DE69602202T2

DE69602202T2 - Elektrischer kontakt mit verringerter selbstinduktivität

Info

Publication number: DE69602202T2
Application number: DE69602202T
Authority: DE
Inventors: Dimitry Grabbe
Original assignee: Whitaker LLC
Current assignee: Whitaker LLC
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2016-08-31
Also published as: JPH11512229A; CN1096723C; KR19990044291A; CN1200200A; US5653598A; WO1997008781A1; DE69602202D1; EP0847603A1; JP3247115B2; EP0847603B1

Description

Die Erfindung betrifft einen sehr dünnen elektrischen Kontakt, der Kurzschlußabschnitte aufweist, die miteinander für das Verringern der Selbstinduktivitätseffekte im Kontakt in Eingriff kommen können.
Elektronische Baugruppen, die Leitungen aufweisen, die in einer Kugelgitteranordnung (BGA - "Ball Grid Array") oder einer Anschlußflächengitteranordnung (LGA - 2Land Grid Array") angeordnet sind, sind bekannt. Diese Baugruppen weisen eine relativ niedrige Höhe auf, die für das Einsparen von Raum in elektronischen Montagebaugruppen wünschenswert ist. Die Baugruppen können direkt auf eine Leiterplatte in einem Lötvorgang oberflächenmontiert werden, wobei die Leitungen mittels Lot mit einer entsprechenden Anordnung von Schaltkreisanschlußflächen auf der Leiterplatte verbunden werden. Das Verbinden durch Löten zeigt den Nachteil, daß die Baugruppe nicht leicht für ein Auswechseln oder Verbessern entfernt werden kann. Es ist oftmals wünschenswert, daß ein Verbinder für das Montieren der elektronischen Baugruppe auf die Leiterplatte in einer separaten Weise bereitgestellt wird.
Verbinder für das lösbare Montieren einer Baugruppe mit Kugelgitteranordnung oder Anschlußflächengitteranordnung auf einer Leiterplatte sind bekannt. Derartige Verbinder werden im U. S. Patent Nr. 4511197; 4513353; 4647124: und 4699593 offenbart. Diese Verbinder weisen ein im wesentlichen flaches dielektrisches Gehäuse auf, das sich zwischen der elektronischen Baugruppe und der Leiterplatte befindet. Das Gehäuse zeigt eine Anordnung von Hohlräumen, in denen elektrische Kontakte angeordnet sind, die in Übereinstimmung mit der Anordnung der Leitungen der elektronischen Baugruppe angeordnet sind. Jeder Kontakt weist ein Paar sich entgegengesetzt erstreckende Nasen auf, die über die äußeren Flächen des Verbindergehäuses hinaus vorstehen. Wenn die Baugruppe auf dem Verbinder montiert ist, ist bei jedem Kontakt eine Nase mit einer entsprechenden Leitung der Baugruppe in Eingriff, und die andere Nase ist mit einer entsprechenden Anschlußfläche auf der Leiterplatte in Eingriff. Eine Druckkraft wird auf die Baugruppe und die Leiterplatte angewandt, um einen festen Eingriff einer jeden Nase mit ihrer entsprechenden Leitung oder Anschlußfläche zu sichern. Typischerweise kann die Druckkraft durch Druckplatten angewandt werden, die miteinander befestigt sind, um die Baugruppe, den Verbinder und die Leiterplatte dazwischen schichtweise anzuordnen.
Beim Zusammenbauen von elektronischen Bauteilen müssen horizontale und vertikale Raumbegrenzungen in Betracht gezogen werden, und die Beschaffenheit der Montagebaugruppe bestimmt oftmals die Parameter der Raumbegrenzungen. Beispielsweise ist beim Zusammenbauen von Laptop-Computern der vertikale Raum viel wertvoller als der horizontale Raum. Konstruktionsanforderungen an einen künftigen Laptop-Computer erfordern einen Verbinder mit einer Höhe von nur 0,032 in und einen Arbeitsbereich von 0,015 in. Der Arbeitsbereich ist ein sehr großer Prozentanteil der gesamten Verbinderhöhe, wodurch die Kontaktkonstruktion ziemlich schwierig gestaltet wird. Dementsprechend ist es ein Ziel der Erfindung, einen Kontakt bereitzustellen, der eine geringe Gesamthöhe und einen großen Arbeitsbereich aufweist.
Außerdem kann eine moderne elektrische Anlage mit sehr hohen Schaltfrequenzen arbeiten, und das kann zu bedeutenden Selbstinduktivitätseffekten führen, die den sachgemäßen Betrieb der Anlage stören können. Selbstinduktivitätseffekte können verringert werden, indem die Länge des Schaltungspfades durch den Kontakt verringert wird. Es ist jedoch wünschenswert, daß der Kontakt einen relativ langen Federarm aufweist, um eine Federung zu bewirken, die erforderlich ist, um die Durchbiegung des Kontaktes ohne bleibende Verformung zu gestatten. Um das Problem zu überwinden, das durch diese konkurrierenden Interessen aufgeworfen wird, wurden Kontakte mit Federarmen für eine Federung und ein Kurzschlußarm entwickelt, der die freien Enden der Federarme verbindet, um einen kürzeren Strompfad durch den Kontakt bereitzustellen. Ein derartiger Kontakt wird im U. S. Patent Nr. 4354729 offenbart, worin ein Kurzschlußarm 68 einen Seitenrand in gleitendem Eingriff mit dem Seitenrand 79 des Einklinkarmes 54 aufweist. Kontakte, wie beispielsweise dieser, werden in zunehmendem Maße miniaturisiert, und während die Dicke des Kontaktes verringert wird, besteht ein Problem darin, daß es in zunehmendem Maße schwierig wird, die Seitenränder der Arme 68 und 74 in Eingriff zu bringen.
Dementsprechend ist es ein Ziel der Erfindung, den Selbstinduktivitätseffekt in einem Kontakt zu verringern, der aus sehr dünnem Material hergestellt wird.
Ein elektrischer Kontakt für eine Verwendung in einem Verbinder zwischen gegenseitig gegenüberliegenden elektrischen Anschlußflächen weist einen im allgemeinen planaren Kontaktkörper mit einer ersten und zweiten Hauptfläche auf. Der Körper umfaßt ein Paar mit Abstand angeordnete Federarme, die mittels eines elastischen Krümmungsabschnittes verbunden sind. Die Federarme weisen entsprechende freie Enden auf, jedes mit einem nach außen liegenden Rand, der eine Kontaktnase begrenzt, die mit einer entsprechenden der Anschlußflächen in Eingriff kommen kann. Entsprechende Kurzschlußabschnitte erstrecken sich von jedem der freien Enden im allgemeinen in Richtung zueinander. Die Kurzschlußabschnitte sind so versetzt, daß sich beim Durchbiegen der Federarme relativ dichter zusammen die Kurzschlußabschnitte überlappen und die erste Hauptfläche eines Kurzschlußabschnittes mit der zweiten Hauptfläche des anderen Kurzschlußabschnittes in Eingriff kommt, wobei ein verkürzter elektrischer Pfad zwischen den Kontaktnasen gebildet wird.
Die Erfindung wird jetzt als Beispiel mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen gleiche Elemente in verschiedenen Figur mit der gleichen Bezugszahl gekennzeichnet sind, und die zeigen:
Fig. 1 und 2 isometrische Darstellungen eines Kontaktes entsprechend der Erfindung von entgegengesetzten Seiten:
Fig. 3 eine Seitenansicht des Kontaktes;
Fig. 4 eine Draufsicht eines Abschnittes eines Verbinders mit Hohlräumen, die den Kontakt aufnehmen können:
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines leeren Hohlraumes im Verbinder;
Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung eines Hohlraumes mit einem Kontakt darin:
Fig. 7 eine Schnittdarstellung des Kontaktes im nicht durchgebogenen Zustand in einem Verbinder zwischen elektrischen Anschlußflächen:
Fig. 8 eine Schnittdarstellung längs der Linie 8-8 in Fig. 7:
Fig. 9 eine Schnittdarstellung des Kontaktes im durchgebogenen Zustand in einem Verbinder zwischen elektrischen Anschlußflächen:
Fig. 10 eine Schnittdarstellung längs der Linie 10-10 in Fig. 9.
Die Erfindung wird jetzt als Beispiel beschrieben:
Mit Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 wird ein Kontakt entsprechend der Erfindung vorzugsweise aus Blech gestanzt, um einen im allgemeinen planaren Kontaktkörper 10 zu bilden, der eine erste und zweite Hauptfläche 11, 12 entsprechend den Flächen des Materials aufweist, aus dem er gestanzt wird, mit einer Dicke T von annähernd 0,0045 in. Der Kontaktkörper 10 umfaßt ein Paar Federarme 14, 15, die an einem Ende durch einen elastischen Krümmungsabschnitt 16 verbunden sind. Der Krümmungsabschnitt 16 ist vorzugsweise ein bogenförmiger Abschnitt, der die Biegsamkeit in der Ebene des Kontaktkörpers erhöht, obgleich der Krümmungsabschnitt 16 deutlicher durch eine Schnittlinie der Arme 14, 15 unter einem spitzen Winkel definiert werden kann. In der bevorzugten Ausführung wird der Krümmungsabschnitt 16 durch eine Mittelachse A des Kontaktes halbiert.
Die Arme 14. 15 sind mit einer bestimmten Abmessung mit Abstand angeordnet, wenn sich der Kontakt in einem nicht durchgebogenen Zustand befindet. Vorzugsweise divergieren die Arme winkelig, während sie sich vom Krümmungsabschnitt 16 aus erstrecken, obgleich die Arme parallel zueinander verlaufen können. Die Arme erstrecken sich ebenfalls etwas außerhalb der Ebene des Kontaktkörpers, während sie sich vom Krümmungsabschnitt weg erstrecken. Die Arme weisen entsprechende freie Enden mit nach außen liegenden Rändern auf, die ein Paar entgegengesetzt liegende Kontaktnasen 17, 18 begrenzen, die jeweils mit einer entsprechenden Kugel oder einer Anschlußfläche eines Schaltkreiselementes in Eingriff kommen können. Entsprechende Kurzschlußabschnitte 19, 20 erstrecken sich von jedem der freien Enden im allgemeinen in einer Richtung zueinander. Die Kurzschlußabschnitte sind infolge dessen etwas voneinander versetzt, daß sich die Arme etwas außerhalb der Ebene des Kontaktkörpers aus Gründen erstrecken, die hierin nachfolgend vollständiger erklärt werden.
Der Kontakt ist in einem Verbinder für das elektrische Verbinden einer ersten elektrischen Anschlußfläche, wie beispielsweise Leitungen einer elektronischen Baugruppe, mit einer zweiten elektrischen Anschlußfläche nützlich, wie beispielsweise Schaltungspfade auf einer Leiterplatte. In Fig. 4 wird eine Draufsicht eines Abschnittes eines derartigen Verbinders gezeigt, der einen Verbinderkörper 30 aus Kunststoff oder einem anderen dielektrischen Material mit einer Vielzahl von Kontakthohlräumen 32 umfaßt. Die Hohlräume 32 sind in einer Anordnung entsprechend der Anordnung der Leitungen der elektronischen Baugruppe angeordnet, die am Verbinder montiert werden soll. Jeder der Hohlräume 32 ist ein länglicher Schlitz, der sich durch den Verbinderkörper von oben nach unten erstreckt. Wie deutlicher in Fig. 5 und 6 gezeigt wird, weist jeder der Hohlräume 32 einen Kontaktarretierabschnitt 33 auf, der durch gegenüberliegende Flächen 34. 35 begrenzt wird, die mit einer Abmessung mit Abstand angeordnet sind, die ausgewählt wird, um eine schwache Preßpassung mit dem Kontaktkörper in der Nähe des Krümmungsabschnittes zu bewirken, wenn der Kontakt darin angeordnet wird.
Fig. 7 und 8 zeigen Schnittdarstellungen eines repräsentativen Kontaktes 10 im nicht durchgebogenen Zustand in einem Verbinder 30, der dazu dient, eine elektronische Baugruppe 2 mit einer Leiterplatte 6 elektrisch zu verbinden. Die Baugruppe weist elektrische Leitungen jeweils in der Form einer Kontaktanschlußfläche 4 auf, wobei die Leitungen in einer genormten Anordnung über eine Fläche der Baugruppe angeordnet sind. Anstelle der Kontaktanschlußflächen könnte die Baugruppe eine Anordnung von Lotkugeln aufweisen, wobei der Kontakt der vorliegenden Erfindung mit Leitungen mit entweder Kugel - oder Anschlußflächenanordnung in Eingriff kommen kann. Die Leiterplatte 6 weist eine Anordnung von Kontaktanschlußflächen 8 entsprechend der Anordnung der Anschlußflächen 4 der Baugruppe auf. Die Nasen 17, 18 des Kontaktes werden durch die Anschlußflächen 4. 8 in Eingriff gebracht, wenn die Baugruppe 2 gegen den Verbinder 30 gedrückt wird. Die Baugruppe kann gegen den Verbinder gedrückt werden, wie beispielsweise mittels Druckplatten (nicht gezeigt), die über der Baugruppe und unter der Leiterplatte angeordnet und miteinander mittels mit Gewinde versehenen Befestigungseinrichtungen gesichert sind, wodurch die Baugruppe, der Verbinder und die Leiterplatte dazwischen schichtweise angeordnet werden.
Wie am besten in Fig. 8 zu sehen ist, ist die erste Hauptfläche 11 des Kurzschlußabschnittes 19 im wesentlichen koplanar mit der zweiten Hauptfläche 12 des Kurzschlußabschnittes 20. Daher werden die Kurzschlußabschnitte für einen gegenseitigen Eingriff längs ihrer entsprechenden Hauptflächen bei Durchbiegung des Kontaktes im Gleichgewicht gehalten.
Wenn der Verbinder zwischen die Baugruppe und die Leiterplatte geklemmt wird, wird der Kontakt in den durchgebogenen Zustand zusammengedrückt, wie in Fig. 9 und 10 gezeigt wird, wodurch die Federarme 14, 15 in eine Position durchgebogen werden, wo sie relativ dichter zusammen sind. In dieser Position überlappen sich die Kurzschlußabschnitte 19, 20, und, wie am besten in Fig. 10 zu sehen ist, kommt die erste Hauptfläche 11 des Kurzschlußabschnittes 19 mit der zweiten Hauptfläche 12 des anderen Kurzschlußabschnittes 20 in Eingriff, wodurch ein kurzer und direkter elektrischer Pfad zwischen den Kontaktnasen 17, 18 gebildet wird. Der kürzere elektrische Pfad weist einen niedrigeren elektrischen Widerstand auf als der längere Pfad, der sich durch beide Federarme 14, 15 erstreckt. Der Stromfluß wird den Pfad mit niedrigerem Widerstand natürlich bevorzugen, und der kürzere Pfad führt zu einem verringerten Selbstinduktivitätseffekt, wenn man mit dem längeren Pfad durch die Federarme vergleicht. Indem die Kurzschlußabschnitte längs ihrer Hauptflächen anstelle ihrer Seitenränder in Eingriff kommen, wird das Problem des Ausrichtens und gegenseitigen Eingreifens von sehr dünnen Seitenrändern vermieden, wie beispielsweise jenen, die eine Dicke von 0,0045 in, aufweisen.
Während der Kontakt zusammengedrückt wird, üben die Nasen 17, 18 eine schwache Wischwirkung längs der Anschlußflächen 4, 8 infolge der sich verändernden Winkligkeit zwischen den Armen 14, 15 aus. Diese Wischwirkung dient dazu, die Anschlußflächen 4. 8 zu reinigen, indem Schmutz und Oxide, die sich angesammelt haben können, weggerieben werden.
Ein Kontakt entsprechend der Erfindung wird vorzugsweise aus einer Federhärtelegierung hergestellt, bei der ein wesentlicher Anteil aus Edelmetallen, wie beispielsweise Palladium, Gold oder Silber, ebenso wie Nickel und anderen Nichtedelmetallen besteht. Eine Bedeutung hinsichtlich der Materialauswahl zusätzlich zu den Federeigenschaften hat die Fähigkeit des Kontaktes, mit einer Lötleitung ohne Übertragung von Zinn von der Lötleitung zum Kontakt in Eingriff zu kommen. Von den Nichtedelmetallen erfüllt die Beryllium-Nickel-Legierung jene Forderung, wie es bei den vorangehend aufgeführten Edelmetallen der Fall ist. Da diese Materialien ziemlich kostspielig sind, ist eine wirksame Materialausnutzung ein wichtiger Faktor bei der Entscheidung hinsichtlich der Form des Federkontaktes. Die Erfindung trägt zu einer wirksamen Materialausnutzung bei, weil eine sehr dichte Anordnung von Kontakten auf einen Materialstreifen gemustert werden kann, wodurch der Materialabfall minimiert wird, der nach dem Stanzen des Kontaktes übrigbleibt.
Ein Kontakt entsprechend der Erfindung weist mehrere Vorteile auf. Der Kontakt kann sehr klein ausgeführt werden und dennoch eine hohe Federung aufweisen, was zu einem Arbeitsbereich führt, der annähernd fünfzig Prozent seiner nicht durchgebogenen Höhe beträgt. Der Kontakt weist Kurzschlußabschnitte auf, die die Selbstinduktivitätseffekte verringern. Die Kurzschlußabschnitte kommen längs ihrer Hauptflächen in Eingriff, wodurch die Schwierigkeit des Ausrichtens sehr dünner Seitenränder für einen gegenseitigen Eingriff vermieden wird. Die Form des Kontaktes minimiert ebenfalls den Materialabfall während der Herstellung.

Claims

1. Elektrischer Kontakt für eine Verwendung in einem Verbinder (30) zwischen gegenseitig gegenüberliegenden elektrischen Anschlußflächen, der einen im allgemeinen planaren Kontaktkörper (10) mit einer ersten und zweiten Hauptfläche (11, 12) aufweist, wobei der Körper ein Paar mit Abstand angeordnete Federarme (14. 15) umfaßt, die mittels eines elastischen Krümmungsabschnittes (16) verbunden sind, wobei die Federarme (14. 15) entsprechende freie Enden aufweisen, jedes mit einem nach außen liegenden Rand, der eine Kontaktnase (17, 18) begrenzt, die mit einer entsprechenden der Anschlußflächen in Eingriff kommen kann,

dadurch gekennzeichnet, daß entsprechende Kurzschlußabschnitte (19, 20), die sich von jedem der freien Enden im allgemeinen in Richtung zueinander erstrecken, so versetzt sind, daß sich beim Durchbiegen der Federarme (14, 15) relativ dichter zusammen die Kurzschlußabschnitte (19, 20) überlappen und die erste Hauptfläche (11) eines Kurzschlußabschnittes (19) mit der zweiten Hauptfläche (12) des anderen Kurzschlußabschnittes (20) in Eingriff kommt, wodurch ein verkürzter elektrischer Pfad zwischen den Kontaktnasen (17, 18) gebildet wird.

2. Kontakt nach Anspruch 1, bei dem der Krümmungsabschnitt (16) ein bogenförmiger Abschnitt des Kontaktkörpers (10) ist.

3. Kontakt nach Anspruch 1, bei dem der Krümmungsabschnitt (16) durch eine Mittelachse des Kontaktkörpers (10) halbiert ist.

4. Kontakt nach Anspruch 1, bei dem die Federarme (14, 15) winkelig divergieren, während sie sich vom Krümmungsabschnitt (16) aus erstrecken.

5. Kontakt nach Anspruch 1, bei dem die erste Hauptfläche (11) des Kurzschlußabschnittes (19) im wesentlichen koplanar mit der zweiten Hauptfläche (12) des äußeren Kurzschlußabschnittes (20) ist.