Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einer Leiterbahn und einem elektrischen Leiter

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einer auf einem Trägerelement, insbesondere auf einer Leiterplatte, angeordneten Leiterbahn und einem elektrischen Leiter, wobei es sich insbesondere um einen Anschlussdraht oder eine Anschlusslitze handeln kann.

Stand der Technik

Die Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung einer auf einem

Trägerelement angeordneten Leiterbahn mit einem elektrischen Leiter stellt sich oftmals als schwierig dar. Dies gilt insbesondere, wenn die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Leiterbahn und dem elektrischen Leiter über eine Lötverbindung hergestellt werden soll und das Trägerelement eine dünne Leiterplatte aus Kunststoff ist. Denn dann besteht die Gefahr, dass der Kunststoff aufgrund der beim Löten auftretenden hohen Temperaturen angeschmolzen wird und sich die Leiterbahn von der Leiterplatte ablöst.

Die Haftung der Leiterbahn auf dem Trägerelement beruht in der Regel auf Verkrallungen des Leiterbahnmaterials in der Oberfläche des Trägerelements. Um derartige Verkrallungen zu erreichen, kann beispielsweise das

Leiterbahnmaterial durch thermisches Spritzen, insbesondere

Kaltplasmaspritzen, durch Laserstrukturieren oder in einem Jet-Verfahren auf das Trägerelement aufgebracht werden. Insbesondere beim thermischen Spritzen kommt es zu einem Eindringen der Leiterbahnpartikel in die Oberfläche des Trägerelements, da diese mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Trägerelements auftreffen. Dennoch vermögen auch derartige Verkrallungen des Leiterbahnmaterials in der Oberfläche des Trägerelements ein Ablösen der Leiterbahn vom Trägerelement nicht vollständig zu verhindern. Dies gilt im Besonderen, wenn die elektrisch leitende Verbindung der Leiterbahn mit einem elektrischen Leiter über eine starre Verbindung, wie beispielsweise eine

Lötverbindung, hergestellt werden soll, da hierüber zusätzliche Kräfte auf die Leiterbahn wirken.

Aus dem Stand der Technik sind daher alternative Techniken zur Herstellung einer elektrischen Verbindung einer Leiterbahn mit einem elektrischen Leiter bekannt, die beispielsweise anstelle einer Lötverbindung eine Klebe- oder Steckverbindung vorsehen.

Darüber hinaus kann die elektrische Verbindung indirekt über ein separates Kontaktierungselement hergestellt werden. Das Kontaktierungselement kann beispielsweise als metallischer Kontaktpin oder -streifen ausgebildet sein, der bereits beim Spritzgießen des Trägerelements mit ins Werkzeug eingelegt und partiell mit Kunststoff umgössen worden ist, so dass mindestens ein freiliegender Bereich geschaffen wird. Die Leiterbahn kann dann beim Aufbringen auf das Trägerelement über den freiliegenden Bereich des Kontaktpins bzw. -Streifens geführt werden, so dass hierüber eine elektrische Verbindung der Leiterbahn mit dem Kontaktierungselement hergestellt ist. Anschließend muss das

Kontaktierungselement mit dem elektrischen Leiter verbunden werden. Aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten und damit

einhergehender Spannungen zwischen dem Kontaktierungselement und dem Trägerelement bzw. der hierauf aufgebrachten Leiterbahn kann es jedoch zur Ausbildung von Rissen in der Leiterbahn und/oder einem Ablösen der Leiterbahn kommen.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine

Vorrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einer auf einem Trägerelement angeordneten Leiterbahn und einem elektrischen Leiter anzugeben, die einfach zu realisieren ist und den Haftverbund zwischen

Leiterbahn und Trägerelement möglichst wenig belastet. Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des

Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einer auf einem Trägerelement angeordneten Leiterbahn und einem elektrischen Leiter wird die elektrisch leitende Verbindung mittelbar über ein Kontaktierungselement hergestellt. Erfindungsgemäß wird beim

Positionieren und/oder Fixieren des Kontaktierungselements in Bezug auf das Trägerelement oder ein das Trägerelement aufnehmendes Kunststoffbauteil über einen ersten Verbindungsabschnitt zugleich eine elektrisch leitende Verbindung des Kontaktierungselements mit der Leiterbahn über einen zweiten

Verbindungsabschnitt hergestellt, der als Federarm ausgebildet ist.

Im Unterschied zu einer Lötverbindung stellt der Federarm keine starre

Verbindung im Bereich der Kontaktierung der Leiterbahn dar. Insofern werden über den Federarm auch keine Kräfte eingebracht, die den Haftverbund zwischen der Leiterbahn und dem Trägerelement beeinträchtigen. Der Federarm ermöglicht eine Art der Kontaktierung, die sogar eine Relativbewegung der Leiterbahn gegenüber dem Kontaktierungselement zulässt, so dass auf diese Weise thermisch bedingte Längenänderungen kompensiert werden können. Zugleich ist über den ersten Verbindungsabschnitt des Kontaktierungselements ein dauerhaft fester Sitz des Kontaktierungselements im Trägerelement bzw. im Kunststoffbauteil sichergestellt, welches das Trägerelement aufnimmt.

Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz gelangende

Kontaktierungselement weist demnach mindestens zwei unterschiedlich ausgestaltete Verbindungsabschnitte auf. Dadurch ist es möglich, die Funktionen Befestigung und Kontaktierung zu trennen, um auf diese Weise den Zielkonflikt zwischen einer dauerhaft festen Verbindung einerseits und einer

Relativbewegungen zulassenden Verbindung andererseits zu lösen. Sowohl die Befestigung, als auch die Kontaktierung können dabei in einem Fertigungsschritt vollzogen werden, so dass kein zusätzlicher Fertigungsschritt erforderlich ist. Zwar muss nach diesem Fertigungsschritt das Kontaktierungselement noch mit dem elektrischen Leiter verbunden werden, diese Verbindung kann jedoch im Wege einer einfachen Steck- oder Crimpverbindung realisiert werden.

Beim Positionieren und/oder Fixieren des Kontaktierungselements in Bezug auf das Trägerelement oder in Bezug auf das Kunststoffbauteil wird vorzugsweise der als Federarm ausgebildete zweite Verbindungsabschnitt des

Kontaktierungselements elastisch verformt und gegenüber der Leiterbahn vorgespannt. Die Vorspannung des Federelements ermöglicht den Ausgleich fertigungs- und/oder montagebedingter Toleranzen. Zugleich können über die Vorspannung des Federarms Schwingungen, Relaxationen im Kunststoff und/oder thermisch bedingte Längenänderungen kompensiert werden. Die Vorspannkraft wirkt vorrangig senkrecht in Bezug auf die Längsrichtung der Leiterbahn, so dass über die Vorspannkraft des Federarms im Wesentlichen keine Kräfte eingebracht werden, die den Haftverbund der Leiterbahn mit dem Trägerelement beeinträchtigen.

Beim Positionieren des Kontaktierungselements in Bezug auf das Trägerelement oder das Kunststoffbauteil wird vorzugsweise der erste Verbindungsabschnitt mit dem Trägerelement oder dem Kunststoffbauteil kraft- und/oder formschlüssig verbunden. Der Kraft- und/oder Formschluss dient der Befestigung des

Kontaktierungselements, so dass dieses hinsichtlich seiner Lage in Bezug auf das Trägerelement bzw. auf das Kunststoffbauteil fixiert ist. Vorzugsweise wird die kraft- und/oder formschlüssige Verbindung über eine Steck-, Press- und/oder Rastverbindung hergestellt. Beispielsweise kann der erste Verbindungsabschnitt des Kontaktierungselements - zumindest abschnittsweise - ein Pressübermaß gegenüber einer im Trägerelement oder im Kunststoffbauteil ausgebildeten Ausnehmung zur Aufnahme des ersten Verbindungsabschnitts aufweisen, so dass ein Kraftschluss zwischen dem Kontaktierungselement und dem

Trägerelement bzw. dem Kunststoff bauteil herstellbar ist. Alternativ oder ergänzend kann über mindestens eine am ersten Verbindungsabschnitt des Kontaktierungselements ausgebildete, hinterschnitten ausgeführte Geometrie ein Formschluss hergestellt werden. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Kontaktierungselement über einen dritten Verbindungsabschnitt mit dem elektrischen Leiter elektrisch leitend verbunden wird, wobei vorzugsweise die Verbindung über eine Steck- oder Crimpverbindung hergestellt wird, da diese einfach zu realisieren ist. Zur Herstellung einer Steckverbindung kann der dritte Verbindungsabschnitt als einfacher Pin ausgeführt sein. Zur Herstellung einer Crimpverbindung weist vorzugsweise der dritte Verbindungsabschnitt endseitig einen Abschnitt auf, der um den elektrischen Leiter gelegt und mittels Crimpen plastisch verformt werden kann.

Die darüber hinaus vorgeschlagene Vorrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einer auf einem Trägerelement angeordneten

Leiterbahn und einem elektrischen Leiter umfasst ein Kontaktierungselement, das erfindungsgemäß einen ersten Verbindungsabschnitt zur Positionierung und/oder Fixierung des Kontaktierungselements in Bezug auf das Trägerelement oder in Bezug auf ein das Trägerelement aufnehmendes Kunststoffbauteil sowie einen zweiten Verbindungsabschnitt zur Verbindung des Kontaktierungselements mit der Leiterbahn aufweist, wobei der zweite Verbindungsabschnitt als

Federarm ausgebildet ist. Das heißt, dass das Kontaktierungselement mindestens zwei unterschiedlich ausgeführte Verbindungsabschnitte aufweist, so dass die Funktionen Befestigen und Kontaktieren getrennt werden. Der

Federarm ermöglicht zudem eine Kontaktierung, die eine Relativbewegung der

Leiterbahn gegenüber dem Kontaktierungselement zulässt, so dass das

Kontaktierungselement insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Hinsichtlich der Vorteile kann damit auf die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile verwiesen werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der als Federarm ausgebildete zweite Verbindungsabschnitt des

Kontaktierungselements einen in Bezug auf die Leiterbahn konvex gebogenen Kontaktierungsbereich auf. Die Kontaktierung über den konvex gebogenen Kontaktierungsbereich führt zu einer Verringerung der an der Leiterbahn anliegenden Kontaktfläche des Federarms, so dass sich Leiterbahn und

Federarm noch einfacher relativ zueinander bewegen können. Vorzugsweise ist der zweite Verbindungsbereich zur Herstellung des konvex gebogenen

Kontaktierungsbereichs S-förmig gebogen. Der Federarm kann somit in einfacher Weise durch das Kontaktierungselement selbst gebildet werden, indem ein freigestellter streifenförmiger Bereich oder Abschnitt S-förmig aufgebogen wird. Bevorzugt weist das Kontaktierungselement eine Anlageschulter zur Anlage am Trägerelement oder zur Anlage an dem das Trägerelement aufnehmenden Kunststoffbauteil auf. Über die Lage der Anlageschulter kann eine maximale Einsteck- oder Einpresstiefe des Kontaktierungselements in Bezug auf das Trägerelement bzw. das Kunststoffbauteil vorgegeben werden. Die

Anlageschulter ist daher bevorzugt angrenzend an den ersten

Verbindungsabschnitt des Kontaktierungselements angeordnet.

Des Weiteren bevorzugt weist der erste Verbindungsabschnitt des

Kontaktierungselements mindestens eine hinterschnitten ausgeführte Geometrie zur formschlüssigen Verbindung mit dem Trägerelement oder dem das

Trägerelement aufnehmenden Kunststoffbauteil auf. Über die mindestens eine hinterschnitten ausgeführte Geometrie ist ein Formschluss zwischen dem

Kontaktierungselement und dem Trägerelement bzw. dem Kunststoffbauteil herstellbar, so dass eine möglichst dauerhafte Befestigung des

Kontaktierungselements realisierbar ist. Beispielsweise kann der erste

Verbindungsabschnitt als Streifen mit beidseits angeordneten Rastnasen ausgebildet sein, so dass der erste Verbindungsabschnitt in der Draufsicht einem Tannenbaum ähnelt. Die Rastnasen bewirken eine Verkrallung des ersten Verbindungsabschnitts im Trägerelement bzw. im Kunststoffbauteil.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das Kontaktierungselement einen dritten Verbindungsabschnitt zur Verbindung mit dem elektrischen Leiter aufweist, wobei vorzugsweise der dritte Verbindungsabschnitt als Pin ausgeführt ist. Die

Ausbildung des dritten Verbindungsabschnitts als Pin ermöglicht die Herstellung einer einfachen Steckverbindung des Kontaktierungselements mit dem

elektrischen Leiter. Darüber hinaus kann mittels des Pins eine Crimpverbindung realisiert werden, indem dieser um den elektrischen Leiter gelegt und mittels Crimpen plastisch verformt wird.

Vorteilhafterweise ist das Kontaktierungselement der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein aus einem Metallblech hergestelltes Stanz-/Biegeteil. Das Kontaktierungselement ist auf diese Weise besonders einfach und kostengünstig herstellbar. Insbesondere kann der als Federarm ausgebildete zweite Verbindungsabschnitt in einfacher Weise durch Stanzen und Biegen des

Metallblechs freigestellt und ausgeformt werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen, werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in elektrisch leitender Verbindung mit einer auf einem Trägerelement angeordneten Leiterbahn,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine modifizierte

Ausführungsform der Vorrichtung der Fig. 1,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 1, jedoch um 90° gedreht,

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 1 analog der Fig. 1, jedoch mit modifiziertem Trägerelement,

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 6 einen schematischen Längsschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 5, jedoch um 90° gedreht,

Fig. 7 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform und

Fig. 8 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einer auf einem Trägerelement 1 angeordneten Leiterbahn 2 und einem elektrischen Leiter 3 umfasst ein

Kontaktierungselement 4 in Form eines einfachen Stanz-/Biegeteils, das aus einem Metallblech hergestellt worden ist. Das Kontaktierungselement 4 weist einen ersten Verbindungsabschnitt 4.1 auf, welcher der Befestigung des

Kontaktierungselements 4 im Trägerelement 1 dient. Aus der Ebene des ersten

Verbindungsabschnitts 4.1 ist ein S-förmiger zweiter Verbindungsabschnitt 4.2 in Form eines Federarms herausgebogen, welcher der Kontaktierung einer auf dem Trägerelement 1 angeordneten Leiterbahn 2 dient. Die Kontaktierung erfolgt über einen Kontaktierungsbereich 6, der in Bezug auf die Leiterbahn 2 konvex gebogen ist.

In Verlängerung des ersten Verbindungsabschnitts 4.1 bildet das

Kontaktierungselement 4 einen dritten Verbindungsabschnitt 4.3 in Form eines einfachen Pins aus, welcher der Verbindung mit einem elektrischen Leiter 3 dient. Die Verbindung kann insbesondere über eine Steckverbindung hergestellt werden.

Alternativ ist in der Fig. 2 eine Crimpverbindung des Kontaktierungselements 4 mit einem elektrischen Leiter 3 dargestellt. Der elektrische Leiter 3 wird vorliegend durch ein Anschlusskabel ausgebildet, um den der dritte

Verbindungsabschnitt 4.3 des Kontaktierungselements 4 gelegt und mittels Crimpen elektrisch leitend verbunden ist.

Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, kann der erste Verbindungsabschnitt 4.1 des Kontaktierungselements 4 als ein flacher Streifen mit beidseits angeordneten, hinterschnitten ausgeführten Geometrien 8 ausgebildet sein, die beim Einsetzen des ersten Verbindungsabschnitts 4.1 in eine Ausnehmung 9 des

Trägerelements 1 in verrastenden Eingriff mit dem Trägerelement 1 bringbar sind. Die Geometrien 8 verhindern, dass der erste Verbindungsabschnitt 4.1 bei einer Zugbeanspruchung aus der Ausnehmung 9 herausgezogen wird.

Der Fig. 4 ist eine Weiterbildung der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu entnehmen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in diesem Fall auch das Trägerelement 1 mit der hierauf aufgebrachten Leiterbahn 2. Das Trägerelement 1 und die

Leiterbahn 2 sind mit einer Fase 10 versehen, die eine elastische Verformung, insbesondere ein Aufbiegen, des als Federarm ausgebildeten zweiten

Verbindungsabschnitts 4.2 beim Einsetzen des ersten Verbindungsabschnitts 4.1 in die Ausnehmung 9 des Trägerelements 1 bewirkt. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Fig. 5 dargestellt. Hier bildet das Trägerelement 1 zugleich eine

Steckerbuchse 11 aus, welche den dritten Verbindungsabschnitt 4.3 des

Kontaktierungselements 4 umgibt. Über die Einsteck- bzw. Einpresstiefe des ersten Verbindungsabschnitts 4.1 im Trägerelement 1 kann die Vorspannung des als Federarm ausgebildeten zweiten Verbindungsabschnitts 4.2 in Bezug auf die

Leiterbahn 2 vorgegeben werden. Das heißt, dass der Federarm bei der

Vorrichtung der Fig. 5 senkrecht in Bezug auf die Längsrichtung der Leiterbahn 2 an diese herangeführt wird. Dementsprechend kann eine Fase 10, wie in der Fig. 4 dargestellt, entfallen.

Der Fig. 6 ist zu entnehmen, dass der erste Verbindungsabschnitt 4.1, welcher vorliegend unmittelbar an den dritten Verbindungsabschnitt 4.3 anschließt, wiederum hinterschnitten ausgeführte Geometrien 8 aufweisen kann, um das Kontaktierungselement 4 im Trägerelement 1 dauerhaft festzuhalten. Die Einsteck- bzw. Einpresstiefe des Kontaktierungselements 4 im Trägerelement 1 ist über eine an den ersten Verbindungsabschnitt 4.1 beidseits angrenzende Anlageschulter 7 vorgeben.

Eine Modifizierung der Ausführungsform der Figuren 5 und 6 ist in der Fig. 7 dargestellt. Hier wird die Steckerbuchse 11 durch ein separates

Kunststoffbauteil 5 ausgebildet, in dem zugleich das Trägerelement 1

aufgenommen ist. Das Trägerelement 1 kann somit als einfache Leiterplatte ausgeführt sein. Das Kontaktierungselement 4 wird in dem Kunststoffbauteil 5 befestigt.

Eine Modifizierung der Ausführungsform der Figuren 1 bis 3 bzw. der Fig. 4 ist der Fig. 8 zu entnehmen. Auch hier ist das Trägerelement 1 in einem separaten Kunststoffbauteil 5 aufgenommen, das zugleich der Befestigung des

Kontaktierungselements 4 dient. Das Trägerelement 1 ist wiederum als einfache Leiterplatte ausgeführt. Um das Aufbiegen bzw. Aufschieben des als Federarm ausgebildeten zweiten Verbindungsabschnitts 4.2 auf die Leiterbahn 2 zu erleichtern, weist vorliegend das Kunststoffbauteil 5 eine Fase 10 auf.