Leiterplattensteckverbinder Steckverbinder applikationsgerecht auswählen

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Es existieren verschiedene Möglichkeiten, eine qualitativ hochwertige Steckverbindung zu realisieren. Einige lassen sich bereits durch die korrekte Auswahl der einzelnen Komponenten erreichen, andere sind von der Fertigungsqualität des Herstellers abhängig. Wie Sie die richtigen Steckverbinder für Ihre Applikation finden, lesen Sie hier.

Für das Design einer qualitativ hochwertigen Steckverbindung auf der Leiterplatte muss der Entwickler verschiedene Kriterien berücksichtigen. Dazu gehören die Werkstoffauswahl, das Lötverfahren und die korrekte Paarung von Kontaktstift und Buchse. Zusätzlich spielen die unterschiedlichen Ausführungen der Stift- und Buchsenleisten eine wichtige Rolle für die jeweilige Anwendung.

Diese beiden Arten von Steckverbindern sind in verschiedene Qualitätsstufen einteilbar. Der Einsatz von Steckverbindern jeder Qualitätsstufe ist legitim und kann in verschiedenen Anwendungsbereichen die geforderte Leistungsfähigkeit erreichen. Die folgenden Abschnitte beschreiben die verschiedenen Qualitätsstufen und erläutern, weshalb auch qualitativ weniger gute und preiswertere Steckverbinder hochwertige Verbindungen ermöglichen.

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Materialauswahl: Der Isolierkörper

Die Qualität des Isolierkörpers bei Leiterkartensteckverbindern wird maßgeblich durch den verwendeten technischen Thermoplast bestimmt. Ein hoher Glasfaseranteil im Kunststoff verbessert die Formstabilität, Maßgenauigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Belastungen. Obwohl technische Thermoplaste bei Anwendungen ohne hohe Temperaturen als überdimensioniert erscheinen, sind sie aufgrund der hohen Temperaturen im Reflow-Lötprozess und wegen der guten Flammschutzklasse unerlässlich. Letztendlich ist es unter keinen Umständen ratsam, bei der Auswahl des Werkstoffs für den Isolierkörper qualitative Kompromisse einzugehen. Hier sollte jedenfalls auf eine UL94 V-0 Zertifizierung und beste mechanische Eigenschaften geachtet werden.

Das richtige Kontaktmaterial kombiniert mit der richtigen Beschichtung

In der Elektronik werden für Kontakte von Stift- oder Buchsenleisten üblicherweise Kupferlegierungen verwendet, die sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit auszeichnen. Messing und Bronze sind dabei die gängigsten Materialien, während beispielsweise Berylliumkupfer seltener zum Einsatz kommt, sich jedoch bestens für Präzisionsinnenkontaktfedern eignet. Diese Legierungen neigen jedoch dazu, mit Sauerstoff zu reagieren und eine Passivschicht zu bilden, welche die elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigt und das Risiko von Kurzschlüssen durch sich ablösende Partikel erhöht. Um diesen Effekt zu vermeiden, ist eine Veredelungsschicht erforderlich.

Leitkongress zu Trends und Einsatz moderner Steckverbinder

Anwenderkongress Steckverbinder in Würzburg

Der Anwenderkongress Steckverbinder beleuchtet praxisorientiert technische Aspekte beim Design und Einsatz moderner Steckverbinder. In Praxis-Workshops vermitteln hochkarätige Experten elektrotechnische Grundlagen, spezifisches Knowhow und helfen bei der Auswahl des richtigen Steckverbinders.

Der Kongress ist eine in Europa einzigartige Veranstaltung, die sich den Themen rund um das Steckverbinder-Design, Design-in, Werkstoffe, Qualifizierung und Einsatz von Steckverbindern widmet.

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Eine Goldveredelung bietet eine hervorragende Leitfähigkeit und bedingt durch die Härte des Materials eine hohe Anzahl an Steckzyklen. Somit stellt Gold eine optimale Oberflächenbeschichtung dar, wobei die Goldschichtstärke für die Lebensdauer und Resistenz des Steckverbinders entscheidend ist. Bereits geringe Schichtdicken von lediglich 0,2 µm gewährleisten 50 Steckzyklen, während eine dünnere Flashvergoldung von 0,02 µm maximal zehn Steckzyklen garantiert. In Anwendungen, bei denen die Verbindung selten oder nie getrennt wird, bietet die dünnere Goldschicht eine ausreichende und ressourcenschonende Lösung.

Zinn – die Alternative zu Gold

Zinn ist eine kostengünstigere Alternative auf Kontakten zu Gold. Zinn eignet sich besonders für Anwendungen mit niedrigen Strömen bis zu 3 A und bietet eine gute Leitfähigkeit für bis zu zehn Steckzyklen. Zudem weist Zinn eine bessere Lötbarkeit auf, unabhängig davon, ob der Steckverbinder durch Wellenlötung oder einen Re­flow-Lötprozess verlötet wird. Die Verwendung von selektiv vergoldeten Kontakten kombiniert die Vorteile beider Materialien: Die vergoldete Seite sorgt für einen geringen Übergangswiderstand, während die verzinnte Seite eine optimale Lötbarkeit gewährleistet (Bild 1).

Eine versilberte Oberfläche übertrifft hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit sogar eine Goldbeschichtung. Silber bietet die höchste Leitfähigkeit von allen Werkstoffen, neigt aber auch zur Bildung einer Oxidationsschicht, die bei wiederholten Steckvorgängen zu Kon­taktierungsschwierigkeiten führt. Daher muss bei der Auswahl des Kontaktmaterials die exakte Anwendung und die damit verbundenen Anforderungen, wie beispielsweise die Anzahl der Steckvorgänge bedingt durch (De-)Montage, berücksichtigt werden.

Die Unterschiede bei den Kontaktfedern

Die Steckverbinder-Spezialisten in Lüdenscheid verwenden zwei Arten von Kontaktfedern in den Buchsenleisten: einen gestanzten Gabelkontakt und eine runde, gestanzt-gewickelte Kontaktfeder. Welche Kontaktfeder am besten passt, hängt von dem Einsatzgebiet und den Umgebungsbedingungen ab.

Die gestanzte-gewickelte Kontaktfeder eignet sich für Umgebungen, in denen die Elektronik Vibrationen und Schockbelastungen ausgesetzt ist, da ihre sechs Kontaktfinger eine zuverlässige Kontaktierung sicherstellen (Bild 2). Auch starke Bewegungen werden auf diese Art ausgeglichen, ohne die Verbindung zum Kontaktstift zu unterbrechen.

Im Gegensatz dazu ist die Gabelfeder mit einem rechteckigen Querschnitt eine kosteneffiziente Lösung für statische Anwendungen. Die Gabelfeder berührt den Kontakt an zwei gegenüberliegenden Seiten. In Kombination mit einem quadratischen Kontaktstift liegen die Kontaktflächen optimal aneinander, die Kontaktfläche wird maximiert und eine effektive elektrische Verbindung realisiert.

SMT und THT: Die Anschlusstechnik Steckverbinder – Leiterplatte

Sind die geeigneten Parameter für die Qualitätsstufe der Stift- und Buchsenleistenpaarung ausgewählt, ist es im letzten Schritt entscheidend, eine adäquate Anschlusstechnik zwischen Steckverbinder und Leiterplatte zu wählen. Die Surface Mount Technology (SMT) empfiehlt sich besonders, wenn die Bestückung der Steckverbinder mithilfe einer vollautomatischen Anlage erfolgt.

Dabei wird das Bauteil mithilfe eines Saugers an der Bestückungshilfe oder einer planen Fläche angesaugt und auf einem vormontierten Lötpad abgesetzt. Erst im Reflowofen schmilzt das Lötpad und stellt eine sichere Verbindung mit dem Steckverbinder her.

Die Through-Hole-Technology (THT) zeichnet sich durch eine erhöhte Stabilität der Verlötung aus. Die Kombination aus dem Loch in der Leiterplatte und dem Kontakt bietet der Verlötung zusätzliche Robustheit. Der Nachteil besteht darin, dass die Automatisierung beim Lötprozess erschwert ist, da diese nicht im Reflow-Lötofen erfolgt, sondern mittels einer herkömmlichen Lötwelle.

Die automatisierte Platzierung der Steckverbinder wird durch die zusätzliche Passung zwischen dem Loch der Platine und dem Kontaktstift erschwert. Die Positionierungstoleranz ist deutlich geringer als es bei der SMT der Fall ist.

THR: Die Fusion von SMT und THT

Aus der Fusion beider zuvor genannten Anschlusstechniken ist die Through-Hole-Reflow-Technik (THR) hervorgegangen. Diese vereinigt die Vorteile beider Lötvorgänge und garantiert eine beständige und moderne Verbindung zwischen Steckverbinder und Leiterplatte (Bild 3). Dadurch erhält man eine stabile und sichere Verbindung, die durch die Verwendung von den Löchern in der Leiterplatte Stabilität bietet und Platz im Leiterplattenlayout einspart.

Dank der Pin-In-Paste-Technik (PiP) ist die Steckverbindung im Reflow-Ofen automatisiert zu verlöten. Der einzige Nachteil im Vergleich zur SMT besteht in der erschwerten Positionierung, die jedoch mit zeitgemäßen Bestückungsautomaten und an Präzision gewinnenden Steckverbindern ebenfalls möglich ist und daher zunehmend an Beliebtheit gewinnt.

Darüber hinaus gibt es Anwendungen, in denen eine Verlötung nicht möglich ist. Grund hierfür kann beispielsweise eine andere Komponente auf der Leiterplatte sein, welche durch die Temperatur der Peak Zone des Reflow-Ofens beschädigt würde.

Pressfit: Wenn Löten nicht möglich ist

Für diese Fälle gibt es noch die Möglichkeit, Einpresstechnik-Steckverbinder (Pressfit) zu verwenden. Diese werden lediglich in das Loch der Platine eingedrückt und benötigen keine zusätzliche Verlötung. Dafür ist eine Stanzung im Kontaktstift verantwortlich, die sich beim Eindrücken in die Platine so verformt, dass sich diese Verbindung nur unter hohem Kraftaufwand wieder lösen lässt.

Fazit: Es existieren mehrere Möglichkeiten, eine qualitativ hochwertige Steckverbindung zu realisieren. Einige lassen sich bereits durch die korrekte Auswahl der einzelnen Komponenten erreichen, andere sind von der Fertigungsqualität des Herstellers abhängig. Beachtet man die genannten Faktoren und Spezifikationen, steht einer langlebigen und widerstandsfähigen Steckverbindung nichts im Wege. (kr)

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* Timon Dahlhaus ist Entwicklungsingenieur für Leiterkartensteckverbinder bei Fischer Elektronik.

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