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Die Erfindung betrifft eine Anordnung für ein elektronisches Gerät, insbesondere für ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug.
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Bei Anordnungen mit einem Schaltungsträger und elektrisch leitenden Pins kann es an Kontaktstellen zwischen dem Schaltungsträger und den elektrisch leitenden Pins es zu sogenannter Whiskerbildung kommen, bei der eine metallische Kristallstruktur (sog. Whisker oder Haarkristall) entsteht. Insbesondere handelt es sich bei den Whiskern um nadelförmige Einkristalle. Beispielsweise neigen Zinn und Zink besonders stark zu einer solchen Whiskerbildung. Die Ursachen für Whisker sind nicht vollständig bekannt. Als Auslöser werden jedoch thermomechanische Spannungen im Oberflächenmaterial der Pins durch mechanische Umformung, elektrophysikalische Mechanismen zwischen dem Substrat des Schaltungsträgers und dem Oberflächenmaterial der Pins, intrinsische Spannungen im Metall der Pins durch Kontaktanreicherung bzw. Diffusionsspannungen mit dem Substratmaterial des Schaltungsträgers vermutet. Whisker können mit einer Geschwindigkeit von wenigen Mikrometern pro Jahr bis zu einem Millimeter pro Jahr wachsen und haben einen typischen Durchmesser von wenigen Mikrometern.
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Whisker können unerwünschte elektrische Verbindungen – beispielsweise zwischen zwei hochohmig getrennten Potentialen einer auf dem Schaltungsträger angeordneten elektronischen Schaltung – erzeugen. Hierdurch kann Signalverfälschung auftreten. Ferner kann bei einer hohen elektrischen Potentialdifferenz oder durch hohe Ströme an einem Potential beim Schließen eines Feldkontakts kurzzeitig ein Lichtbogen durch Verdampfen des Whiskers entstehen. Hierdurch kann es durch kurzfristigen Überstrom bzw. kurzfristige Überspannung zur Zerstörung von elektronischen Bauteilen auf dem Schaltungsträger kommen. Whisker können ferner auf Grund mechanischen Schocks abbrechen und in anderen Schaltungsbereichen des Schaltungsträgers fernab ihres Wachstumsbereichs zu negativen Auswirkungen auf den Schaltungsträger führen, zum Beispiel zu Kurzschlüssen.
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Zur Vermeidung bzw. der Reduzierung des Wachstums von Whiskern ist es bekannt, Oberflächenlegierungen von Pins mit Legierungszusätzen, wie zum Beispiel Silber oder Gold, zu versehen. Auf Grund des hohen Materialwerts dieser Metalle ist diese Variante jedoch sehr kostenintensiv.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, auf einfache und/oder kostengünstige Weise den negativen Auswirkungen von Whiskerwachstum auf einem Schaltungsträger mit darauf vorgesehenen Pins entgegenzuwirken.
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Diese Aufgabe wird durch die Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Anordnung für ein elektronisches Gerät angegeben, die einen Schaltungsträger und eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Pins aufweist. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein elektronisches Gerät mit der Anordnung angegeben. Das elektronische Gerät ist beispielsweise ein Steuergerät. Das Steuergerät kann ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug sein, zum Beispiel ein Motorsteuergerät.
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Der Schaltungsträger ist plattenförmig mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite ausgestaltet. Die erste Seite und die zweite Seite sind insbesondere einander gegenüberliegende Hauptflächen des Schaltungsträgers, d.h. eine erste und eine zweite Hauptfläche. Die erste Seite oder die erste und zweite Seite ist/sind bei dem elektronischen Gerät mit elektronischen Bauelementen bestückt. Vorzugsweise ist der Schaltungsträger eine Leiterplatte mit darauf vorgesehenen Leiterbahnen und Bauelementen.
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Der Schaltungsträger weist eine Mehrzahl von Durchkontaktierungen auf, die sich insbesondere von der ersten zur zweiten Seite erstrecken. Die Durchkontaktierungen sind beispielsweise Durchgangslöcher, die vorzugsweise metallisch ausgekleidet sind.
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Die elektrisch leitenden Pins sind in den Durchkontaktierungen des Schaltungsträgers positioniert. Insbesondere ist in jeder Durchkontaktierung einer der Pins, d.h. insbesondere genau einer der Pins, angeordnet. Mit anderen Worten haben die Pins jeweils ein Kontaktende zur Kontaktierung eines Bauelements und ein dem Kontaktende gegenüberliegendes Anschlussende. Die Anschlussenden der Pins sind in den Durchkontaktierungen aufgenommen.
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Die Pins erstrecken sich zur elektrischen Kontaktierung von einem oder mehreren Bauelementen von der ersten Seite hin zu den Kontaktenden. Mit anderen Worten erstrecken sich die Pins von den dem Schaltungsträger benachbarten Anschlussenden in Richtung von der ersten Seite weg zu den Kontaktenden. Anders ausgedrückt sind Abschnitte der Pins, die von der ersten Seite des Schaltungsträgers hervor ragen, zur Kontaktierung von weiteren Bauteilen vorgesehen. Vorzugsweise sind die Pins von der ersten Seite her in die Durchkontaktierungen des Schaltungsträgers eingeführt.
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Auf einer Seite des Schaltungsträgers, welche die erste oder die zweite Seite ist, ist im Bereich der Pins eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet. Vorzugsweise ist die elektrisch isolierende Schicht auf der ersten Seite angeordnet, von der her die Pins in die Durchkontaktierungen eingeführt sind.
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Es ist auch denkbar, dass auf der ersten Seite eine erste elektrisch isolierende Schicht und auf der zweiten Seite eine zweite elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist. In diesem Fall sind die erste und die zweite elektrisch isolierende Schicht vorzugsweise beide gemäß mindestens einer der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet. Zur Vereinfachung ist jedoch in der folgenden Beschreibung nur eine elektrisch isolierende Schicht genannt.
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Die elektrisch isolierende Schicht weist einen vorgefertigten Körper auf oder besteht aus einem vorgefertigten Körper, der an der einen Seite des Schaltungsträgers positioniert ist. Der vorgefertigte Körper liegt vorzugsweise an dem Schaltungsträger an, beispielsweise liegt er auf den Leiterbahnen oder einem die Leiterbahnen überdeckenden Lötstopplack auf. Bei einer Ausgestaltung ist er mit einer Klebstoffschicht oder einer Klebefolie an dem Schaltungsträger befestigt.
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Der obige Begriff des vorgefertigten Körpers ist insbesondere derart zu verstehen, dass der Körper bei der Positionierung an der einen Seite des Schaltungsträgers bereits eine feste Struktur und Formgebung aufweist. Mit anderen Worten ist der Körper in seiner Struktur und Form bei seiner Positionierung am Schaltungsträger fertig ausgestaltet, was zum Beispiel bei einem Vergussmaterial nicht der Fall ist. Der vorgefertigte Körper wird bei der Herstellung der Anordnung insbesondere ohne Änderung seiner Form auf den Schaltungsträger aufgesetzt und/oder aufgepresst.
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Ein zum jeweiligen Pin gehöriger und sich in seiner Längsrichtung erstreckender Abschnitt, der benachbart zur jeweiligen Durchkontaktierung, in welcher der jeweilige Pin positioniert ist, auf der einen Seite liegt, ist dabei von Material der isolierenden Schicht durchgängig umschlossen. Mit anderen Worten liegt um einen Abschnitt jedes Pins, der an der Durchkontaktierung beginnt und den gesamten Umfang des Pins umfasst, Material der isolierenden Schicht. Anders ausgedrückt hat jeder Pin einen Abschnitt, welcher der einen Seite – vorzugsweise der ersten Seite – benachbart ist und insbesondere an die eine Seite angrenzt. Der Abschnitt erstreckt sich in einer Längsrichtung von dem Schaltungsträger weg und ist von einer lateral vollständig um den Pin umlaufenden, von der isolierenden Schicht gebildeten Seitenwand umschlossen, derart dass die Abschnitte der einzelnen Pins mittels der Seitenwände voneinander getrennt sind.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, dass ein Wachstum von Whiskern im Kontaktbereich zwischen Pins und Durchkontaktierungen lokal begrenzt wird und so die negativen Auswirkungen von Whiskern weitgehend eliminiert werden. Insbesondere ist durch die Trennung der einzelnen Pins mittels der Seitenwände den Whiskern jeder Wachstumsweg durch die elektrisch isolierende Schicht hindurch zu einem benachbarten Pin versperrt. Auf diese Weise ist die Gefahr unerwünschter elektrischer Verbindungen durch Whisker besonders gering.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrisch isolierende Schicht nur lokal im Bereich der Pins vorgesehen und bedeckt insbesondere über 50 % oder weniger, vorzugsweise über 20 % oder weniger der ersten bzw. zweiten Seite des Schaltungsträgers in Draufsicht auf die jeweilige Seite.
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Bei einer Ausführungsform weisen die Pins jeweils eine Beschichtung auf, die Zinn und/oder Zink enthält und insbesondere aus Zinn, Zink oder aus einer Legierung, die Zinn und/oder Zink enthält, besteht. Diese Materialien neigen besonders stark zu Whiskerbildung. Die Pins sind vorzugsweise insgesamt aus einem oder mehreren metallischen Materialien. Bei einer Ausführungsform haben sie einen von der Beschichtung umhüllten Kern, der insbesondere aus einer Legierung besteht, die Kupfer und Zinn aufweist und deren Zusammensetzung sich zweckmäßigerweise von der Zusammensetzung der Beschichtung unterscheidet.
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Pins mit derartigen Beschichtungen haben vorteilhafte mechanische und/oder elektrische Eigenschaften. Die Beschichtung geht jedoch auch mit einem besonders hohen Risiko für die Whiskerbildung einher, das jedoch mittels der vorliegenden Anordnung mit Vorteil gehemmt und räumlich eingeschränkt ist. Die Gefahr elektrischer Fehlfunktionen durch Whisker von den beschichteten Pins ist daher besonders gering.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Pins in die Durchkontaktierungen eingepresst, das heißt sie werden in den Durchkontaktierungen durch einen sogenannten Pressfit gehalten. In diesem Fall ist bei einer Weiterbildung mindestens ein Pin im Bereich der Durchkontaktierung – d.h. ein zwischen der ersten und der zweiten Seite angeordnetes und/oder an die erste oder zweite Seite angrenzendes Teilstück des Pins – von der Beschichtung unbedeckt oder die Beschichtung ist in diesem Bereich beschädigt. Beispielsweise kann die Beschichtung abgeschabt sein. Alternativ oder zusätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Pins mit einer Lötverbindung in den Durchkontaktierungen gehalten werden.
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Beschädigungen der Beschichtung können besonders anfällig für die Whiskerbildung sein. Diese treten insbesondere beim Einpressen der Pins in der Nähe oder innerhalb des Schaltungsträgers auf. Ein Bereich der Pins der unmittelbar an den Schaltungsträger angrenzt ist daher als Ausgangspunkt für die Whisker besonders kritisch. Dort ist jedoch mit Vorteil die elektrisch isolierende Schicht angeordnet, welche die einzelnen Pins voneinander trennt und den für das Whiskerwachstum verfügbaren Raum beschränkt.
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In einer Ausführungsform ist der vorgefertigte Körper aus einem geschäumten oder einem elastischen Kunststoffmaterial gebildet. Beispiele von verwendbaren geschäumten Kunststoffen sind geschäumtes Polystyrol, Polyester, Polyether und Polyurethan, z.B. PUR-W Polyurethan. Beispiele von elastischen Kunststoffen sind Polyurethanelastomere wie TPU Polyurethanelastomer, und Synthesekautschuke wie Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) und Nitrilkautschuk (NBR). Ferner kann als Kunststoffmaterial ein Rollenbandmaterial zum Einsatz kommen, welches einfach auf dem Schaltungsträger angeordnet werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung weist der vorgefertigte Körper ein poriges Material auf oder ist aus einem porigen Material gebildet. Das porige Material ist insbesondere das geschäumte Kunststoffmaterial. Hierdurch wird eine besonders einfache Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung erreicht. Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die Pins mit ihrem zur jeweiligen Durchkontaktierung benachbarten Abschnitt vorzugsweise durch das porige Material hindurch gedrückt. Alternativ oder zusätzlich können die Abschnitte der Pins jedoch auch in vorgefertigten Durchgangsöffnungen im porigen Material angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der vorgefertigte Körper aus einem Vollmaterial gebildet, insbesondere aus einem Kunststoffmaterial. Beispiele von Kunststoffmaterialien sind Polybutylenterephthalat (PBT), Polyamid (PA), Polyacrylat, Polyphenylensulfid (PPS), Polypropylen (PP), Polybuten (PB), Polymehylpenten (PMP), Polystyrol (PS), Acrylnitil-Butadien-Styrol (ABS) und Fluorpolymere wie PTFE, PVF, PVF.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der vorgefertigte Körper mehrere Durchgangsöffnungen auf, wobei in jeder Durchgangsöffnung zumindest ein Pin und insbesondere ein einzelner Pin mit seinem zur Durchkontaktierung benachbarten Abschnitt angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Variante kann allein durch die Durchgangsöffnungen eine Vereinzelung der Pins erfolgen. Dabei umschließt zumindest ein Teil der Durchgangsöffnungen jeweils einen einzelnen Pin durchgängig im Abschnitt benachbart zur Durchkontaktierung. Nichtsdestotrotz kann zumindest ein Teil der Durchgangsöffnungen jeweils über einen oder mehrere laterale Durchgänge mit anderen Durchgangsöffnungen verbunden sein. Das durchgängige Umschließen wird in diesem Fall vorzugsweise durch ein zusätzliches Material neben dem Material des vorgefertigten Körpers erreicht, beispielsweise in der nachfolgend genauer ausgeführten Art und Weise. Die lateralen Durchgänge verlaufen insbesondere senkrecht, schräg, gekrümmt oder gewinkelt zur Längsrichtung der in den Durchgangsöffnungen angeordneten Abschnitte der Pins. Zweckmäßigerweise können benachbarte Durchgangsöffnungen mittels der lateralen Durchgänge mit einander verbunden sein.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Durchgangsöffnungen mit einem Vergussmaterial gefüllt, welches insbesondere auch in die oben beschriebenen Durchgänge eindringt. Beispiele von Vergussmaterialien sind Silikon, Polyurethan (PUR), Epoxidharze (EP) und Polyacryl.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Anordnung eine Zentrierleiste auf, in der die Pins geführt sind. Die Zentrierleiste ist vorzugsweise benachbart zu der elektrisch isolierenden Schicht angeordnet. Anders ausgedrückt ist der vorgefertigte Körper bevorzugt zwischen der Zentrierleiste und dem Schaltungsträger – insbesondere der ersten Seite des Schaltungsträgers, von der aus die Pins in die Durchgangsöffnungen eingeführt sind – angeordnet. Mittels der Zentrierleiste ist beim Verbinden der Pins mit dem Schaltungsträger eine einfache und genaue Ausrichtung der Pins zu den Durchkontaktierungen erzielbar. Die Zentrierleiste ist bei einer Weiterbildung integral – d.h. einstückig – mit dem vorgefertigten Körper ausgebildet. Mittels der Zentrierleiste ist der vorgefertigte Körper insbesondere mit Vorteil an den Schaltungsträger angepresst.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ein Federmittel, insbesondere mindestens ein Federelement, vorgesehen, das den vorgefertigten Körper gegen die eine Seite des Schaltungsträgers drückt. Beispielsweise ist das Federelement zwischen der Zentrierleiste und dem vorgefertigten Körper abgestützt um den vorgefertigten Körper gegen den Schaltungsträger zu pressen. Vorzugsweise ist das Federmittel an der oben beschriebenen Zentrierleiste ausgebildet, zum Beispiel in Gestalt mehrerer Federlaschen, die von der Zentrierleiste schräg oder gebogen zu dem vorgefertigten Körper hin verlaufen. Die Federlaschen können ein integraler Bestandteil der Zentrierleiste sein.
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Der vorgefertigte Körper wird in einer weiteren Ausführungsform mittels einer oder mehrerer Rastnasen und/oder Schabrippen und/oder einer Klebeverbindung an dem Schaltungsträger und/oder der Zentralleiste gehalten.
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Ist der vorgefertigte Körper mittels der Zentrierleiste oder der Federelemente an den Schaltungsträger angepresst oder mittels der Rastnasen, Schabrippen bzw. Klebeverbindung an dem Schaltungsträger gehalten, so ist die Gefahr einer lateralen Ausbreitung von Whiskern zwischen dem Schaltungsträger und dem vorgefertigten Körper besonders gering.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung gemäß einer oder mehrerer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Weiterbildungen.
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Bei dem Verfahren werden die elektrisch leitenden Pins in jeweiligen Durchkontaktierungen des Schaltungsträgers positioniert, und auf der einen Seite des Schaltungsträgers wird im Bereich der Pins eine elektrisch isolierende Schicht ausgebildet, wobei das Ausbilden der Schicht die Positionierung eines vorgefertigten Körpers an der einen Seite des Schaltungsträgers umfasst. Das Ausbilden der Schicht ist derart ausgestaltet, dass ein Abschnitt jedes Pins, der benachbart zur jeweiligen Durchkontaktierung, in welcher der jeweilige Pin positioniert wird, auf der einen Seite liegt, von Material der isolierenden Schicht durchgängig umschlossen ist.
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Je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zuerst der Schritt der Positionierung der Pins in den Durchkontaktierungen und anschließend der Schritt des Ausbildens der elektrischen isolierenden Schicht oder umgekehrt durchgeführt werden. Die Merkmale der oben beschriebenen bevorzugten Varianten der erfindungsgemäßen Anordnung können in geeigneter Weise durch entsprechende Verfahrensmerkmale in bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten schematischen Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung;
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2 einen Detailausschnitt aus der Anordnung der 1;
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3 eine Draufsicht, welche drei verschiedene Varianten von Durchgangsöffnungen mit darin angeordneten Pins in einer erfindungsgemäßen Anordnung in Draufsicht zeigt; und
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4 bis 12 Schnittansichten von weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In manchen Figuren können einzelne Bezugszeichen zur Verbesserung der Übersichtlichkeit weggelassen sein. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Schaltungsträger in Gestalt einer Leiterplatte beschrieben, welche in einer bevorzugten Variante in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, wie z.B. in einem Motorsteuergerät, verbaut ist.
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1 zeigt eine Schnittansicht durch einen Teil der Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Leiterplatte ist dabei mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet und umfasst eine erste Hauptfläche, die Oberseite 101, und eine zweite Hauptfläche, die Unterseite 102. In der Leiterplatte sind mehrere Durchkontaktierungen 103 ausgebildet, welche die Leiterplatte in Richtung von der Oberseite 101 zur Unterseite 102 vollständig durchdringen. In diesen Durchkontaktierungen ist eine metallische Hülse ausgebildet, welche zum Beispiel aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Die Leiterplatte umfasst eine Vielzahl von Leiterbahnen und elektronischen Bauteilen, welche in den Figuren nicht näher dargestellt sind. Zumindest ein Teil der Leiterbahnen ist an der Oberseite 101 der Leiterplatte 1 angeordnet. Zumindest ein Teil der elektronischen Bauteile ist auf bzw. über der Oberseite 101 angeordnet.
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Über die Oberseite 101 erfolgt eine Kontaktierung der Leiterplatte 1 mittels entsprechender Pins 2, welche in den Durchkontaktierungen 103 eingesetzt sind. Beispielsweise sind die Pins 2 Bestandteil eines Steckverbinders oder eines der elektronischen Bauteile. Jeder Pin erstreckt sich von einem Kontaktende, das beispielsweise in einem Gehäuse des Bauteils oder Steckverbinders (in den Figuren nicht gezeigt) angeordnet ist, zu einem Anschlussende, das in der jeweiligen Durchkontaktierung 103 aufgenommen ist. Dass das Anschlussende in einer Durchkontaktierung 103 aufgenommen ist beinhaltet auch Ausgestaltungen, bei denen – wie in 1 gezeigt – ein kurzes Endstück des Anschlussendes des Pins 2 auf der vom Kontaktende abgewandten Unterseite 102 der Leiterplatte 1 über diese hinaus ragt.
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Die einzelnen Pins bestehen aus einem Kern aus einer Legierung umfassend Kupfer und Zinn und einer weichen Oberflächen-Beschichtung in der Form einer Zinn-Plattierung, mit welcher der Kern überzogen ist. Der Querschnitt der Pins ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel rechteckig; die Erfindung ist jedoch nicht auf rechteckige Querschnitte eingeschränkt.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Pins über die Oberseite der Leiterplatte mittels eines sogenannten Pressfits in die einzelnen Durchkontaktierungen 103 eingepresst. Alternativ oder zusätzlich können die Pins auch in den Durchkontaktierungen eingelötet sein.
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Die Pins 2 sind in einer Zentrierleiste 3 gehalten, durch welche das Ausrichten und Einführen der Pins in die Durchkontaktierungen 103 erleichtert wird. Die Zentrierleiste 3 kann auch als Fädelleiste bezeichnet werden. Die Zentrierleiste 3 besteht aus elektrisch isolierendem Material und kann zum Beispiel aus Kunststoff oder Teflon (insbesondere als Teflonband oder Teflonplatte) gebildet sein. Die lateralen Abmessungen der Pins 2 – z.B. die Seitenlängen der Außenkontur der rechteckigen Querschnittsfläche oder der Durchmesser bei Pins mit rundem Querschnitt – haben Werte im Bereich von ungefähr 0,4 mm bis 2,5 mm, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Der Abstand zwischen Zentrierleiste 3 und Oberseite des Schaltungsträgers beträgt beispielsweise zwischen 200 µm und 1 mm, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Die Darstellung der 1 und auch der weiteren Figuren ist dabei nicht maßstabsgetreu und insbesondere ist der Abstand zwischen Zentrierleiste und Schaltungsträger vergrößert dargestellt.
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An den Kontaktenden der Pins 2 ist beispielsweise eine Steckerleiste vorgesehen (in den Figuren nicht gezeigt), um die Pins und damit die Leiterplatte an externe Bauteile, einen Kabelbaum oder dergl. anzubinden. Je nach Ausgestaltung können die Pins ein- oder mehrfach gewinkelt oder gerade von der Zentrierleiste zu der Steckerleiste hin verlaufen. Zwischen der Zentrierleiste 3 und der Oberseite 101 der Leiterplatte befindet sich eine elektrische isolierende Schicht in Gestalt eines vorgefertigten Körpers 4 aus Kunststoffmaterial. Der vorgefertigte Körper 4 grenzt an gegenüberliegenden Seiten an die Zentrierleiste 3 und die Leiterplatte 1 an.
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Wie weiter oben bereits erwähnt, ist der Begriff des vorgefertigten Körpers derart zu verstehen, dass es sich hierbei um einen Körper mit vorgegebener Struktur und Abmessung handelt, der als eigenständige Einheit auf der Leiterplatte 101 positionierbar ist. Der Körper 4 unterscheidet sich somit von Material, das bei der Positionierung auf der Leiterplatte noch keine feste Form und Struktur aufweist, wie dies zum Beispiel bei Vergussmaterial oder Lötstopplack der Fall ist.
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In dem Körper 4 sind Durchgangsöffnungen 401 vorgesehen, welche sich in vertikaler Richtung durch den Körper erstrecken. Die Durchgangsöffnungen können auch als Freisparungen bezeichnet werden. Die vertikale Richtung ist dabei die Richtung der Flächennormalen der Oberseite 101. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist nur eine der Durchgangsöffnungen mit dem Bezugszeichen 401 versehen.
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Durch die Durchgangsöffnungen erstreckt sich jeweils ein Pin 2 und die Größe der Durchgangsöffnungen ist derart gewählt, dass ein Freiraum zwischen der Innenseite der Durchgangsöffnung und der Außenseite des darin angeordneten Pins 2 gebildet ist. Mit anderen Worten sind die Pins 2 lateral von dem Körper 4 beabstandet, insbesondere allseitig. Die Durchgangsöffnungen umschließen jeden einzelnen Pin vollumfänglich und stellen auf diese Weise sicher, dass Whisker lokal in den einzelnen Durchgangsöffnungen gebunden ist. Der Körper 4 unterbindet somit das Whiskerwachstum zwischen benachbarten Pins mit seinen negativen Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften der Anordnung.
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Anders ausgedrückt ist mittels des Körpers 4 um einen an die Leiterplatte 1 angrenzenden Abschnitt jedes Pins 2 eine Seitenwand gebildet, die lateral vollständig um den Abschnitt umläuft und die jeweilige Durchgangsöffnung 401 definiert. Das Whiskerwachstum ist lateral auf den von der jeweiligen Seitenwand umschlossenen Bereich eingegrenzt. der daher auch als Whiskerkäfig bezeichnet werden kann. Eine Längsrichtung der an die Leiterplatte 1 angrenzenden Abschnitte der Pins 2 ist jeweils parallel zur Flächennormale der Oberseite 101.
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2 zeigt eine Detailansicht des Ausschnitts D der 1 im Bereich einer der Durchkontaktierungen 103. In 2 ist dabei ein Whiskerkristall 10 angedeutet. Dieser entsteht dadurch, dass beim Einpressen des Pins 2 in die Durchkontaktierung 103 mechanische Spannungen auftreten, welche zu einer lokalen Zone mit abgeschabter Oberflächenbeschichtung des Pins führen. Diese Zone ist als Ausgangspunkt für Whiskerwachstum anfällig. Das dargestellte Whiskerkristall 10 ist durch den Körper 4 in dem abgeschlossen Bereich der Durchgangsöffnung 401 lokal gebunden und kann keinen weiteren Schaden verursachen, denn in diesem lokalen Bereich sind auf der Leiterplatte keine weiteren Bauelemente oder Pins 2 platziert, deren Funktion beeinflusst werden könnte.
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Der vorgefertigte Körper 4 kann auf verschiedene Weise hergestellt sein bzw. aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Vorzugsweise ist der Körper 4 aus einem Kunststoffmaterial als Spritzkörper und insbesondere als extrudierter Spritzkörper gebildet. Die Formgebung der Durchgangsöffnung 401 kann unterschiedlich gewählt werden.
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3 zeigt in Draufsicht auf den Körper 4 entlang der Flächennormale der Oberseite 101 verschiedene Ausführungsbeispiele von Durchgangsöffnungen 401, wobei zur Verbesserung der Übersichtlichkeit wiederum nur eine der Durchgangsöffnungen 401 mit diesem Bezugszeichen bezeichnet ist.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel im linken Teil der 3 ist die Durchgangsöffnung zylinderförmig ausgebildet. Gemäß der mittleren Variante der 3 ist die Durchgangsöffnung mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Gemäß der Variante im rechten Teil der 3 ist die Durchgangsöffnung mit wabenförmigem Querschnitt ausgebildet. Es sind auch jegliche andere Formen von Durchgangsöffnungen denkbar, wie zum Beispiel Durchgangsöffnungen mit ovalem Querschnitt oder Durchgangsöffnungen mit einem beliebigen Polygonzug als Querschnittskontur. Entscheidend ist dabei, dass die Durchgangsöffnungen die Pins 2 vereinzeln, wobei in 3 aus Übersichtlichkeitsgründen nur einige der Pins 2 mit diesem Bezugszeichen versehen sind. Durch die Vereinzelung der Pins 2 wird sichergestellt, dass aus den Pins 2 wachsende Whisker lokal begrenzt werden und somit deren unerwünschte elektrische Auswirkungen minimiert werden.
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4 zeigt in Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung. Wie in den vorstehenden Ausführungsbeispielen ist der Körper 4 wiederum ein vorgefertigter Körper, der zwischen der Leiterplatte 1 und der Zentrierleiste 3 angeordnet ist, an diese jeweils angrenzt, und durch den sich die Pins 2 erstrecken. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen besteht der Körper 4 nunmehr jedoch aus einem geschäumten, d.h. mit Poren versehenen und nicht-leitenden Material, welches vorzugsweise ein geschäumter Kunststoff ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Material für den Körper ein Rollenbandmaterial verwendet, das sich besonders einfach auf dem Schaltungsträger 1 anordnen lässt.
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In einer Variante sind in dem Körper der 4 vor der Positionierung der Pins 2 noch keine Durchgangsöffnungen 401 vorgesehen. Vielmehr werden die Pins im Rahmen des Einpressens in die Durchkontaktierungen 103 durch den geschäumten Kunststoffkörper gedrückt, wobei die Pins 2 die Durchgangsöffnungen 401 selbst durch das Kunststoffmaterial stechen. Nichtsdestotrotz besteht auch die Möglichkeit, dass der geschäumte Kunststoffkörper bereits vorab mit Durchgangsöffnungen 401 versehen ist, durch welche die Pins 2 beim Einpressen hindurch gesteckt werden. Die Durchgangsöffnungen 401 können einen größeren Durchmesser als die Pins aufweisen.
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In einem weiteren, in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der Anordnung ist der Körper 4 mittels eines Klebefilms 5 mit der Oberseite 101 die Leiterplatte 1 verbunden. Ferner ist der Körper 4 an seiner von der Leiterplatte 1 abgewandten Oberseite mittels eines weiteren Klebefilms 5’ mit der der Leiterplatte 1 zugewandten Unterseite der Zentrierleiste 3 verbunden.
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Der Klebefilm 5 kann vor dem Zusammenfügen von Leiterplatte 1 und Körper 4 auf die Unterseite des Körpers oder die Oberseite 101 der Leiterplatte 1 aufgetragen werden. Analog kann der Klebefilm 5’ vor dem Zusammenfügen von Körper 4 und Zentrierleiste 3 auf der Oberseite des Körpers oder auf der Unterseite der Zentrierleiste aufgebracht sein. Die Klebung zwischen Körper und Leiterplatte bzw. Zentrierleiste kann zum Beispiel über ein geeignetes Harz oder gegebenenfalls auch über ein geeignetes Verfahren, wie zum Beispiel Reibschweißen, erreicht werden.
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Das Ausführungsbeispiel der 5 unterscheidet sich ferner von dem Ausführungsbeispiel der 1 darin, dass die Durchgangsöffnungen 401 des Körpers 4, in denen die Pins 2 angeordnet sind, eine Querschnittsfläche haben die der Querschnittsfläche der in den Durchgangsöffnungen 401 angeordneten Abschnitte der Pins 2 entspricht, so dass die Oberflächen der Pins 2 die Innenseite der Durchgangsöffnungen 401 berühren.
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In einer weiteren, nicht figürlich dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird bei diesem Ausführungsbeispiel oder bei einer beliebigen anderen Ausgestaltung der Anordnung auf die Zentrierleiste 3 zur Führung der Pins 2 verzichtet. In diesem Fall kann der Körper 4 direkt mit dem Hauptkörper eines Steckers verbunden werden, in dem sich die Kontaktenden der Pins 2 befinden. Beispielsweise ist der Körper 4 in diesem Fall einstückig mit dem Gehäuse des Steckverbinders ausgebildet.
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In dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die Zentrierleiste 3 und der Körper 4 ein integrales, insbesondere einstückiges, Bauteil, was durch die gleiche Schraffur von Zentrierleiste und Körper angedeutet ist.
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In dem weiteren Ausführungsbeispiel der 7, das ansonsten dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, ist in den freien Zwischenräumen, die zwischen den Pins 2 und den Innenseiten der Durchgangsöffnungen 401 gebildet sind, eine Füllung aus elektrisch isolierender Vergussmasse 6 angeordnet, die Bestandteil der elektrisch isolierenden Schicht 4, 6 ist. Die Vergussmasse 6 wird während der Herstellung der Anordnung in die Durchgangsöffnungen 401 eingebracht und härtet dann aus. Sie unterscheidet sich somit von dem vorgefertigten Körper 4, der bei seiner Positionierung auf dem Schaltungsträger 1 bereits eine feste Struktur und Formgebung aufweist.
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Bei einer nicht in den Figuren dargestellten Variante dieses Ausführungsbeispiels sind in einzelnen Durchgangsöffnungen 401 mehrere Pins angeordnet. Die Vereinzelung der Pins wird in diesem Fall durch die zusätzlich in den Körper eingebrachte Vergussmasse erreicht.
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8 zeigt in vergrößerter Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung. Analog zu dem Ausführungsbeispiel der 7 ist in den Zwischenräumen zwischen den Pins und den Innenseiten der Durchgangsöffnungen Vergussmasse 6 eingebracht ist. Im Unterschied dem Ausführungsbeispiel der 7 sind jedoch laterale Durchbrüche 9 in dem Körper 4 vorgesehen, die benachbart zur Oberseite 101 der Leiterplatte 1 bzw. zur Unterseite der Zentrierleiste 3 in dem vorgefertigten Körper 4 ausgebildet sind. Bei der Befüllung des Körpers 4 mit Vergussmasse ist hierdurch eine gleichmäßige Verteilung der Vergussmasse in allen Durchgangsöffnungen 401 des Körpers erzielbar. Die in dem Körper 4 eingebrachten lateralen Durchbrüche 9 können an verschiedenen Positionen angeordnet sein. Insbesondere können sie überlappend oder labyrinth-artig in dem Körper verteilt sein.
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Die Befestigung des Körpers 4 am Schaltungsträger 1 kann zusätzlich oder alternativ zur Klebung auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Insbesondere kann der Körper 4 über Rastnasen oder Schaberippen im Schaltungsträger fixiert bzw. geklemmt sein. Er kann auch mittels der Zentrierleiste 3 an den Schaltungsträger gedrückt sein.
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Wie in 9 gezeigt, besteht ferner die Möglichkeit, dass der Körper 4 über Federelemente 7 an die Oberseite 101 der Leiterplatte 1 gedrückt wird. Die Federelemente sind dabei an der Unterseite der Zentrierleiste 3 angeordnet. Sie können bereits mit dem Material der Zentrierleiste 3 geformt sein oder über ein zusätzliches Element realisiert werden.
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10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsformen ist der Körper 4, der wiederum aus geschäumten Kunststoff besteht, an der Unterseite 102 der Leiterplatte 1 angeordnet und verhindert das Whiskerwachstum von dieser Unterseite her. Der Körper 4 wird dabei über die Durchkontaktierungen 103 gestülpt, nachdem die Pins 2 in die Leiterplatte 1 eingelötet oder eingepresst wurden. Er umschließt den Bereich der Pins 2, der aus dem Schaltungsträger 1 nach unten – d.h. von der Unterseite 102 weg – herausragt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein vorgefertigter Körper 4 sowohl auf der Oberseite 101 als auch auf der Unterseite 102 des Schaltungsträgers angeordnet, um somit das Whiskerwachstum an beiden Seiten der Durchkontaktierungen zu vermeiden (in den Figuren nicht gezeigt).
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 11 gezeigt ist, ist der Körper 4 durch eine „verlorene Form“ gebildet. Das heißt, der Körper 4 stellt lediglich eine Umrandung für die Pins 2 dar und der Bereich innerhalb der Umrandung wird wiederum mit Vergussmaterial 6 gefüllt, das in dem Ausführungsbeispiel der 11 über ein Loch 8 an der Oberseite der Zentrierleiste 3 zugeführt wird. Mit anderen Worten ist der vorgefertigte Körper 4 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Rahmen, der lateral um die Mehrzahl von Pins 2 herum verläuft und zusammen mit der Leiterplatte 1 eine Wanne bildet, die mit der Vergussmasse 6 befüllt ist um die Pins 2 zu vereinzeln und das Whiskerwachstum zu unterdrücken.
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12 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels der 11, bei dem die Füllung des Körpers 4 über eine Öffnung 8’ im Schaltungsträger 1 erfolgt. In diesem Fall bildet der Körper 4 zusammen mit der Zentrierleiste 3 die Wanne. Ferner bilden Zentrierleiste 3 und Körper 4 wiederum ein einstückiges Bauteil, was durch die gleiche Schraffur dieser Komponenten angedeutet ist.
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Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsbeispiele der Anordnung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird durch die elektrische isolierende Schicht, die den vorgefertigten Körper 4 und ggf. die Vergussmasse 6 aufweist, das Whiskerwachstum auf einen lokalen, sehr eng eingegrenzten Bereich eingeschränkt. Dieser Bereich ist frei von elektrischen Bauteilen. Insbesondere bei Körpern 4 aus porigem Material wie dem geschäumten Kunststoffmaterial und/oder mit einer Vergussmasse 6 kann das Whiskerwachstum in einem Abschnitt der Pins 2, der bei konventionellen Anordnungen ohne die elektrisch isolierende Schicht 4, 6 besonders von Whiskerwachstum betroffen ist, vollständig unterdrückt oder zumindest sehr stark reduziert sein. Dadurch ist die Gefahr von negativen Auswirkungen der Whiskerbildung auf die elektrische Funktion des Schaltungsträgers 1, der Pins 2 bzw. weiterer Bauelemente oder des elektronischen Geräts, in dem der Schaltungsträger angeordnet ist, besonders gering.