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Miniaturisierung und Automatisierung verlangen nach kundenspezifischen Steckverbindern. (Bild: Fischer Elektronik)

Noch vor einigen Jahren gab es nur einige wenige Hersteller von Steckverbindern, die vor allem ihre Standardprodukte produziert und vertrieben haben. So mussten die Hardwareentwickler bereits in einem frühen Stadium des Leiterplattenlayouts ausreichend Platz für die Steckverbinder einplanen. Durch die stetige Miniaturisierung und die höheren Packungsdichten auf den Leiterkarten entwickelten sich daher Steckverbinder, die vom Standardrastermaß 2,54 mm abwichen. Dies waren zunächst Steckverbinder im Rastermaß 2,00 mm und 1,27 mm, was Platzersparnisse von etwa 20 und 50 Prozent ermöglichte. Doch die Applikationen der Kunden wurden und werden immer komplexer und filigraner, sodass ein steigender Bedarf an kundenspezifischen Steckverbindern entstand, die nicht unbedingt in die zuvor genannten Rastermaße passen. Aber nicht nur die Rastermaße ändern sich bei kundenspezifischen Steckverbindern, sondern auch die Geometrien der Kontakte und Isolierkörper weichen von denen der Standardsteckverbinder ab.

Eck-Daten

Die zunehmende Komplexität im Leiterplattenlayout erfordert auch bei Steckverbindern immer mehr Flexibilität. Kundenspezifisch angepasste Steckverbinder reduzieren nicht nur den Platzbedarf auf dem Board, sondern ermöglichen auch die Verwendung besonderer Kontakt- und Isolationsmaterialien.

Was macht einen kundenspezifischen Steckverbinder aus?

Wie individuell man einen Steckverbinder gestalten muss, kommt auf die Anwendung des Kunden an. Der kundenspezifische Steckverbinder kann ein modifiziertes und nach Kundenangaben abgeändertes Standardprodukt sein oder auch eine komplette Neuentwicklung, die sich speziell an den Gegebenheiten der Applikation orientiert. Dabei muss der Kunde definieren, welche Schnittstellen der Steckverbinder verbinden muss und in welcher Umgebung der Steckverbinder verbaut wird. Beispielsweise stellt eine Sonderbestückung der Kontakte oder Veränderung von Steck- und Einlötmaßen eines Steckverbinders heutzutage für die meisten Hersteller keine große Herausforderung mehr dar. Die Maschinenparks der Hersteller von Steckverbindern sind meist so ausgestattet, dass kundenspezifische Lösungen keinen wesentlich höheren Mehraufwand darstellen, wenn die Änderung des Steckverbinders keine eigens konstruierten Kontakt- oder Isolationsmaterialien verlangt. Wenn für den neuen Steckverbinder jedoch neue Materialien und Geometrien erforderlich sind, ist der Aufwand für die Hersteller wesentlich höher. Der Kunde muss also eine große Anzahl an Steckverbindern bestellen, damit sich die durch die Neuentwicklung verursachten Kosten für den Steckverbinder gering halten lassen. Bei einer kompletten Neuentwicklung muss der Hersteller nämlich die Maschinen und Werkzeuge umbauen oder neue Maschinen und Werkzeuge konstruieren und herstellen.

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Je nach Kundenanforderung kommen auch Sondermaterialien zum Einsatz. Fischer Elektronik

Steckverbinder bestehen üblicherweise aus zwei Komponenten, dem Kontakt- und dem Isolationsmaterial. Typische Kontaktmaterialien sind die Kupferlegierungen Bronze (CuSn), Messing (CuZn) und Berylliumkupfer (CuBe). Sie eignen sich durch den hohen Anteil des sehr gut leitenden Kontaktmaterials Kupfer ideal für die Kontaktierung von Bauteilen und Schaltkreisen auf der Leiterkarte. Diese Kupferlegierungen erhalten bei den meisten Herstellern eine Nickelsperrschicht, bevor es zur Veredelung der Kontakte kommt. Die Nickelsperrschicht verhindert, dass die Veredelungsmaterialien Gold, Silber oder Zinn in die Kupferlegierung hineindiffundieren, da sonst der Effekt dieser Materialien kaum noch vorhanden ist. Die Veredelungsmaterialien dienen der besseren Verarbeitung der Steckverbinder auf der Leiterkarte und haben einen geringeren Kontaktwiderstand als Kupfer. Doch nicht nur bei den Kontaktmaterialien muss man auf viele Kleinigkeiten achten, auch bei den Isolationsmaterialien gibt es eine Menge Faktoren, die in Einklang sein müssen, um das bestmögliche Ergebnis zu erhalten. Hier sind die Fließeigenschaften des Kunststoffes im Spritzgusswerkzeug genauso entscheidend wie das Schrumpfen des Materials nach dem Spritzvorgang. Wenn die Kunststoffisolierkörper auch noch sehr filigran sind, zum Beispiel durch sehr kleine Rastermaße oder geringe Wandstärken, finden dünnflüssige Kunststoffe wie Polyamid oder Kunststoffe aus der LCP-Gruppe Verwendung. Gerade bei kundenspezifischen Steckverbindern müssen die einzelnen Komponenten so aufeinander abgestimmt sein, dass sich die physikalischen und geometrischen Eigenschaften des Steckverbinders nicht beim Lötvorgang oder während der Lebenszeit verändern.

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Die automatisierte Zuführung erfolgt mittels angepasster Verpackungsvarianten. Fischer Elektronik

Verpackungen für die automatisierte Bestückung auf der Leiterkarte

Nicht nur der kundenspezifische Steckverbinder, sondern auch das Verpackungsmaterial spielt eine wichtige Rolle. Durch die stetig fortschreitende Automatisierung und Vernetzung von Prozessen, welche unter dem Begriff „Industrie 4.0“ immer häufiger auftaucht, werden auch die Verpackungen für die automatisierte Bestückung immer wichtiger. Aus Stangenmagazinen oder Blistergurten (Tape & Reel) lassen sich die Steckverbinder über einen Feeder zuführen und auf der Leiterkarte bestücken. Zur Erleichterung des Bestückens sind die Steckverbinder meist mit einer Bestückungshilfe versehen. Um den Steckverbinder an der richtigen Stelle auf der Leiterkarte zu platzieren, saugt eine Venturidüse die Bestückungshilfe an oder ein Fingergreifer nimmt sie auf. Nach dem Lötvorgang wird die Bestückungshilfe dann von dem Steckverbinder abgezogen und entsorgt.

Genau wie für die Bestückungshilfen ist für die Stangenmagazine und Blistergurte eine Anpassung an den kundenspezifischen Steckverbinder erforderlich, da sich die Steckverbinder zum Beispiel bei einem zu groß gewählten Stangenmagazin oder Blistergurt verschieben und ineinander verhaken können. Auch ist das Risiko einer Positionsverschiebung der Steckverbinder im Verpackungsmaterial bei einer falschen Dimensionierung wesentlich höher als bei einer optimalen Anpassung von kundenspezifischem Steckverbinder und Verpackungsmaterial.

Fazit

Durch die stetige Miniaturisierung der elektronischen und elektromechanischen Bauteile in Verbindung mit der Automatisierung von Fertigungsprozessen gewinnen kundenspezifische Steckverbinder mehr und mehr an Bedeutung. Des Weiteren werden bei vielen Neuentwicklungen die Steckverbinder erst sehr spät mit eingeplant, wodurch sich eine standardisierte Lösung meist nicht mehr einsetzen lässt und ein eigens für die Applikation entwickelter Steckverbinder erforderlich wird. Dabei sind nicht nur die geometrischen Maße des Steckverbinders zu berücksichtigen, sondern auch die physikalischen Eigenschaften des Kontakt- und Isolationsmaterials, wie auch eine angepasste Verpackungsvariante, die eine automatisierte Zuführung der Steckverbinder gewährleistet.

Stefan Suchan

Konstruktions- und Entwicklungsingenieur von Steckverbindern bei Fischer Elektronik

(pet/ah)

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