Leiterplatte mit einer Kontaktstelle

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplatte mit einer Kontaktstelle für einen elektrischen Kontakt in einem Fahrzeug, auf eine Baueinheit für ein Fahrzeug mit der Leiterplatte, und auf ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit einer Kontaktstelle, sowie insbesondere auf eine Kontaktierung für einen Aktuator/Sensor im Nutzfahrzeug über eine Kontaktfeder mit einer Preform Gegenstelle auf der Leiterplatte.

Elektrische Kontakte in Fahrzeugen unterliegen besonderen Anforderungen an Vibrationsresistenz sowie Beständigkeit unter Zeit- und Umwelteinflüssen. Eine geläufige Realisierung eines elektrischen Kontakts zwischen elektrischen Bauteilen in einem Fahrzeug geschieht durch eine Kontaktfeder, also eine spiralförmig gewundene Leiterstruktur, die durch bauliche Maßnahmen mit einem der Bauteile verbunden ist und möglicherweise unter Ausnutzung von material- und formbedingten Spannungseffekten einen elektrischen Kontakt beispielsweise zu einem anderen elektrischen Bauteil durch Anlage oder Aufsatz herstellt. An dem durch das Anliegen der Kontaktfeder verbundenen elektrischen Bauteil befindet sich zu diesem Zweck eine Kontaktfläche, über welche elektrischer Strom zwischen den beiden Bauteilen fließen kann. Diese Kontaktfläche kann insbesondere als Teil einer Leiterplatte oder Aufsatz auf eine Leiterplatte ausgebildet sein.

Konkrete Beispiele für Kontakte solcher Bauart finden sich in Bremssystemen von Nutzfahrzeugen, in denen beispielsweise Sensoreinheiten mit Aktuatoren (beispielsweise in elektronischen Bremssystemen, oder Luftaufbereitungsanlagen, mit integrierter elektronischer Steuerung, die etwa einen aktiven mechanischen Teil einer elektronischen Feststellbremse darstellen können) sowie eventuell weitere Bauteile über elektrische Kontakte auf vibrationstolerante Weise verbunden werden. Die Leiterplatten werden dabei oft im Rahmen einer industriellen Herstellung typischerweise in einem Reflow-Verfahren (Wiederaufschmelzlöten) mit SMD (surface mounted devices: oberflächenmontierten Bauelementen) bestückt. In einem Reflow-Verfahren wird die mit Leiterbahnen durchsetzte Leiterplatte zunächst an bereits ausgebildeten Kontaktfeldern (lands, connector pads, contact pads) mit einer Lotpaste aus einer pulverigen Lötzinnverbindung und einem Flussmittel versehen (beispielsweise in einem Sieb- oder Schablonendruckverfahren bedruckt). Durch die Lotpaste haften nachfolgend aufgesetzte SMD provisorisch auf der Leiterplatte an. Durch Erhitzen der Leiterplatte wird die Lotpaste unter Ausgasung von Teilen des Flussmittels aufgeschmolzen. Oberflächenspannungseffekte justieren die SMD, die durch das ausgekühlte Lot fixiert werden.

Ein Fertigungsverfahren für eine Kontaktstelle, an welcher eine Kontaktfeder anliegt bzw. aufsitzt, lässt sich vorteilhafterweise mit möglichst wenig Aufwand in ein bestehendes Reflow-Verfahren einbinden.

In DE 102015008334 A1 ist dazu eine Ausbildung der Kontaktstelle durch ein Kontaktplättchen offenbart, das ein- oder mehrschichtig und/oder als SMD ausgebildet ist, die Materialien Nickel oder Kupfer aufweist und mit einer Silber- oder Goldschicht zur Verbesserung der Leitfähigkeit oder zu einer erhöhten Abriebresistenz versehen ist. Ein Nachteil einer Ausbildung der Kontaktstelle mit Hilfe eines Kontaktplättchens besteht in zusätzlichen Fertigungs- und Materialkosten, die für das Kontaktplättchen entstehen.

Es besteht ein Bedarf nach einer alternativen elektrischen Kontaktstelle an einer Leiterplatte, welche einen elektrischen Kontakt durch Anlegen bzw. Aufsetzen eines elektrischen Leiters wie beispielsweise einer Kontaktfeder ermöglicht, sowie nach einem verbesserten Verfahren zur Herstellung einer solchen Kontaktstelle an einer Leiterplatte.

Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch eine Leiterplatte mit einer Kontaktstelle nach Anspruch 1 , eine Baueinheit nach Anspruch 4, und ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplatte mit einer Kontaktstelle zur Kontaktierung mit einer Kontaktfeder für einen elektrischen Kontakt in einem Fahrzeug, wobei die Kontaktstelle ein Auflageelement aus Zinn aufweist, das mittels eines Reflow- Verfahrens an die Leiterplatte gelötet ist.

Die Leiterplatte ist ein Träger für eine elektrische Schaltung mit einer oder mehreren elektrischen Leitungen und möglicherweise elektrischen Bauteilen, welche beispielsweise in dem Reflow-Verfahren auf die Leiterplatte aufgebracht worden sind. Das Auflageelement kann vollständig aus Zinn bestehen, der während des Reflow- Verfahrens ganz oder teilweise verflüssigt worden ist, und der direkt auf einer Kontaktfläche der Leiterplatte aufliegt. Die Kontaktfläche (engl land, connnector pad, contact pad) ist dabei ein im Rahmen des Reflow-Verfahrens vorbestimmter Bereich für die Position des Auflageelements, an dem eine oder mehrere Leiterbahnen an der Oberfläche der Leiterplatte enden.

Optional weist das Auflageelement über der Leiterplatte eine Höhe von zumindest 50 Mikrometer und höchstens 150 Mikrometer auf, um eine vibrationsresistente Kontaktierung sicherzustellen.

Die Kontaktierung erfolgt durch Anlegen eines Leiters an die Oberfläche des Auflageelements. Vibrationen und/oder Erschütterungen, hervorgerufen beispielsweise durch die Bewegung eines die Leiterplatte und den Leiter umfassenden Fahrzeugs, können zu gegenseitigen Bewegungen des Auflageelements und des anliegenden Leiters führen. Durch die Bewegungen und/oder durch einen Druck des Leiters auf das Auflageelement kann Material von Bereichen der Oberfläche des Auflageelements abgetragen werden. Die Höhe des Auflageelements über der Leiterplatte ist vorteilhafterweise so gewählt, dass eine langfristige Kontaktierung gewährleistet ist.

Optional weist das Auflageelement eine der folgenden Grundflächen auf:

- eine Kreisscheibe,

- eine ovale Scheibe,

- ein Kreisring

- eine polygonal berandete Fläche

- eine der genannten Formen, in deren Innerem weitere Aussparungen vorliegen. Die Wahl einer Grundfläche ist vorteilhafterweise für ein Anbringen der Kontaktstelle auf der Leiterplatte, für eine Sicherung einer Position eines an die Kontaktstelle anliegenden elektrischen Leiters und/oder für eine Herstellung des Auflageelements, beispielsweise als Lotformteil (solder preform), förderlich.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Baueinheit für ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit einer Leiterplatte, die eine wie vorangehend beschriebene Kontaktstelle aufweist, und ferner mit einer Kontaktfeder sowie mit einem Bauelement, welches über die Kontaktfeder mit dem Auflageelement der Kontaktstelle der Leiterplatte in elektrischer Verbindung steht.

Die Kontaktfeder ist dabei ein geeignet gebogenes Leiterstück, beispielsweise ein spiralförmig gewundener oder spulenförmiger Draht, welches an der Oberfläche des Auflageelements anliegt oder aufsitzt. Die Kontaktfeder kann einen mechanischen Druck auf das Auflageelement ausüben. Die Kontaktfeder ist zudem an dem Bauelement befestigt; sie kann dazu beispielsweise genietet, geklemmt, gelötet, verschweisst, eingesteckt, durch eine Haltevorrichtung wie beispielsweise ein dielektrisches Gehäuse gehalten oder als Ende eines elektrischen Leiters ausgebildet sein.

Optional liegt die Kontaktfeder mit einem Ende an einer Oberfläche des Auflageelements an, wobei die Oberfläche des Auflageelements größer ist als die Querschnittsfläche des anliegenden Endes der Kontaktfeder.

Eine über die Querschnittsfläche der Kontaktfeder herausragende Oberfläche des Auflageelements kann beispielsweise eine Toleranz für eine Position des Endes der Kontaktfeder, insbesondere auch unter Vibration oder Erschütterung, zu gewährleisten. Eine Vibration des Endes der Kontaktfeder kann dabei zum Vorteil ausgenutzt werden, um einer Korrosion und/oder Oxidation der Oberfläche des Auflageelements durch Abtragen von Teilen der Oberfläche entgegenzuwirken. Optional weist die Oberfläche des Auflageelements eine Vertiefung und/oder eine Wölbung auf, welche ausgebildet sind, um eine Lage des anliegenden Endes der Kontaktfeder zu sichern.

Beispielsweise kann die Vertiefung wannenförmig sein, oder sie kann ringförmig der Querschnittskontur der Kontaktfeder angepasst sein und eine zentrale Wölbung einschließen. Dabei kann die Vertiefung auch durch einen Druck der Kontaktfeder auf das Auflageelement entstehen und/oder über die Zeit weiter vertieft werden.

Optional weist das Bauelement einen Aktuator und/oder einen Sensor auf, wobei der Kontakt eine elektrische Verbindung zwischen dem Aktuator und/oder dem Sensor und der Leiterplatte in einem Nutzfahrzeug herstellt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit einer Kontaktstelle, mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen einer Leiterplatte mit einem Kontaktfeld;

- Aufbringen eines Auflageelements aus Zinn auf dem Kontaktfeld;

- Verbinden des Auflageelements mit der Leiterplatte durch ein Reflow-Verfahren.

Vorteilhafterweise schmilzt dabei das aufgebrachte Auflageelement im Reflow- Verfahren, so dass ein direkter Kontakt mit dem im Kontaktfeld der Leiterplatte an die Oberfläche tretenden Leiter zustandekommt. Das zumindest teilweise Schmelzen des Auflageelements im Reflow-Verfahren stellt einen Kompromiss zwischen dem Standard des Aufbringens eines SMD und dem Standard einer Verzinnung dar.

Optional schließt das Aufbringen des Auflageelements eine Bedruckung des Kontaktfelds mit einer Lotpaste ein, wobei vorhandene Lotverflüssiger soweit verbraucht werden, dass sie bei einer Kontaktierung eines an die Kontaktstelle anliegenden Leiters die Leitfähigkeit der Kontaktstelle nicht reduzieren.

In standardisierten Reflow-Verfahren enthält die Lotpaste ein Flussmittel, welches durch Erhitzung im Rahmen des Reflow-Verfahrens austritt und Rückstände hinterlassen und/oder z.B. auf der Oberfläche des Lots bilden kann, welche die Leitfähigkeit der Kontaktstelle beeinträchtigen. Dies wäre insbesondere der Fall, wenn zur Ausbildung der Kontaktstelle auf das Auflageelement verzichtet und beispielsweise nur eine Lotpaste verwendet würde. Durch eine geeignete Erhitzung und/oder durch Wahl einer geeigneten Geometrie des Auflageelements, wie beispielsweise eine ausreichende Dicke, können Rückstände von Zusatzstoffen auf der Oberfläche der Kontaktstelle verhindert werden.

Optional ist während des Verfahrens zumindest ein oberflächenmontiertes Bauelement auf der Leiterplatte zu befestigen, wobei der Schritt des Verbindens ein zeitgleiches Verlöten des Auflageelements und des oberflächenmontierten Bauelements ist.

Das Anbringen der Kontaktstelle lässt sich damit in ein bestehendes Reflow-Verfahren zum Anbringen oberflächenmontierter Bauelemente integrieren, ohne im Reflow- Verfahren die Einführung zusätzlicher Verfahrensschritte zu erfordern.

Dabei kann auch der Zinn des Auflageelements Zusatzstoffe wie beispielsweise Blei, Zink, Silber, Eisen, Antimon, Kupfer oder ein Flussmittel enthalten, welche eine Funktion des Auflageelements als Kontaktstelle für ein Anlegen eines elektrischen Leiters und/oder ein Verfahren zum Aufbringen des Auflageelements auf der Leiterplatte vorteilhaft beeinflussen, ohne die genannten Merkmale der Kontaktstelle oder des Verfahrens zu verändern. Diese Zusatzstoffe können auch in eine Richtung kontinuierlich gradiert in dem Auflageelement eingebracht sein.

Vorteile von Ausführungsbeispielen bestehen beispielsweise in einer Kosteneinsparung

- durch Wegfall der Fertigung eines Kontaktplättchens oder eines anderen für die Aufgabe ausgebildeten SMD oder Durchsteckmontage-Bauteils,

- durch kostengünstige Herstellung des Auflageelements als Lotformteil, wobei Lotformteile im Reflow-Verfahren zudem bereits an anderen Stellen Verwendung finden können,

- durch Einbindbarkeit in ein bestehendes Reflow-Verfahren zur Bestückung der Leiterplatte. Weitere Vorteile bestehen in einer guten elektrischen Leitfähigkeit des elektrischen Kontakts durch

- eine Verträglichkeit insbesondere mit einer Endoberfläche (finish) der Kontaktfläche aus Zinn, so dass eine direkte, homogene Verbindung der Oberfläche des Auflageelements mit der (Kupfer-)Leitung erreicht werden kann,

- die Dicke des Auflageelements sowie ein luftdichtes Anschließen seiner Grundfläche an die Leiterplatte, welche verhindern, dass eine mindestens im Kontaktfeld an die Leiterplattenoberfläche tretende Kupferleitung oxidiert.

Weitere Vorteile bestehen in einer Sicherung des Lage des anliegenden Leiters, sofern dieser unter Druck an dem Auflageelement anliegt und dadurch teilweise in das Auflageelement eingedrückt wird,

Weiter besteht gegenüber einer lokalen Verzinnung der Leiteroberfläche, wie sie beispielsweise über einen galvanischen Prozess oder auch ein Zinnbad erfolgen kann, ein Vorteil in Form einer geeignet ausgedehnten bzw. einstellbaren Lebensdauer durch angepasste Dicke und Form des Lotformteils.

Ferner besteht ein Vorteil gegenüber einer Realisierung einer Kontaktstelle allein durch ein Aufträgen von Lotpaste darin, dass im vorliegenden Verfahren kein Ablagern von Flussmittelrückständen an der Oberfläche des Auflageelements und dadurch kein Senken der Leitfähigkeit auftritt.

Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Leiterplatte mit einer Kontaktstelle,

Fig. 2 zeigt links ein Auflageelement und rechts eine Aufsicht auf eine Leiterplatte mit Kontaktfläche, Fig. 3 zeigt links ein auf eine Kontaktfläche mit Lotpaste aufgesetztes Aufla geelement vor einer Erhitzung und Verschmelzung in einem Reflow- Verfahren, und rechts das Auflageelement auf der Kontaktfläche nach der Erhitzung und Verschmelzung.

Fig. 4 zeigt eine Baueinheit mit einer Leiterplatte mit einem Auflageelement, einer Feder und einem Bauteil.

Fig. 5 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit einer Kontaktstelle gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Leiterplatte 100 mit einer Kontaktstelle zur Kontaktierung mit einer Kontaktfeder 300 für einen elektrischen Kontakt in einem Fahrzeug, wobei die Kontaktstelle ein Auflageelement 200 aus Zinn aufweist, das mittels eines Reflow-Verfahrens an die Leiterplatte 100 gelötet ist.

Dargestellt ist dabei lediglich einen Ausschnitt der Leiterplatte 100, welche weitere Bauteile enthalten kann. Die Kontaktfeder 300 ist nicht an das Auflageelement 200 fixiert, sondern braucht nur anzuliegen.

Fig. 2 zeigt auf der linken Seite eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels für das Auflageelement 200 als einem aus Zinn hergestellten Lotformteil (solder preform). Auf der rechten Seite ist ein Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels für eine Leiterplatte 100 in Aufsicht dargestellt, in der sich eine Kontaktfläche 110 befindet. Bei der Kontaktfläche 110 handelt es sich um einen Bereich der Leiterplatte 100, in dem eine Leiterbahn der Leiterplatte 100 (hier nicht dargestellt) an die Leiterplattenoberfläche tritt. Solche Leiterbahnen können beispielsweise aus Kupfer bestehen. Da Oxidationsprozesse die Kontaktfähigkeit freiliegenden Kupfers mit der Zeit beeinträchtigen, wird in einem der letzten Verfahrensschritte zur Herstellung der Leiterplatte 100 die Kontaktfläche 110 mit einer Endoberfläche (finish) aus beispielsweise Zinn, Silber oder Gold überzogen.

Fig. 3 zeigt auf der linken Seite einen lokalen Querschnitt durch einen Leiterplatte 100 in einer Situation vor einem Wiederaufschmelzen von Lot in einem Reflow-Verfahren. Auf der Leiterplatte 100 befindet sich eine Kontaktfläche 110 mit darauf aufgetragener Lotpaste 210, auf welcher wiederum als Auflageelement 200 ein Lotformteil aus Zinn aufliegt. Im Reflow-Verfahren verschmilzt das Zinn des Auflageelements 200 mit der Lotpaste 210, sowie gegebenenfalls - zum Beispiel bei einer Ausbildung der Endoberfläche der Kontaktfläche 110 aus Zinn - mit dem Material der Endoberfläche der Kontaktfläche 110.

Auf der rechten Seite der Figur ist die Leiterplatte 100 mit Kontaktfläche 110 und Auflageelement 200 nach dem Wiederaufschmelzen von Lot im Reflow-Verfahren dargestellt. Insbesondere bei einer Kontaktfläche 110 mit Endoberfläche aus Zinn kann auf diese Weise eine homogen an die Leiterbahn anschließende Kontaktstelle gebildet werden.

Fig. 4 zeigt einen Aufriss eines Ausführungsbeispiels für eine Baueinheit für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einer Leiterplatte 100, in der eine Kontaktfläche 110 ausgebildet ist, auf der ein Auflageelement 200 aus Zinn im Rahmen eines Reflow-Verfahrens angebracht ist. An dem Auflageelement 200 liegt eine Kontaktfeder 300 an, die Teil eines Bauelements 400 ist, welches über die Kontaktfeder 300 mit dem Auflageelement 200 der Kontaktstelle der Leiterplatte 100 in elektrischer Verbindung steht.

Die Leiterplatte 100 kann beispielsweise Teil eines Sensors in einem Bremssystem eines Fahrzeugs sein.

Eine Endoberfläche der Kontaktfläche 110 aus Zinn kann vor dem Aufbringen des Auflageelements 200 beispielsweise eine Dicke von einem Mikrometer aufweisen. Während des Reflow-Verfahrens reduziert sich diese Dicke typischerweise, beispielsweise um 0,2 Mikrometer. Für ein Anlegen einer Kontaktfeder 300 wäre diese Dicke ungenügend, da beispielsweise Korrosions-, Oxidations- und bei Anliegen der Kontaktfeder 300 auch Abriebprozesse die Endoberfläche zu schnell korrumpieren. Das Auflageelement 200 kann über der Leiterplatte 100 vorteilhafterweise eine Höhe in einem Bereich von 50 bis 150 Mikrometer aufweisen, und dadurch eine langfristige Kontaktierung sowie den Schutz einer an der Kontaktfläche 110 endenden Leiterbahn der Leiterplatte 100 sicherstellen. Da während die Höhe während des Reflow- Verfahrens teilweise reduziert werden kann, weist das Auflageelement 200 vor dem Aufsetzen auf die Kontaktfläche 110 der Leiterplatte 100 eine größere Höhe (beispielsweise um 10 bis 50 Mikrometer) auf.

Das Bauelement 400 kann beispielsweise einen Aktuator wie etwa ein Magnetventil in einem Bremssystem eines Fahrzeugs umfassen.

Fig. 5 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte 100 mit einer Kontaktstelle, mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen S110 einer Leiterplatte 100 mit einem Kontaktfeld 110;

- Aufbringen S120 eines Auflageelements 200 aus Zinn auf dem Kontaktfeld 110; - Verbinden S130 des Auflageelements 200 mit der Leiterplatte 100 durch ein

Reflow-Verfahren.

Während des Reflow-Verfahrens wird das Auflageelement 200 durch Erhitzen verflüssigt, wobei es mit einer zuvor aufgebrachten Lotpaste 210 und gegebenenfalls mit dem Material einer Endoberfläche der Kontaktstelle 110 verschmelzen kann.

Dadurch wird ein homogener Kontakt zu einer im Kontaktfeld 110 endenden Leiterbahn der Leiterplatte 100 hergestellt.

Das Reflow-Verfahren kann dabei eine Montage weiterer Bauteile auf der Leiterplatte 100 umfassen. Auf diese Weise kann das Anbringen der Kontaktstelle in ein bestehendes Reflow-Verfahren eingebunden werden, ohne die Einführung eines zusätzlichen Verfahrensschrittes zu erfordern.

Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. BEZUGSZEICHENLISTE

100 Leiterplatte

110 Kontaktfeld 200 Auflageelement

210 Lotpaste

300 Kontaktfeder

400 Bauelement

S110, S120, S130 Verfahrensschritte