Hochstromkontakte in Zeiten der Miniaturisierung

Bild 1: Hier werden Einpressterminals von Würth genutzt, um Kupferschienen zu fixieren. Würth

Die aus Messingvollmaterial gefrästen, würfelförmigen Redcube-Terminals wurden in Deutschland hergestellt und versprechen im Vergleich zu den sonst eingesetzten gestanzten Blechkonstruktionen einen Zugewinn an Robustheit. Für einen Leiterplattenanschluss ein nicht unerheblicher Aufwand. Doch bei Hochstromanwendungen kommen mehrere Anforderungen zusammen, die eine sorgfältige Auswahl der elektromechanischen Bauteile verlangen. E-Mobility und erneuerbare Energien sind nur zwei der vielen Anwendungsbereiche, in denen der Bedarf nach hochwertigen Hochstromkontakten steigt.

Zwischen Miniaturisierung und Übertragungswiderstand

Bild 2: Die eingepressten Terminals können auch zur mechanischen Verbindung genutzt werden. Würth

Der Trend elektronischer Baugruppen entwickelt sich zunehmend in Richtung Miniaturisierung. Vor diesem Hintergrund steigt die Nachfrage nach Komponenten mit geringer Baugröße, die am besten noch vollautomatisch verarbeitet werden können. Mit steigendem Strombedarf gewinnen Themen wie Übergangswiderstand sowie Eigenerwärmung des Bauteils immer mehr an Bedeutung. Den Spagat zwischen Miniaturisierung und einem geringen Übergangswiderstand möchte Würth mit seinen Redcube-SMD-Terminals bewerkstelligen. Diese Wire-to-Board- beziehungsweise Board-to-Board-Verbindungen lassen sich lose von Hand oder vollautomatisch und zeitsparend aus dem Gurt einsetzen. Sogar vertikal in einem Winkel von bis 90° ist dies möglich. Mit Redcube SMD können Ströme bis 70 A realisiert werden.

Für Anforderungen mit erhöhten Vibrationen hat Würth Elektronik Eisos die Redcube THR-Serie entwickelt. THR steht dabei für Through hole Reflow, das Prinzip wird auch Pin in Paste (PiP) genannt. Konzept der Serie ist, die hohe mechanische Stabilität der THT-Technologie mit der vollautomatisierten Bestückungsmöglichkeit und dem effizienten Reflow-Soldering-Prozess zusammenzubringen. Die Verarbeitung der Redcube-THR-Terminals reiht sich nahtlos in den SMT-Prozess ein. Sie können wie SMD-Bauteile verarbeitet werden, da dies mit dem gleichen Verfahren und unter gleichen Bedingungen stattfindet.

Die robusten Redcube THR-Terminals sind mit vier, acht oder neun Pins erhältlich und für Ströme bis 85 A einsetzbar. Durch die robuste Bauweise können bei der Montage deutlich höhere Anzugsdrehmomente realisiert werden als bei herkömmlichen gestanzten Bauteilen.

Hochstromkontakte bis 500 Ampere

Bild 3: Eine Hochstrom-Board-to-Board-Verbindung mit Redcube Press-Fit-Elementen. Würth

Wenn kleine kompakte Hochstromkontakte Ströme bis 500 Ampere tragen sollen, wird der Übertragungswiderstand zur Herausforderung. Um ihn zu verringern, bietet es sich an, auf das Löten zu verzichten. Würth hat für diesen Zweck Redcube-Terminals in Einpresstechnik entwickelt. Von zentraler Bedeutung für diese Modelle sind die Wahl des Messings (CuZn39Pb3) und stabile aus dem Vollen gefräste Pins.

Eine leistungsfähige elektrische Verbindung entsteht in dieser Reihe, indem die Pins eines Redcube-Press-Fit-Terminals in durchkontaktierte Löcher einer Leiterplatte eingepresst werden. Dies erzeugt einen gasdichten elektrischen Kontakt. Die Oberfläche der Pins wurde dabei besonders für die beim Einpressen entstehende Kaltverschweißung optimiert. Das bestimmende Merkmal einer Einpressverbindung im Vergleich zur Löttechnik ist, dass eine elektrische und zugleich stabile mechanische Verbindung zwischen Bauteil und Leiterplatte hergestellt wird. Der einzelne massive Einpress-Pin hat typischerweise eine Ausziehkraft von über 100 N.

Redcube Press-Fit weist in von Würth beauftragten Tests bezüglich der Langzeitzuverlässigkeit den niedrigsten Failure-in-Time-Wert (FIT) des Anschlusssystems auf. Nach Angaben des Unternehmens fällt dieser Faktor bis zu 30-mal besser aus als der einer SMD-Lötstelle. Redcube Press-Fit-Terminals lassen sich demnach gleichermaßen für elektrische wie mechanische Verbindungslösungen verwenden.

Kein elektrischer oder thermischer Engpass

Durch die Einpressverbindung von Redcube Press-Fit entsteht kein elektrischer oder thermischer Engpass: Denn wenn ein massiver Einpress-Pin bei einer 2,4 mm dicken Leiterplatte nach dem Einpressvorgang an jeder der vier Ecken mit mehr als 3° an die Hülse angebunden ist, weist hat die Einpresszone einen geringeren elektrischen Widerstand als der Messing-Pin selbst auf. Im Normalfall ist der Anbindungswinkel sogar um ein Vielfaches höher, was einen hohen Sicherheitspuffer darstellt.

In der Leiterplattenherstellung ist keine Umstellung nötig, da die Durchkontaktierungen für die Einpresstechnik grundsätzlich auf dieselbe Weise hergestellt werden wie die zur Aufnahme von THT-Bauelementen. Die Leiterplattendicke sollte für das Einpressverfahren optimalerweise zwischen 1,6 mm und 3,2 mm liegen. Erprobte Oberflächenbehandlungen sind chemisches Verzinnen und Heißluftverzinnen (sowohl HAL als auch bleifrei HAL). Vor allem ab einer Leiterplattendicke von 2,4 mm lautet die Empfehlung von Würth auf Chemisch-Zinn zurückzugreifen, da durch dieses Verfahren in der Regel gewährleistet wird, dass sich das Zinn gleichmäßig in der Hülse verteilt. Dadurch werden die Toleranzen leichter eingehalten.

Durch Redcube Press-Fit-Terminals von Würth können Ströme bis über 500 A auf die Leiterplatte übertragen werden. Im Vergleich zu einer Lötverbindung (R = 300 bis 400 μOhm) hat die Einpresszone selbst mit 100 bis 200 μOhm einen sehr niedrigen Übergangswiderstand. Auf diese Weise ist der begrenzende Faktor in der Regel im Layout der angebundenen Leiterbahnen oder der Anbindung externer Zuleitungen an ein eingepresstes Bauteil zu finden. Die Strombelastbarkeit eines Redcube Press-Fit-Terminals muss demnach immer im Kontext des Gesamtsystems betrachtet werden. Bei der Auswahl der einzelnen Hochstromkontakte gilt es, verschiedene Faktoren wie Leiterbahndicke, Leiterbahnbreite, Platzierung auf der Leiterplatte, Umgebungstemperatur und Wärmeverteilung zu berücksichtigen.

Einpressen statt löten

Bild 4: Vibrationsfeste Stromversorgung dank eingepresstem Hochstromkontakt. Würth

Die Einpresstechnik bietet gegenüber der Löttechnik unterschiedliche Vorteile. So lassen sich sehr dicke Leiterplatten mit hoher Kupferbelegung unkompliziert verarbeiten. Des Weiteren ist eine zweiseitige Bestückung problemlos möglich, was in aller Regel eine sehr kompakte Auslegung von Baugruppen ermöglicht. Dadurch können Strompfade verkürzt werden, was gerade beim Umgang mit hohen Strömen thermisch vorteilhaft ist.

Bild 5: Hochstromkontakte für die automatische SMT-Bestückung. Würth

In der Mehrzahl der Anwendungen wird mit Redcube Press-Fit eine Wire-to-Board-Verbindung hergestellt. Dies ist aber nicht der einzige Verwendungszweck. So können beispielsweise Kupferschienen zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit mithilfe der Redcube Press-Fit-Terminals montiert werden: Entweder man presst die Kupferschienen mit ein – das geht, solange die Gesamtdicke der Leiterplatte mit der Kupferschiene 3,2 mm nicht übersteigt – oder schraubt sie auf die Redcube Press-Fit-Terminals. Die „Hochstrom-Würfel“ eignen sich auch, um Lamellensicherungen zu montieren. Sie können zudem rein mechanische Funktionen erfüllen, zum Beispiel die Leiterplatte und das Gehäuse verbinden, oder auch zwei Leiterplatten miteinander. Perfekt ist die doppelte Nutzung: Mit der zweiteiligen Board-to-Board-Verbindung aus dem Programm wird sowohl eine hohe mechanische Stabilität wie auch eine Stromtragfähigkeit bis 320 A erreicht.

Gesteckt, nicht geschraubt

Bild 6: Redcube THR-Hochstromkontakte werden wie THT-Bauteile in das PCB gesteckt, können aber in einer SMT-Linie mit Reflow-Ofen automatisch bestückt werden. Würth

Für Wire-to-Board-Hochstromverbindungen besteht mit dem jüngsten Mitglied der Produktfamilie, Redcube Plug, eine Variante für Applikationen, die mehrfach angeschlossen und wieder getrennt werden. Darüber hinaus finden sie Verwendung bei der Montage auf engem Raum beziehungsweise an schwer zugänglichen Stellen. Diese Hochstromkontakte sind tatsächlich „rote Würfel“. Hier wird das mit einem Stecker versehene Kabel mittels Federkraft in einem glasfaserverstärkten Kunststoffgehäuse verriegelt. Die schraubenlose Verbindung lässt sich herstellen und wieder lösen, indem man von oben auf das Gehäuse drückt. Eine schraubenlose Lösung kann dort sinnvoll sein, wo eine während der Montage fallen gelassene Schraube besonders verheerende Folgen haben würde. Redcube Plugs lassen sich mit bis zu 120 A belasten, die Kabel sind bis zu einem Querschnitt von 16 mm² verfügbar.

(tm)