nachdem, wie das Material in die Ohrenbereiche fließt, zwischen 65% und 125% der Ausgangsmaterialstärke liegen, bevorzugt zwischen 90% und 1 10% der Ausgangsmaterialstärke. Die Sicke kann dabei z.B. einen im Wesentlichen ebenen Sickengrund aufweisen. Der Sickengrund bildet dann eine Oberfläche des Stegbereichs aus und kann der Stegkante entsprechen. Sickenflanken der Sicke können beispielsweise als Schrägen ausgebildet sein und z.B. an ihrer Oberfläche ebenfalls eben ausgebildet sein. Die Sickenflanken bilden die einander entlang der X-Richtung zugewandten Seitenflächen der Ohrenbereiche aus. Ein
Übergang zwischen dem Sickengrund und der Sickenflanke definiert den gemeinsamen Eckpunkt des Stegrechtecks mit dem zugehörigen Ohrenrechteck. Dieser Übergang kann beispielsweise im Wesentlichen scharfkantig sein oder aber auch verrundet. Ein Übergang von einer zum inneren der Sicke gewandten Seitenfläche des Ohrenbereichs bzw. der Sickenflanke zu einem vom
Stegbereich abgewandten, sich im Wesentlichen wieder in X-Richtung erstreckenden Abschnitt des Ohrenbereichs kann z.B. verrundet sein, so dass die Seitenfläche bzw. Sickenflanke fließend in diesen Abschnitt übergeht. Der Stegbereich weist im Wesentlichen Rechteckform auf, wobei der Stegbereich in der Y-Richtung eine größere Erstreckung aufweist, als in der X-Richtung. Dadurch ist der Stegbereich sehr biegesteif. Die Ohrenbereiche weisen angenähert Rechteckform auf bzw. können in ein minimales Rechteck eingeschrieben werden. Sie sind in der Y-Richtung dünner als in der X-Richtung. Durch das Vorhandensein der Sicke kann beim Einpressen des Kontaktstifts in die Durchgangsöffnung das Material aus den Ohrenbereichen in Richtung der Sicke verdrängt werden.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird eine Geometrie vorgestellt, die es ermöglicht, Einpressstifte aus einer Vielzahl von Materialien, insbesondere auch weichen bzw. leicht fließfähigen bzw. duktilen Materialien, herstellen zu können. Die Geometrie kann ohne Beschädigungen in die Durchgangsöffnung der Leiterplatte eingepresst werden. Dadurch, dass ein Kanten-Abstand zwischen zwei von dem Schwerpunkt abgewandten, relativ zu dem Schwerpunkt gegenüberliegenden Kanten zweier Ohrenrechtecke zwischen 129% und 149%, insbesondere zwischen 134% und 144%, insbesondere 139%, der Ausgangsmaterialstärke beträgt wird vorteilhaft bewirkt, dass der Stegbereich beim Einpressvorgang besonders wenig verformt wird und die Verformung überwiegend in den Ohrenbereichen zuträgt. Denn durch den gegenüber der Ausgangsmaterialstärke erhöhten Kanten-Abstand ist Material vom Zentrum in die Außenbereiche, also die Ohrenbereiche, verpresst bzw. verprägt worden bzw. geflossen und gleichzeitig der zentrale Stegbereich gestärkt worden.
Bevorzugt erstreckt sich der Kanten-Abstand in X-Richtung, d.h.: die einander gegenüberliegenden Kanten sind sich in Y-Richtung erstreckende Außenkanten zweier Ohrenrechtecke. Bei einem Schnitt entlang der X-Richtung kann also folgende Abfolge auftreten: Ohrenbereich - Sicke - Ohrenbereich.
Dadurch, dass ein Diagonal-Abstand zwischen bezüglich des Schwerpunkts diametral einander gegenüberliegenden äußeren Ecken zweier Ohrenrechtecke zwischen 145% und 165% der Ausgangsmaterialstärke beträgt wird ein besonders großer Füllfaktor in einer Durchgangsöffnung bewirkt und dadurch eine besonders hohe Stromtragfähigkeit.
Dadurch, dass eine Außenkontur eines Ohrenbereichs , die in Richtung einer äußeren Ecke des dazugehörigen Ohrenrechtecks weist, mit einem Radius verrundet ist, wobei der Radius zwischen 6% und 26%, insbesondere zwischen 1 1 % und 21 %, insbesondere 16%, der Ausgangsmaterialstärke beträgt, wird vorteilhaft bewirkt, dass der Kontaktstift in der Verpresszone keine scharfe Kante aufweist, die mit der Wand bzw. einer Beschichtung der Wand der
Durchgangsöffnung beim Verpressen in Berührung kommen kann. Dadurch wird vorteilhaft das Risiko einer punktuellen Belastung und damit einer Beschädigung der Wand bzw. einer Metallbeschichtung der Durchgangsöffnung der Leiterplatte verhindert. Denn durch die Verrundung wird eine mechanische Belastung der Öffnung beim Einpressen verringert (die radial wirkende Kraft verteilt sich auf eine größere Fläche, dadurch sinkt der Druck). Weiterhin vorteilhaft ist durch die
Verrundung die konvex überstehende Seitenfläche der Verpresszone bereits der Kontur der Öffnung angenähert, so dass sich im vollständig verpressten Zustand (zweiter Zustand) eine größere Kontaktfläche ergibt und damit eine höhere Stromtragfähigkeit.
Dadurch, dass ein auf der Linie des Diagonal-Abstands gemessener
Verrundungs-Abstand zwischen zwei relativ zu dem Schwerpunkt
gegenüberliegenden Außenkonturen zwischen 129% und 149%, insbesondere zwischen 134% und 144%, insbesondere 139% der Ausgangsmaterialstärke beträgt wird vorteilhaft bewirkt, dass der Stegbereich beim Einpressvorgang besonders wenig verformt wird und sich die Verformung überwiegend in den Ohrenbereichen zuträgt. Denn durch den gegenüber der Ausgangsmaterialstärke erhöhten Kanten-Abstand ist Material vom Zentrum in die Außenbereiche, also die Ohrenbereiche, verpresst bzw. verprägt worden bzw. geflossen und gleichzeitig der zentrale Stegbereich gestärkt worden. Weiterhin kann durch die Verrundung der Diagonal-Abstand sehr gezielt so relativ zum Durchmesser der Durchgangsöffnung eingestellt werden, dass eine ausreichend hohe Haltekraft erzielt wird, ohne die Wand der Durchgangsöffnung übermäßig stark beim Einpressvorgang zu belasten.
Dadurch, dass zumindest ein Ohrenbereich auf einer in der X-Richtung dem Stegbereich zugewandten Seite eine Schräge aufweist, wobei die Schräge gegenüber der Stegkante des Stegrechtecks des Stegbereichs einen Winkel aufweist, wobei der Winkel zwischen 95° und 135°, insbesondere zwischen 105° und 128°, insbesondere 120°, beträgt wird vorteilhaft bewirkt, dass die
Ohrenbereiche eine progressive Federkennlinie auf weist. Einer größer werdenden Verformung beim Einpressen setzen die Ohrenbereiche eine stark ansteigende Gegenkraft entgegen. Dadurch wird eine besonders gute Haltekraft bei einer relativ geringen notwendigen Einpresskraft bewirkt. Außerdem ergibt sich eine besonders einfacher Herstellprozess für das Einbringen einer Sicke. Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Ohrenbereiche bezüglich des
Stegbereichs im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet und ausgebildet sind. Mit anderen Worten weisen alle vier Ohrenbereiche im
Wesentlichen dieselbe Grundform auf. Diese Grundform eines Ohrenbereichs kann durch eine oder zwei Spiegelung(en) am Stegbereich, bevorzugt am Schwerpunkt bzw. an einer durch den Schwerpunkt gelegten zur X-Achse bzw. zur Y-Achse parallelen Spiegelungsgeraden in die Form jeder der drei anderen Ohrenbereiche überführt werden. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass die Druckkräfte beim Einpressen symmetrisch in die Leiterplatte eingeleitet werden. So kann eine hohe
Packungsdichte der elektrischen Kontaktstifte bzw. Einpresspins in der
Leiterplatte bewirkt werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Kontaktstift in der Z-Richtung einen sich an die Verpresszone unmittelbar anschließenden und bis zu einem freien Ende des Kontaktstifts reichenden Spitzenbereich aufweist, wobei sich der Querschnitt des Kontaktstifts im Spitzenbereich zum freien Ende hin verjüngt, wobei der Spitzenbereich in der Z-Richtung eine Spitzenbereichs-Länge zwischen 60% und
300%, bevorzugt zwischen 60% und 150%, ganz besonders bevorzugt zwischen 80% und 120% oder zwischen 95% und 105%, insbesondere 100%, der Ausgangsmaterialstärke aufweist. Durch diese Ausgestaltung wird einerseits ein einfaches Einführen des
Kontaktstifts in die Durchgangsöffnung bewirkt, da die Spitze eine laterale Positionierungstoleranz beim Platzieren des Kontaktstifts unmittelbar vor dem Einpressen über der Durchgangsöffnung ausgleichen kann. Gleichzeitig wird durch diese Geometrie ein möglicher Überstand des freien Endes, also des Spitzenbereichs, über die Leiterplatte hinaus im vollständig eingepressten
Zustand vorteilhaft minimiert, so dass der Kontaktstift nicht oder nur geringfügig als Antenne wirkt und auch die Stapelungsdichte von Leiterplatten übereinander gesteigert werden kann. Dadurch, dass das Ausgangsmaterial zum überwiegenden Anteil, z.B. zu wenigstens 50%, bevorzugt zu wenigstens 75% und ganz besonders bevorzugt zu wenigstens 98%, ein Material aufweist aus der Gruppe Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung, Bronze, Messing, wird vorteilhaft bewirkt, dass der Kontaktstift kostengünstig hergestellt werden kann. Von allen vorgeschlagenen Materialien ist kostengünstig Bandmaterial mit
Standard-Maßen, z.B. 0,4x0,4mm2, 0,6x0, 6mm2, 0,8x0,8mm2, 1 ,0x1 ,0mm2 oder 1 ,2mm2 beziehbar. In Zusammenhang mit der spezifischen Geometrie des Kontaktstifts ist es möglich auch bei sehr leicht verformbarem Material, z.B. Aluminium, eine ausreichend hohe Haltekraft in der Durchgangsöffnung zu erzielen, ohne eine große Überstandslänge über die Leiterplatte hinaus aufzuweisen, auch bei Leiterplatten mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,8mm und 2,4mm, z.B. 1 ,55mm oder 1 ,6mm. Speziell Aluminium ist dabei ein besonders gut leitendes und gleichzeitig sehr kostengünstiges Material. Gleichzeitig wird bei duktilen (gut / leicht verformbar) Materialien wie Aluminium durch die spezielle Geometrie des Kontaktstifts vorteilhaft bewirkt, dass sich der Stegbereich besonders wenig verformt und sich vor allem die Ohrenbereiche verformen und so eine besonders große Kontaktfläche und damit
Stromtragfähigkeit bezüglich der Durchgangsöffnung ergibt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Kontaktanordnung
vorgeschlagen. Die Kontaktanordnung weist dabei auf:
— eine Leiterplatte mit einer, insbesondere zylindrisch ausgebildeten, insbesondere metallbeschichteten, Durchgangsöffnung, die sich entlang der Z-Richtung erstreckt,
— einen Kontaktstift wie vorstehend beschrieben, wobei der Kontaktstift in der Durchgangsöffnung verpresst ist.
Die Durchgangsöffnung durchgreift dabei kanalartig die Leiterplatte.
Die Leiterplatte kann beispielsweise eine starre Leiterplatte sein. Sie kann z.B. aus FR4-Material oder besser gebildet sein.
Der Kontaktstift kann mit oder ohne Ultraschallunterstützung in die Durchgangsöffnung eingepresst werden.
Diese Kontaktanordnung kann vorteilhaft besonders kostengünstig hergestellt werden. Sie weist bei vorgegebenem Durchmesser der Durchgangsöffnung der Leiterplatte gegenüber herkömmlichen Kontaktanordnungen eine erhöhte
Stromtragfähigkeit auf und weist vorteilhaft im vollständig eingepressten Zustand des Kontaktstifts einen sehr geringen Überstand über die Leiterplatte auf.
Durch die besondere Geometrie des Kontaktstifts wird vorteilhaft bewirkt, dass sich beim Einpressen vor allem oder sogar ausschließlich dafür vorgesehene
Randbereiche, die Ohrenbereiche nach innen verformen, d.h., weg von den
Wänden der Durchgangsöffnung, während der Stegbereich nur einer
geringfügigen oder gar keinen Verformung unterliegt. Dadurch kann beim selben Durchmesser einer Durchgangsöffnung als Ausgangsmaterial ein Bandmaterial gewählt werden, welches größere Außenabmessungen, also eine höhere
Materialstärke, aufweist als bei herkömmlichen Kontaktstiften, was z.B. die
Stromtragfähigkeit der Kontaktanordnung vorteilhaft erhöht. Der eingepresste Kontaktstift weist aufgrund des stabil ausgebildeten
Stegbereichs einen hohen Füllfaktor in der Durchgangsöffnung auf. Dadurch wird die kraftschlüssige bzw. reibschlüssige, federnde Haltekraft des Kontaktstifts in der Durchgangsöffnung durch eine wesentlich größere Fläche als bei herkömmlichen Kontaktstiften, nämlich durch einen großen Bereich der
Außenkontur der Ohrenbereiche statt lediglich punktuell an den Ecken des Querschnitts der Verpresszone, bereitgestellt. Gleichzeitig sinkt die punktuelle Belastung der Wände der Durchgangsöffnung, so dass das Risiko einer
Beschädigung der Leiterplatte sinkt und/oder die Abstände zwischen
benachbarten Durchgangsöffnungen verringert werden können - bei gleichem Durchmesser der Durchgangsöffnung. Schließlich ergibt sich durch die
Verformbarkeit der Ohrenbereiche beim Einpressen eine größere
Anlagelagefläche an die metallisierte Innenwand der Durchgangsöffnung, so dass die Übergangsfläche für Strom zwischen Durchgangsöffnung und
Kontaktstift steigt und sich dadurch auch die Stromtragfähigkeit der
Kontaktanordnung vorteilhaft erhöht.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Leiterplatte zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seiten, einer ersten Seite und einer zweiten Seite, entlang der Z-Richtung betrachtet eine Dicke (im Folgenden auch Dicke der Leiterplatte oder Leiterplatten-Dicke) aufweist, wobei im vollständig eingepressten Zustand des Kontaktstifts ein entlang einer Einpressrichtung betrachtet vorderes freies Ende des Kontaktstifts in der Z-Richtung entlang einer Länge über die eine Seite der Leiterplatte hinausragt, wobei die Länge in einem Bereich zwischen 10% und 300%, bevorzugt zwischen 10% und 1 10% insbesondere zwischen 45% und 55%, insbesondere 50% oder 100%, der Dicke der Leiterplatte beträgt. Die Länge kann dabei als Überstand bezeichnet werden.
Die Dicke der Leiterplatte bzw. Leiterplatten-Dicke kann z.B. in einem Bereich zwischen 0,5mm und 3mm liegen, bevorzugt zwischen 0,8mm und 2,4mm, besonders bevorzugt zwischen 1 ,2mm und 2,0mm, z.B. bei 1 ,4mm, 1 ,55mm, 1 ,6mm, 1 ,8mm, 2mm oder 2,4mm.
Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass lediglich ein geringer Überstand des Kontaktstifts bzw. Einpresspins entsteht. Damit wirkt ein derartiger Kontaktstift bei Hochfrequenzanwendungen nicht oder zumindest nur in verringertem Ausmaß als Antenne (Sendeantenne oder Empfangsantenne). Gleichzeitig können Leiterplatten entlang der Z-Richtung enger relativ zueinander positioniert bzw. gestapelt werden, wodurch sich kompaktere Geräte bzw. elektronische Baugruppen ergeben können. Durch den geringen Überstand kann somit eine hohe Packungsdichte zwischen mehreren Leiterplatten erreicht werden. Eine Gefahr von Kurzschlüssen kann verringert werden. Material kann eingespart werden.
Dadurch, dass die Durchgangsöffnung einen Durchmesser zwischen 1 13% und 133% insbesondere zwischen 1 18% und 128 %, insbesondere von 120% oder 123% oder 125%, der Ausgangsmaterialstärke aufweist wird einerseits ein ausreichend großer Durchmesser der Durchgangsöffnungen bereitgestellt, um eine Beschädigung der Wand der Durchgangsöffnung beim Einpressen zu unterbinden. Gleichzeitig ist die Durchgangsöffnung auf diese Weise eng genug, so dass beim Einpressen des Kontaktstifts mit seiner speziellen Geometrie bevorzugt überwiegend die Ohrenbereiche verformt werden und diese so eine sehr gute Haltekraft bewirken als auch eine sehr große Kontaktfläche mit einer sehr großen Stromtragfähigkeit. Derart geringe Durchgangsöffnungsdurchmesser im Verhältnis zur Ausgangsmaterialstärke lassen sich mit herkömmlichen Kontaktstiftgeometrien in der Verpresszone nicht erreichen. Die spezielle
Geometrie der Verpresszone des Kontaktstifts erlaubt überraschenderweise eine gleichzeitige Optimierung der folgenden Parameter: Haltekraft (auch bei sehr weichen Materialien), Einpresskraft, Punktbelastung der Wand der
Durchgangsöffnung, Stromtragfähigkeit, Herstellungskosten des Kontaktpins durch die Verwendung von standardisiertem Bandmaterial. Beispielsweise kann bei einem Bandmaterial mit Standard-Maßen der
Ausgangsmaterialstärke von z.B. 0,4x0,4mm2, 0,6x0, 6mm2, 0,8x0, 8mm2, 1 ,0x1 ,0mm2 oder 1 ,2mm2 ein Durchmessern des Kontaktlochs von z.B. 0,5mm (passend zu 0,4x0, 4mm2), 0,75mm (passend zu 0,6x0, 6mm2), 1 ,0mm (passend zu 0,8x0, 8mm2), 1 ,25mm (passend zu 1 ,0x1 ,0mm2) oder 1 ,45mm (passend zu 1 ,2x1 ,2mm2) verwendet werden.
Dadurch, dass ein Durchgangsöffnungs-Abstand von der Durchgangsöffnung zu einer benachbarten Durchgangsöffnung für einen weiteren Kontaktstift wie oben beschrieben zwischen 300% und 425%, insbesondere zwischen 330% und 390%, insbesondere 364%, der Ausgangsmaterialstärke beträgt lässt sich vorteilhaft die Packungsdichte der Einpresspins bzw. Kontaktstifte in der
Leiterplatte steigern, ohne die Lebensdauer der Durchgangsöffnungen oder den Ausschuss durch Beschädigung der Durchgangsöffnungen zu steigern. Dadurch lassen sich die Kosten für elektronische Komponenten senken, die maßgeblich auch durch die Leiterplatten bestimmt werden. Die spezielle Geometrie der Verpresszone erlaubt überraschenderweise diese Steigerung der
Packungsdichte an Kontaktstiften in der Leiterplatte. Denn durch die gleichmäßig in die Leiterplatte eingeleiteten Kräfte und die überwiegende Verformung der Ohrenbereiche können die Öffnungen dicht beieinander liegen. So können viele verschiedene elektrische Kontakte auf kleiner Fläche angeordnet werden.
Dies gilt insbesondere auch für relativ dünne Leiterplatten, mit einer Dicke z.B. in einem Bereich zwischen 0,5mm und 3mm, bevorzugt zwischen 0,8mm und 2,4mm, besonders bevorzugt zwischen 1 ,2mm und 2,0mm, z.B. mit einer Dicke von 1 ,4mm, 1 ,55mm, 1 ,6mm, 1 ,8mm, 2mm oder 2,4mm.
Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale des Kontaktpins und der Leiterplatte in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder
ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
Es zeigen:
Fig. 1 : einen schematischen Querschnitt durch eine Kontaktanordnung;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Kontaktstifts im nicht
eingepressten (ersten) Zustand gemäß eines
Ausführungsbeispiels;
Fig. 3a: eine schematische Ansicht des Querschnitts der Verpresszone des Kontaktstifts aus Fig. 2 im nicht eingepressten (ersten) Zustand; Fig. 3b: den Querschnitt aus Fig. 3a mit eingezeichneten Maßen;
Fig. 4 eine schematische Ansicht des Querschnitts der Verpresszone des Kontaktstifts aus Fig. 2 in einem in eine Leiterplatte eingepressten (zweiten) Zustand.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende
Merkmale.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine elektrische Kontaktanordnung 500. Die Kontaktanordnung 500 weist auf:
— eine Leiterplatte 302 mit einer Durchgangsöffnung 300, die sich entlang einer Z-Richtung erstreckt,
— einen elektrischen Kontaktstift 100, der in der Durchgangsöffnung 300 verpresst bzw. in die Durchgangsöffnung 300 eingepresst ist.
Die Leiterplatte 302 kann beispielsweise eine starre Leiterplatte 302 sein. Sie kann z.B. aus FR4-Material oder besser (FR-5, FR6, etc.) hergestellt sein. Die Leiterplatte 302 kann beispielsweise eine einlagige Leiterplatte sein. Sie kann jedoch auch zweilagig ausgebildet sein oder sogar mehr als zwei Lagen aufweisen. Die Leiterplatte 302 weist eine erste Seite 304 auf, die z.B. als Oberseite oder Vorderseite bezeichnet werden kann (in der Figur die obere Seite). Die Leiterplatte 302 weist weiterhin eine zweite Seite 306 auf, die von der ersten Seite 304 abgewandt ist und als Unterseite oder Rückseite bezeichnet werden kann. Auf der Leiterplatte 302 kann wenigstens eine Leiterbahn 312 angeordnet sein. Die wenigstens eine Leiterbahn 312 kann auf der ersten Seite 304 und/oder auf der zweiten Seite 306 angeordnet sein. Die wenigstens eine Leiterbahn 312 kann jedoch auch innerhalb der Leiterplatte 302 angeordnet sein. Weiterhin sind im dargestellten, lediglich beispielhaften Ausführungsbeispiel sowohl auf beiden Seiten 304, 306 der Leiterplatte 302 elektrische oder elektronische Bauelemente 310 angeordnet. Diese können z.B. als SMD
(„surface mounted device") Elemente ausgebildet sein. Dabei kann es sich z.B. um Widerstände, Kondensatoren, Spulen oder integrierte Schaltkreise (z.B. ASICs) handeln. Die Leiterplatte 302 weist entlang der Z-Richtung betrachtet, also zwischen den beiden Seiten 304, 306, eine Dicke D auf. Diese Dicke D kann z.B. zwischen 0,8mm und 2,4mm betragen, besonders bevorzugt zwischen 1 ,2mm und 2,0mm, z.B. bei 1 ,4mm, 1 ,55mm, 1 ,6mm, 1 ,8mm, 2mm oder 2,4mm, jeweils +/-10%.
In die Leiterplatte 302 ist wenigstens eine Durchgangsöffnung 300 eingebracht. In dem dargestellten schematischen Querschnitt der Leiterplatte 302 sind drei Durchgangsöffnungen 300 eingezeichnet. Die wenigstens eine
Durchgangsöffnung 300 durchgreift die Leiterplatte 300 zwischen den beiden Seiten 304, 306 kanalartig und bildet eine Wand 305 aus. Sie kann z.B. als eine zylindrische Bohrung ausgeführt sein. An ihrer Wand 305 kann sie eine elektrisch leitfähige Beschichtung 308 aufweisen. Diese Beschichtung 308 kann z.B. durch einen metallischen Überzug gebildet sein. Die wenigstens eine
Durchgangsöffnung 300 weist einen Durchmesser DM auf. Dieser Durchmesser kann z.B. zwischen 0,4mm und 2,5mm betragen, z.B. 0,6mm, 0,75mm, 1 ,0mm,
1 ,45mm, 1 ,6mm oder 2,0mm. Der Durchmesser DM ist dabei der Durchmesser der Durchgangsöffnung 300 mit Beschichtung 308.
Die Durchgangsöffnungen 300 in der Leiterplatte 302 sind in lateraler Richtung voneinander beabstandet - in dem dargestellten zweidimensionalen Querschnitt ist lediglich die X-Richtung eingezeichnet. Benachbarte Durchgangsöffnungen 300 weisen dabei einen Durchgangsöffnungs-Abstand A4 zwischen sich auf.
In der dargestellten Figur 1 sind in zwei der drei Durchgangsöffnungen 300 jeweils elektrische Kontaktstifte 100 eingepresst. Die Kontaktstifte 100 können z.B. mittels Ultraschallunterstützung oder auch konventionell ohne
Ultraschallunterstützung in die Durchgangsöffnungen 300 eingepresst werden.
Die Geometrie der Kontaktstifte 100 wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben.
In Figur 2 ist ein Kontaktstift 100 in einem ersten Zustand dargestellt, in einem Zustand vor dem Einpressvorgang in die Leiterplatte 302, einem
Vormontagezustand bzw. Vor-Einpresszustand.
In Figur 1 befinden sich die zwei dargestellten Kontaktstifte 100 im fertig eingepressten („vollständig eingepressten") Zustand, also in einem zweiten Zustand bzw. in einem Einpresszustand. Die Kontaktstifte 100 sind bevorzugt Gleichteile. Ein Kontaktstift 100 ist somit ausgebildet zum Einpressen entlang einer Einpressrichtung E in eine der Durchgangsöffnungen 300 der Leiterplatte 302, wobei für den Kontaktstift 100 die Einpressrichtung E bei korrektem Einpressen als Z-Richtung definiert ist (bei
Montageprozessen kann es toleranzbedingt zu einer leichten Verkippung der Einpressrichtung zur Längsachse der Durchgangsöffnung 300 kommen, die sich in Z-Richtung erstreckt). Quer zu der Z-Richtung ist eine X-Richtung und quer zu der Z-Richtung und der X-Richtung ist eine Y-Richtung definiert (die Y-Richtung weist in Figs. 1 und 2 in die Zeichenebene hinein). Der Kontaktstift 100 weist eine
Verpresszone 104 auf, die eine in der X-Richtung und in der Y-Richtung aufgespannten Querschnittsfläche 200 des Kontaktstifts 100 aufweist (siehe Figs. 3 und 4). Der Kontaktstift 100 erstreckt sich entlang einer Haupterstreckungsrichtung, die hier der Z-Richtung und damit der Einpressrichtung E entspricht. Der Kontaktstift weist entlang der Einpressrichtung E betrachtet (in Figs. 1 und 2 also von oben nach unten) folgende Abschnitte bzw. Bereich auf: Zunächst einen unbearbeiteten Schaftbereich 106, dann die Verpresszone 104 und anschließend einen Spitzenbereich 102.
In dem Schaftbereich 106 kann der Kontaktstift 100 zumindest abschnittsweise seinen Ausgangsquerschnitt aufweisen. Der Ausgangsquerschnitt entspricht dem Querschnitt des unbearbeiteten Bandmaterials, aus welchem der Kontaktstift 100 hergestellt ist und kann z.B. quadratisch, rechteckig, rund, etc. ausgebildet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird lediglich beispielhaft von einem quadratischen Querschnitt ausgegangen. In diesem Fall entspricht eine
Kantenlänge des Quadrats einer Ausgangsmaterialstärke 108 des Kontaktstifts 100. Bei einem rechteckigen, nicht quadratischen Querschnitt gibt es für jede der beiden orthogonalen Richtungen eine Ausgangsmaterialstärke 108, bei einem runden Querschnitt entspricht der Durchmesser der Ausgangsmaterialstärke 108.
In dem Schaftbereich 106 kann zusätzlich ein Schulterbereich 103, z.B. in Kreuzform (siehe Fig. 1 ), zum Einleiten von Einpresskräften und/oder zum
Aufsetzen einer Sonotrode für die Applikation von Ultraschallenergie während eines Einpressvorgangs ausgeformt sein. In diesem Schulterbereich 103 weist der Kontaktstift 100 nicht seinen Ausgangsquerschnitt auf, sondern einen verbreiterten Querschnitt.
Entlang der Einpressrichtung E schließt sich an den Schaftbereich 106 die Verpresszone 104, bevorzugt unmittelbar, an. An die Verpresszone 104 schließt sich der bis zu einem freien Ende 101 des Kontaktstifts 100 reichende
Spitzenbereich 102 an, wobei sich der Querschnitt des Kontaktstifts 100 im Spitzenbereich 102 zum freien Ende 101 hin verjüngt.
Der Spitzenbereich 102 ist dabei derart ausgebildet, dass er ein Einführen in die Durchgangsöffnung 300 auch bei einer leichten lateralen Fehllage noch ermöglicht.
Der Spitzenbereich 102 weist in der Z-Richtung eine Spitzenbereichs-Länge LS zwischen 60% und 300% der Ausgangsmaterialstärke 108 auf, bevorzugt zwischen 60% und 150% der Ausgangsmaterialstärke 108, ganz besonders bevorzugt zwischen 80% und 120% der Ausgangsmaterialstärke 108. Dabei bemisst sich diese Spitzenbereichs-Länge LS des Spitzenbereichs 102 von demjenigen Ende der Verpresszone 104, die dem freien Ende 101 zugewandt ist, bis zum Ende des freien Endes 101. Die Länge des Spitzenbereichs 102 entspricht in Fig. 2 ca. 100 % der Ausgangsmaterialstärke 108.
Die Verpresszone 104 ist dagegen dazu ausgebildet, den Kontaktstift 100 in der Durchgangsöffnung 300 z.B. durch Kraftschluss oder Reibschluss zu halten. Dadurch ist es notwendig, dass im ersten Zustand (Vor-Montage-Zustand) der Querschnitt in der Verpresszone 104 zumindest entlang einer Linie einen größeren Durchmesser aufweist als der Durchmesser DM der
Durchgangsöffnung 300.
Der Kontaktstift 100 kann aus einem Ausgangsmaterial (des Bandmaterials) gebildet sein, welches zum überwiegenden Anteil ein Material aufweist aus der Gruppe Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung, Bronze, Messing. Unter dem überwiegenden Anteil ist ein Anteil von zumindest 50%, bevorzugt von wenigstens 75%, besonders bevorzugt von wenigstens 95% und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 98% zu verstehen. Selbst wenn der Kontaktstift 100 überwiegend aus einem weichen Material wie z.B. Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist kann er mit dem weiter unten ausgeführten Querschnitt in der Verpresszone 104 zuverlässig und sicher in der Durchgangsöffnung 300 verpresst sein, d.h. er hält dort, z.B. auch bei
Vibrationsbelastungen, über Lebenszeit. Durch die Material wähl ist gleichzeitig eine gute elektrische Leitfähigkeit sichergestellt. Wenn der Kontaktstift 100 in die Durchgangsöffnung 300 eingepresst wird, entsteht eine Presspassung zwischen der Verpresszone 104 und der Wand 305 bzw. der Beschichtung 308 der Durchgangsöffnung 300 beziehungsweise der Bohrung in der Leiterplatte 302. So wird ein elektrischer und mechanischer Kontakt zu der Leiterplatte 302 hergestellt. Die Verpresszone 104 kann z.B. eine Verpresszonen-Länge LV aufweisen, die der Dicke D der Leiterplatte 302 entspricht, wobei die Leiterplatte 302 z.B. eine Dicke D im Bereich zwischen 1 mm und 2mm, z.B. von 1 ,6mm +/- 10% aufweisen kann. Die Verpresszonen- Länge LV kann jedoch bei dem hier vorgestellten Kontaktstift 100 auch etwas länger sein und z.B. höchstens 140%, bevorzugt höchstens 120% der Dicke D betragen. Die Verpresszonen-Länge LV kann besonders bevorzugt jedoch auch kürzer sein als die Dicke D der Leiterplatte 302, z.B. höchstens 100% oder höchstens 80% oder höchstens 50% der Dicke D der Leiterplatte 302.
Die Verpresszonen-Länge LV bemisst sich dabei als diejenige Länge entlang der Z-Achse, in welcher der Querschnitt des Kontaktstifts 100 die charakteristische
Form der Figs. 3a, 3b aufweist. Wenn diese Form durch das Einbringen einer Sicke 1 10 hergestellt wird, so kann die Verpresszonen-Länge LV als Länge der Sicke betrachtet werden. Dabei kann im eingepressten Zustand /zweiter Zustand) die Verpresszone 104 z.B. vollständig innerhalb der Leiterplatte 302, also zwischen den beiden Seiten 304, 306 angeordnet sein. Die Verpresszone 104 kann jedoch auch teilweise über zumindest eine der beiden Seiten 304, 306 hinausragen. Im vollständig eingepressten (zweiten) Zustand des Kontaktstifts 100 ragt das freie Ende 101 des Kontaktstifts 100 in der Z-Richtung bzw. entlang der
Einpressrichtung E entlang einer Länge L über die zweite Seite 306 der
Leiterplatte 302 hinaus, wobei die Länge L in einem Bereich zwischen 10% und 300% der Dicke D der Leiterplatte 302 beträgt, bevorzugt zwischen 10% und 1 10%, besonders bevorzugt lediglich zwischen 45% und 55%, insbesondere
50%, der Dicke D der Leiterplatte 302 beträgt. Die Länge L kann dabei als Überstand bezeichnet werden. Die Verpresszone 104 kann lediglich bespielhaft durch zwei in einen Rohling des Kontaktstifts 100 eingeprägte Sicken 1 10 ausgebildet sein. Der Rohling kann dabei aus einem Standard-Bandmaterial gebildet sein. Die Sicken können z.B. mittig in zwei gegenüberliegende Oberflächen 1 12 des Rohlings eingeprägt sein. Die Sicken 1 10 können sich längs der ganzen Verpresszone 104 erstrecken. Die
Sicken 1 10 sind Vertiefungen, aus denen Material des Rohlings seitlich in einer X-Richtung verdrängt worden ist. Durch das verdrängte Material kann wie in der Figur dargestellt der Querschnitt der Verpresszone 104 zumindest entlang einer Achse über den Ausgangsquerschnitt hervorstehen. Der Querschnitt kann ballig ausgebildet sein. Durch das verdrängte Material ist die Verpresszone 104 in der dargestellten Figur zumindest in der X-Richtung breiter als die
Ausgangsmaterialstärke 108.
Eine Sicke 1 10 weist hier beispielhaft einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt auf mit einem Sickengrund 1 16 und schräg zu dem Sickengrund 1 16 stehenden Sickenflanken 1 18 bzw. Schrägen 1 18. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel mit einem Bandmaterial mit quadratischem Querschnitt kann der Sickengrund 1 16 z.B. im Wesentlichen parallel zu der entlang der X- Achse verlaufenden Oberfläche 1 12 ausbildet sein.
Übergänge zwischen den Sickenflanken 1 18 und dem Sickengrund 1 16 können z.B. scharfkantig beziehungsweise mit einem sehr kleinen Radius geprägt sein. Die Oberfläche 1 12 des Kontaktstifts 100 kann im Bereich der Sicke 1 10 durch den Prägevorgang beispielsweise geringfügig konkav eingezogen sein.
In Figs. 3a und 3b ist eine schematische Ansicht einer Querschnittsfläche 200 der Verpresszone 104 des Kontaktstifts 100 aus Fig. 2 im nicht eingepressten (ersten) Zustand dargestellt. Beide Figuren sind bezüglich des dargestellten Querschnitts identisch. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Bemaßung verschiedener Abmessungen jedoch in die separate Figur 3b verlagert worden.
Die Querschnittsfläche 200 des Kontaktstifts 100 weist hierbei auf:
— einen zentralen Stegbereich 202 mit zwei einander gegenüberliegenden im Wesentlichen zur X-Richtung parallelen Stegkanten 1 17 bzw. Kanten 1 17, — zwei in positiver X-Richtung und negativer X-Richtung an den Stegbereich 202 anschließende Flügelbereiche 204, wobei jeder Flügelbereich 204 zwei
Ohrenbereiche 206 aufweist. Ein Ohrenbereich 206 jedes Flügelbereichs 204 ragt in positiver Y-Richtung und ein weiterer Ohrenbereich 206 jedes Flügelbereichs 204 in negativer Y-Richtung über den Stegbereich 202 hinaus.
Der Stegbereich 202 ist durch ein Stegrechteck 214 begrenzt, welches einem minimalen Rechteck entspricht, welches gerade ausreicht, um die gesamte Fläche des Stegbereichs 202 zu umgrenzen. Die Kanten des Stegrechtecks 214 verlaufen dabei parallel zur X-Richtung und parallel zur Y-Richtung.
Die Ohrenbereiche 206 sind durch Ohrenrechtecke 210 begrenzt, die wie das Stegrechteck 214 jeweils minimale Rechtecke sind, in welche die Fläche der einzelnen Ohrenbereiche 206 jeweils gerade eben hineinpasst.
Dabei stimmen einem Schwerpunkt 212 der Querschnittsfläche 200 zugewandte innere Eckpunkte 21 1 der Ohrenrechtecke 210 mit Eckpunkten des
Stegrechtecks 214 überein, jedes Ohrrechteck 210 hat also jeweils eine gemeinsame Ecke mit dem Stegrechteck 214 und umgekehrt ist jede Ecke des Stegrechtecks 214 genau einem Ohrenrechteck 210 zugeordnet.
Das Stegrechteck 214 weist in der X-Richtung eine Stegbreite BS zwischen 9% und 29%, insbesondere zwischen 14% und 24%, insbesondere 19%, einer Ausgangsmaterialstärke 108 des Kontaktstifts 100 auf und weist in der Y- Richtung eine Stegdicke DS zwischen 35% und 55%, insbesondere zwischen 40% und 50%, insbesondere 45%, der Ausgangsmaterialstärke 108 auf (siehe Fig. 3b).
Die Ohrenrechtecke 210 weisen in der X-Richtung eine Ohrenbreite BO zwischen 40% und 60%, insbesondere zwischen 45% und 55%, insbesondere 50% der Ausgangsmaterialstärke 108 auf und in der Y-Richtung eine Ohrendicke DO zwischen 15% und 35%, insbesondere zwischen 20% und 30%,
insbesondere 25%, der Ausgangsmaterialstärke 108 (siehe Fig. 3b).
Mit anderen Worten ergibt sich eine Querschnittsfläche 200, die bildlich als hanteiförmig beschrieben werden kann, wobei der Stegbereich 202 die
Hantelstange 202 und die beiden Flügelbereiche 204 zwei daran seitlich angebrachte Hantelscheiben darstellen können. Die Ohrenbereiche 206 ragen dabei jeweils über die Ebene der Hantelstange, also des Stegbereichs 202, hinaus. In den dargestellten schematischen Figuren 3a und 3b sind die Flächen der vier Ohrenbereiche 206 durch eine Drehung um den Schwerpunkt 212 herum (z.B. um ganzzahlige Vielfache von 90°) oder durch eine oder zwei
Spiegelung(en) an einer oder zwei Achsen oder einer Punktspiegelung am Schwerpunkt 212 vollständig ineinander überführbar. Mit anderen Worten: die Querschnittsfläche ist punktsymmetrisch ausgebildet. In der Realität kann es durch den Fertigungsprozess oder durch die Form des Werkzeugs beim Fertigen aus dem Ausgangsmaterial zu leicht unterschiedlichen Flächengestalten der Ohrenbereiche 206 kommen, wobei eine möglichst symmetrische Form bevorzugt ist.
Diese Form kann durch ein Herstellungsverfahren des Kontaktstifts 100 erzielt werden, bei dem in ein Ausgangs-Bandmaterial in der Verpresszone 104 wie oben beschrieben zwei einander gegenüberliegende Sicken 1 10 eingeprägt werden, wodurch das Material aus dem zentralen Bereich im Stegbereich 202 verdichtet und damit gehärtet wird und gleichzeitig Material in die Flügelbereiche
204 und in die Ohrenbereiche 206 fließt, wo es besonders duktil wird, so dass beim Einpressen des Kontaktstifts 100 in die Durchgangsöffnung 300 vor allem die Ohrenbereiche 206 Richtung der Sicke 1 10 verformt werden. Bei der beispielhaften Herstellung der Verpresszone 104 durch das Einprägen von Sicken 1 10 ist der Stegbereich 202 in der Y-Richtung beidseitig je durch den Sickengrund 1 16 der Sicke 1 10 begrenzt. Dadurch ist die Stegdicke DS gegeben. In der X-Richtung ist der Stegbereich 202 so breit, wie der Sickengrund 1 16, wodurch die Stegbreite BS gegeben ist. Die Stegkante 1 17 kann z.B. dem Sickengrund 1 16 entsprechen. Der Stegbereich 202 ist bevorzugt im
Wesentlichen rechteckig. Durch eine rechteckige Form wird ein besonders hohes Flächenträgheitsmoment bewirkt, was ein Zusammenpressen des Stegbereichs 202 beim Einpressen verringert oder sogar unterbindet. Ein Flügelbereich 204 erstreckt sich in der X-Richtung vom Ende des
Sickengrunds 1 16 bis zu einer Außenkontur 208 der Querschnittsfläche 200, wobei sich die Außenkontur 208 als die Schnittlinie des Querschnitts mit der Oberfläche 1 12 des Kontaktstifts 100 ergibt. In der Y-Richtung nehmen die Flügelbereiche 204 jeweils die seitlich an den Stegbereich 202 anschließende Fläche ein.
Ein Ohrenbereich 206 erstreckt sich in der Y-Richtung von der Verlängerung des Stegbereichs 202 in X-Richtung in den jeweiligen Flügelbereich 204 hinein bis zur Außenkontur 208 in positiver bzw. negativer Y-Richtung. In der X-Richtung erstreckt sich der Ohrenbereich 206 von dem Ende des Sickengrunds 1 16 bis zu der Außenkontur 208. Dabei kann die Außenkontur 208 eines Ohrenbereichs 206, die in Richtung einer äußeren Ecke 209 des dazugehörigen Ohrenrechtecks 210 weist (z.B. in der Figur 3 der obere linke Ohrenbereich 206) mit einem Radius R verrundet sein. Dieser Radius R kann z.B. zwischen 6% und 26% der Ausgangsmaterialstärke 108 betragen. Die Außenkontur 208 tritt beim Einpressen in die
Durchgangsöffnung 300 mit der Wand 305 bzw. der Beschichtung 308 in
Kontakt.
Die weiter nach innen, also hin zur Sicke 1 10, liegende Außenkontur 208 der Oberfläche 1 12 des Kontaktstifts 100 fällt zu der Sicke 1 10 hin ab, also bis hin zum Stegbereich 202, und die Sickenflanken 1 18 sind hier als Schrägen 1 18 ausgebildet. Diese Schrägen 1 18 weisen jeweils einen Winkel α gegenüber der in X-Richtung verlaufenden Stegkante 1 17 des Stegrechtecks 214 des
Stegbereichs 202 auf. Der Winkel α bemisst sich dabei stets zwischen der Schräge 1 18 und der Stegkante 1 17, die auch der Sickengrund 1 16 sein kann. Der Winkel α kann z.B. zwischen 95° und 135° betragen, bevorzugt zwischen
105° und 128°, z.B. 120°.
Obwohl also die Ohrenbereiche 206 wie in Figs. 3a und 3b dargestellt keine originäre Rechteckform aufweisen können sie dennoch durch die
Ohrenrechtecke 210 beschrieben werden. Nämlich durch jeweils ein minimales
Ohrenrechteck 210, in welches die Fläche des jeweiligen Ohrenbereichs 206 gerade eben einbeschrieben ist. Die gemeinsamen inneren Eckpunkte 21 1 zwischen den Ohrenrechtecken 210 und dem Stegrechteck 214 sind dabei durch denjenigen Punkt gegeben, an dem die Schräge 1 18 bzw. die nach innen gewandte Flanke des Ohrenbereichs 206 mit der Stegkante 1 17 schneidet.
Mit anderen Worten: Die dem Schwerpunkt 212 der Querschnittsfläche 200 zugewandten inneren Eckpunkte 21 1 der Ohrenrechtecke 210 entsprechen den Eckpunkten eines den Stegbereich 202 (minimal) umschließenden Stegrechtecks 214.
Durch diese Querschnittsfläche 200 weist der Kontaktstift 100 in der
Verpresszone 104 auf: einen in der X-Richtung (in den Figs. 3a und 3b von links nach rechts) durchgehenden Federbereich (den Stegbereich 202 sowie die seitlich anschließenden Bereiche, die nicht Ohrenbereiche 206 sind) sowie vier in der Y-Richtung über den Federbereich hinausragende Deformationsbereiche (die Ohrenbereiche 206).
Es kann ein Kanten-Abstand A1 zwischen zwei von dem Schwerpunkt 212 abgewandten, relativ zu dem Schwerpunkt 212 gegenüberliegenden Kanten 207 zweier Ohrenrechtecke 210 definiert werden - z.B. zwischen den beiden in der Figur oben links und oben rechts eingezeichneten Ohrenrechtecken 210 und ihren äußeren Kanten 207. Oder auch zwischen den beiden in der Figur unten links und unten rechts eingezeichneten Ohrenrechtecken 210 und deren äußeren Kanten 207. Dieser Kanten-Abstand kann im ersten Zustand (unverpresster Zustand) z.B. zwischen 129% und 149% der Ausgangsmaterialstärke 108 betragen, bevorzugt zwischen 134% und 144%, z.B. 139% der
Ausgangsmaterialstärke 108.
Eine gedachte Linie zwischen bezüglich des Schwerpunkts 212 diametral einander gegenüberliegenden äußeren Ecken 209 zweier Ohrenrechtecke 210 definiert einen Diagonal-Abstand A2. Auf derselben Linie ist ein Verrundungs- Abstand A3 definiert, der sich zwischen den Schnittpunkten der Linie des
Diagonal-Abstands A2 mit der Außenkontur 208 der Ohrenbereiche 206 ergibt (siehe Fig. 3b).
Der Diagonal-Abstand A2 kann vorzugsweise zwischen 145% und 165% der Ausgangsmaterialstärke 108 betragen.
Der Verrundungs-Abstand A3 kann bevorzugt zwischen 129% und 149% der Ausgangsmaterialstärke 108 betragen, besonders bevorzugt zwischen 134% und 144%, z.B. 139%.
Mit anderen Worten ist in den Figs. 3a und 3b eine Querschnittsfläche 200 der Verpresszone 104 dargestellt, die sich so verformen kann, dass die Wand 305 der Durchgangsöffnung 300 in der Leiterplatte 302 möglichst nicht beschädigt wird. Das liegt unter anderem daran, dass beim Einpressen vor allem die Außenbereiche der Ohrenbereiche 206 verformt werden und auf diese Weise eine große Fläche der Verpresszone 104 an die Wandfläche bzw. die
Beschichtung 308 der Wand 205 gepresst wird. Dadurch wird der Druck auf einzelnen Flächensegmenten verringert, da sich die einwirkende radial nach außen wirkende Kraft beim Einpressen auf eine große Fläche verteilt.
Außerdem sind die Ohrenbereiche 206 an ihren nach außen zur Wand 305 hin weisenden Außenkonturen 209 verrundet, wodurch die Kontaktfläche weiter ansteigt und eine scharfkantige Einwirkung auf die Wand 305 bzw. die
Beschichtung 308 der Durchgangsöffnung 300 vermieden wird. Die Geometrie der Querschnittsfläche 200 weist weiterhin genug Aussparungen auf (der hohle Raum der Sicke 1 10 zwischen den Ohrenbereichen 206 in der X-Richtung), zu denen überflüssiges Material beim Einpressvorgang hin verformt werden kann.
Gleichzeitig ist der Stegbereich 202 besonders steif ausgebildet durch seine im Wesentlichen rechteckige Form mit größerer Stegdicke DS als Stegbreite BS (das Flächenträgheitsmoment in X-Richtung beträgt beim Stegrechteck Ix = 1/12 x DS3 x BS) und gegebenenfalls sogar noch verdichtet durch den
Herstellungsprozess, wodurch er sehr widerstandsfähig gegenüber einer Verformung entlang der X-Richtung ist. Beim Einpressen verformt sich also nicht der Stegbereich 202 oder ein nadelöhrartiger Federbereich, wie im Stand der Technik, sondern die vier nach außen weisenden Ohrenbereiche 206 passen sich an die Geometrie der Durchgangsöffnung 300 an, während der Stegbereich 202 nur unwesentlich oder dar nicht verformt wird.
Zusammengefasst ergibt sich dadurch ein erhöhter Flächenpresskontakt. Die Kraft verteilt sich jedoch nicht nur auf die vier äußeren Eckpunkte, wie es bei einem rechteckigen Pin der Fall wäre, sondern entlang der Berührungsflächen.
Ein anderer Vorteil ist, dass verschiedene Materialien mit gewünschten
Eigenschaften, wie zum Beispiel elektrische Leitfähigkeit, Dichte oder geringeren Materialkosten zum Einsatz kommen können, z.B. Aluminium oder eine
Aluminiumlegierung.
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht des Querschnitts der Verpresszone 104 des Kontaktstifts 100 aus Fig. 2 in einem in eine Leiterplatte 302 eingepressten (zweiten) Zustand, z.B. wie in Fig. 1.
Der Kontaktstift 100 entspricht dabei im Wesentlichen dem Kontaktstift in den Figuren 2, 3a und 3b. Im Gegensatz dazu ist der Kontaktstift 100 hier durch die Kräfte beim Einpressen in die Durchgangsöffnung 300 verformt. Die Durchgangsöffnung 300 kann einen Durchmesser zwischen 1 13% und 133% der Ausgangsmaterialstärke 108 aufweist, bevorzugt zwischen 1 18% und 128% der Ausgangsmaterialstärke, z.B. 123%.
Beim Einpressen von der ersten Seite 304 der Leiterplatte 302 her gleitet der Kontaktstift 100 auf der Beschichtung 308 der Durchgangsöffnung 300 entlang in die Durchgangsöffnung 300 hinein. Da insbesondere der Verrundungs-Abstand A3 im ersten Zustand des Kontaktstifts 100 größer ist, als der Durchmesser DM der Durchgangsöffnung 300, werden die Ohrenbereiche 206 in Richtung der
Sicken 1 10 verformt. Der zentrale Stegbereich 202 dagegen wird nur wenig oder gar nicht verformt.
Beim Einpressen wirken die resultierenden Kräfte auch auf den Stegbereich 202. Dieser weist jedoch einen so großen Querschnitt auf, dass der Stegbereich 202 nicht oder nur unwesentlich verformt wird. Wird um den Stegbereich 202 im zweiten Zustand wieder ein minimales Stegrechteck 214 beschrieben, so ist dieses Stegrechteck 214 im zweiten Zustand im Wesentlichen deckungsgleich wir das Stegrechteck 214 im ersten Zustand. Mit anderen Worten: der
Stegbereich 202 hat sich nicht (wesentlich) verformt. Ein Hineinfließen von Teilen der Ohrenbereiche 206 in die Sicke 1 10 steht der Form des Stegrechtecks 214 nicht entgegen, da der Sickengrund 1 16 bzw. die Stegkante 1 17 die Abmessung des Stegrechtecks 214 in Y-Richtung begrenzen. Im Unterschied zum Stegbereich 202 werden die Ohrenbereiche 206 beim
Übergang zum zweiten Zustand dauerhaft plastisch und anteilig elastisch verformt. Durch die plastische Verformung passt sich die Außenkontur 208 an eine Innenkontur der Wand 305 bzw. der Beschichtung 308 der
Durchgangsöffnung 300 an. Dadurch ergibt sich eine große elektrisch leitende Kontaktfläche 1 14 zwischen der Metallschicht 304 und dem Kontaktstift 100. Um den Unterschied zwischen den Ohrenbereichen im zweiten (verpressten) Zustand und dem ersten Zustand (Vormontage-Zustand) zu verdeutlichen sind in Fig. 4 beispielhaft die Ohrenrechtecke 210 aus dem ersten Zustand mit gestrichelten Linien eingezeichnet. Es wird deutlich, wie sich die Ohrenbereiche 206 ausgehend vom ersten Zustand der Figuren 3a und 3b hin zum zweiten
Zustand der Fig. 4 verformt haben. Der hier dargestellte verpresste Kontaktstift 100 ist lediglich schematisch dargestellt, mit vollständig punktsymmetrischer verformter Querschnittsfläche 200. In der Praxis kann die Verformung gleichwohl in den vier Ohrenbereichen 206 leicht unterschiedlich erfolgen, z.B. wenn die Einpressrichtung E nicht vollständig mit einer Längsachse der Durchgangsöffnung 300 übereinstimmt.
Wie in Fig. 1 bereits dargestellt wurde können auch für Leiterplatten mit einer Dicke von lediglich 0,8mm bis 2,4mm, z.B. 1 ,6mm +/- 10% benachbarte
Durchgangsöffnungen 300 einen Durchgangsöffnungs-Abstand A4 im Bereich von lediglich 300% bis 425%, bevorzugt von 330% bis 390%, z.B. 364% der Ausgangsmaterialstärke 108 aufweisen. Ein derart geringer
Durchgangsöffnungs-Abstand A4 ist vollkommen überraschend nur aufgrund der speziellen Geometrie der Verpresszone 104 des Kontaktstifts 100 erzielbar. Denn nur durch die große Kontaktfläche der Ohrenbereiche 206 sowie der Tatsache, dass sich überwiegend die Ohrenbereiche 206 beim Einpressen verformen, werden die Wände 305 der Durchgangsöffnungen 300 erheblich weniger belastet als bei herkömmlichen Kontaktstiften. Daher kann der
Durchgangsöffnungs-Abstand A4, über dessen Länge sich mechanische
Spannungen abbauen können, um eine Beschädigung der Leiterplatte 302 zu verhindern, gegenüber herkömmlichen Kontaktanordnungen 500 erheblich verringert werden. Im Gegenzug steigt bei der vorgeschlagenen
Kontaktanordnung 500 bzw. durch den vorgeschlagenen Kontaktstift 100 die Packungsdichte der Kontaktstifte 100 in der Leiterplatte 302. Durch die vorgeschlagene Geometrie des Kontaktstifts 100 bzw. seiner
Verpresszone 104 kann ein sicheres und dauerhaftes Befestigen des
Kontaktstifts 100 in der Durchgangsöffnung 300 auch für weiches bzw. duktiles Material, z.B. Aluminium oder Aluminiumlegierungen für den Kontaktstift 100 bewirkt werden.
Schließlich ist es auch möglich bei einem gegebenen Durchmesser DM der Durchgangsöffnung 300 ein Bandmaterial mit relativ zum Durchmesser DM größerer Ausgangsmaterialstärke 108 zu verwenden als bei herkömmlichen Kontaktstiften 100. So kann die Durchgangsöffnung 300 als Durchmesser DM vollkommen überraschend lediglich zwischen 1 13% und 133% der
Ausgangsmaterialstärke 108 aufweisen, z.B. 120% oder 125%. Im Vergleich dazu beträgt bei herkömmlichen Kontaktstiften der Durchmesser DM der Durchgangsöffnung zwischen 150% und 185% der Ausgangsmaterialstärke 108. Durch dieses im Vergleich zu herkömmlichen Kontaktstiften in der Erfindung verwendbare voluminösere Ausgangsmaterial (größere Ausgangsmaterialstärke) kann einerseits eine verbesserte Stromtragfähigkeit bewirkt werden, andererseits ist dadurch eben auch die Verwendung weicherer Materialien (z.B. Aluminium oder eine Aluminiumlegierung) als Kontaktstift 100 möglich, da der Füllfaktor des Kontaktstifts 100 in der Durchgangsöffnung 300 steigt und auch die zum
Einpressen notwendigen Kräfte entlang der Einpressrichtung E ohne
Verbiegungsgefahr auf den Kontaktpin 100 übertragen werden können.
Gleichzeitig wird dennoch wegen der oben beschriebenen besseren
Kräfteverteilung infolge der Deformation der Ohrenbereiche 206 nach innen und den damit verminderten Druck auf die Wand 305 der Durchgangsöffnung ein beschädigungsfreies Einpressen möglich. Beispielsweise kann für eine Leiterplatte 302 mit einer Dicke von 1 ,6mm +/- 10% bei einem Durchmesser DM der Durchgangsöffnung 300 von 1 ,0mm ein
Bandmaterial mit quadratischem Querschnitt von 0,8x0, 8mm2 verwendet werden statt herkömmlich von 0,6x0, 6mm2. Durch die größere Kontaktfläche zwischen der Verpresszone 104 des
Kontaktpins 100 und Wand 305 bzw. Beschichtung 308 ist es weiterhin auch möglich, die Verpresszonen-Länge LV der Verpresszone 104 entlang der Einpressrichtung E zu reduzieren, wodurch der Überstand bzw. die über die zweite Seite 306 der Leiterplatte 302 hinausragende Länge L des
Spitzenbereichs 102 reduziert werden kann, ohne den Einpressvorgang oder die
Haltekraft negativ zu beeinflussen.
So kann z.B. für die oben angegebenen Maße die Länge L des Überstands über die zweite Seite 306 bei weniger als 30% der Dicke D der Leiterplatte (z.B. D = 1 ,6mm +/- 10%) liegen, nämlich bei lediglich ca. L = 0,3mm +/- 10%. Der
Kontaktstift 100 kann dabei zum überwiegenden Teil als Material Aluminium aufweisen. Im zweiten Zustand weist eine derartige Kontaktanordnung 500 dieselben Ausziehkräfte bzw. dieselbe Haltekraft für den Kontaktstift 100 und dieselbe Lebensdauer auf wie herkömmliche Kontaktanordnungen 500.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als Einschränkung anzusehen sind.

Claims

Ansprüche
Elektrisch leitender Kontaktstift (100) zum Einpressen entlang einer
Einpressrichtung (E) in eine Durchgangsöffnung (300) einer Leiterplatte (302),
wobei für den Kontaktstift (100) die Einpressrichtung (E) als Z-Richtung, quer zu der Z-Richtung eine X-Richtung und quer zu der Z-Richtung und der X- Richtung eine Y-Richtung definiert ist,
wobei der Kontaktstift eine Verpresszone (104) aufweist, die in einer in der X-Richtung und in der Y-Richtung aufgespannten Querschnittsfläche (200) des Kontaktstifts aufweist:
— einen zentralen Stegbereich (202) mit zwei einander gegenüberliegenden im Wesentlichen zur X-Richtung parallelen Stegkanten (1 17),
— zwei in positiver X-Richtung und negativer X-Richtung an den Stegbereich (202) anschließende Flügelbereiche (204), wobei jeder Flügelbereich (204) zwei Ohrenbereiche (206) aufweist,
wobei ein Ohrenbereich (206) jedes Flügelbereichs (204) in positiver Y- Richtung und ein weiterer Ohrenbereich (206) jedes Flügelbereichs (204) in negativer Y-Richtung über den Stegbereich (202) hinausragt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stegbereich (202) durch ein Stegrechteck (214) begrenzt ist,
wobei die Ohrenbereiche (206) durch Ohrenrechtecke (210) begrenzt sind, wobei einem Schwerpunkt (212) der Querschnittsfläche (200) zugewandte innere Eckpunkte (21 1 ) der Ohrenrechtecke (210) mit Eckpunkten des Stegrechtecks (214) übereinstimmen,
wobei das Stegrechteck (214) in der X-Richtung eine Stegbreite (BS) zwischen 9% und 29% einer Ausgangsmaterialstärke (108) des Kontaktstifts (100) und in der Y-Richtung eine Stegdicke (DS) zwischen 35% und 55% der Ausgangsmaterialstärke (108) aufweist,
wobei die Ohrenrechtecke (210) in der X-Richtung eine Ohrenbreite (BO) zwischen 40% und 60% der Ausgangsmaterialstärke (108) aufweisen und in der Y-Richtung eine Ohrendicke (DO) zwischen 15% und 35% der
Ausgangsmaterialstärke (108) aufweisen.
2. Kontaktstift (100) nach Anspruch 1 ,
wobei ein Kanten -Abstand (A1 ) zwischen zwei von dem Schwerpunkt (212) abgewandten, relativ zu dem Schwerpunkt (212) gegenüberliegenden Kanten (207) zweier Ohrenrechtecke (210) zwischen 129% und 149% der Ausgangsmaterialstärke (108) beträgt.
3. Kontaktstift (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein Diagonal-Abstand (A2) zwischen bezüglich des Schwerpunkts
(212) diametral einander gegenüberliegenden äußeren Ecken (209) zweier Ohrenrechtecke (210) zwischen 145% und 165% der
Ausgangsmaterialstärke (108) beträgt. 4. Kontaktstift (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei eine Außenkontur (208) eines Ohrenbereichs (206), die in Richtung einer äußeren Ecke (209) des dazugehörigen Ohrenrechtecks (210) weist, mit einem Radius (R) verrundet ist,
wobei der Radius (R) zwischen 6% und 26% der Ausgangsmaterialstärke (108) beträgt.
5. Kontaktstift (100) nach Anspruch 3,
wobei ein auf der Linie des Diagonal-Abstands (A2) gemessener
Verrundungs-Abstand (A3) zwischen zwei relativ zu dem Schwerpunkt (212) gegenüberliegenden Außenkonturen (208) zwischen 129% und 149% der
Ausgangsmaterialstärke (108) beträgt.
6. Kontaktstift (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zumindest ein Ohrenbereich (206) auf einer in der X-Richtung dem Stegbereich (202) zugewandten Seite eine Schräge (1 18) aufweist, wobei die Schräge (1 18) gegenüber der Stegkante (1 17) des Stegrechtecks (214) des Stegbereichs (202) einen Winkel (a) aufweist,
wobei der Winkel (a) zwischen 95° und 135° beträgt. 7. Kontaktstift (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Ohrenbereiche (206) bezüglich des Stegbereichs (202) im
Wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet und ausgebildet sind. 8. Kontaktstift (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Kontaktstift (100) in der Z-Richtung einen sich an die
Verpresszone (104) unmittelbar anschließenden und bis zu einem freien Ende (101 ) des Kontaktstifts (100) reichenden Spitzenbereich (102) aufweist, wobei sich der Querschnitt des Kontaktstifts (100) im Spitzenbereich zum freien Ende (101 ) hin verjüngt,
wobei der Spitzenbereich (102) in der Z-Richtung eine Spitzenbereichs- Länge (LS) zwischen 60% und 300% der Ausgangsmaterialstärke (108) aufweist.
Kontaktstift (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Ausgangsmaterial zum überwiegenden Anteil ein Material aufweist aus der Gruppe Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung, Bronze, Messing.
0. Kontaktanordnung, aufweisend:
— eine Leiterplatte (302) mit einer Durchgangsöffnung (300), die sich entlang der Z-Richtung erstreckt,
— einen Kontaktstift (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktstift (100) in der Durchgangsöffnung (300) verpresst ist.
1 . Kontaktanordnung nach Anspruch 10,
wobei die Leiterplatte (302) zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seiten (304, 306), einer ersten Seite (304) und einer zweiten Seite (306), entlang der Z-Richtung betrachtet eine Dicke (D) aufweist,
wobei im vollständig eingepressten Zustand des Kontaktstifts (100) ein entlang einer Einpressrichtung (E) betrachtet vorderes freies Ende (101 ) des Kontaktstifts (100) in der Z-Richtung entlang einer Länge (L) über die zweite Seite (304) der Leiterplatte (302) hinausragt,
wobei die Länge (L) in einem Bereich zwischen 10% und 300%, bevorzugt zwischen 10% und 1 10%, der Dicke (D) der Leiterplatte beträgt,
wobei insbesondere die Dicke (D) der Leiterplatte zwischen 0,8mm und 2,4mm beträgt.
12. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 1 1 ,
wobei die Durchgangsöffnung (300) einen Durchmesser (DM) zwischen 1 13% und 133% der Ausgangsmaterialstärke (108) aufweist. 13. Leiterplatte (302) nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
wobei ein Durchgangsöffnungs-Abstand (A4) von der Durchgangsöffnung (300) zu einer benachbarten Durchgangsöffnung (300) für einen weiteren Kontaktstift (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zwischen 300% und 425% der Ausgangsmaterialstärke (108) beträgt.
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