Was Fassungen und Leiterplattensteckverbinder gemeinsam haben

Fassungen und die verschiedenen Bauformen

Die Aufgabe einer Fassung ist im ursprünglichen Sinne, die Anschlussbeinchen eines elektronischen Bausteines, z.B. eines ICs, zu „fassen“ und sicher zu kontaktieren. Integrierte Schaltkreise waren in den Anfängen der elektronischen Entwicklung, in den 80ziger Jahren des letzten Jahrhunderts, noch sehr teure Bauteile. Daher wurden entsprechende „Fassungen“ entwickelt, um sie auswechseln zu können und nicht fest auflöten zu müssen.

Durch die unterschiedlichsten Bauformen von IC-Bausteinen und deren unterschiedlichen Anschlusskontakten, entstanden dementsprechend ebenso viele Fassungstypen. Zu beachten sind hierbei neben dem Raster von Kontakt zu Kontakt auch besonders der Reihenabstand zueinander.

Die am meisten verbreitete Fassungsform ist die DIL-Fassung, die „Dual–in-Line“-Fassung, für DIL-ICs. Daneben gibt es Rundfassungen mit verschiedenen Polzahlen für Transistoren, speziellere Bauformen für Leistungstransistoren, für Schwingquarze und auch Fassungen mit zum Teil besonderen Anforderungen, wie z.B. hohe Dauertemperaturen, die mit hochtemperaturbeständigen Kunststoffen produziert werden.

Daneben gibt es weitere Fassungstypen, wie z. B. für die heute noch gängigen PLCC-ICs (Plastic-Leaded-Chip-Carrier). Diese IC-Bausteine haben eine J-förmige Anschlussform, welche in Verbindung mit der entsprechend passenden Fassung eine klemmende und federnde Kontaktierung ausbildet.

Basis der Leiterplattensteckverbinder sind Buchsen- und Stiftleisten

Der Aufbau von Buchsenleisten - im Umfeld von Leiterplattensteckverbindern - ist in Bezug auf einzelne Kontakte zum Teil ähnlich den Fassungskontakten oder sogar identisch. Bei der Auswahl von Präzisionskontakttypen können die gleichen Buchsenkontakte verwendet werden wie bei den Fassungen. Voraussetzung ist jedoch, dass die Einsteckquerschnitte des Gegensteckers, die Stiftkontakte, auf die Buchsenkontakte abgestimmt sind. Die Anschlussbeinchen von IC–Bausteinen sind in der Regel für eine Größe von 0,5-mm-Rundstiften, ausgelegt. Daher wird die Gegenleiste, also die Stiftkontaktleiste, auf der Einsteckseite mit Rundanschlüssen von 0,5 mm Durchmesser ausgebildet.

Die Entwicklung der Leiterplattensteckverbinder begann in den Anfängen überwiegend auf der Basis von Präzisionskontakten, ähnlich denen von IC-Fassungen. Dies gilt auch heute noch. Sie werden vorwiegend in ein- und zweireihigen Leisten produziert. Darüber hinaus werden auch vereinzelt Varianten in dreireihiger und sogar vierreihiger Ausführung angeboten. Wenn die ein- und zweireihigen Leisten von den Abmessungen her anreihbar gestaltet sind, lassen sich mehrreihige Varianten durch Anreihen auf der Leiterplatte kostengünstig erstellen.

Für größere Kontaktquerschnitte, wie z.B. die gängigen Vierkantstiftkontakte mit 0,635 mm Kantenmaß, sind natürlich auch die Buchsenkontakte im Querschnitt entsprechend größer. Vielfach wird dabei die Innenfeder, zwecks noch sicherer Kontaktierung mit sechs Kontaktfingern, anstatt der üblichen vier Kontaktfinger, ausgestattet.

Die sogenannten Präzisionsbuchsenkontakte bestehen aus zwei Teilen: der Hülse und der Innenkontaktfeder. Die Kontakthülse wird gedreht, die Innenkontaktfeder gestanzt und gerollt und nach der galvanischen Beschichtung in die Kontakthülse eingesteckt und auf Klemmsitz montiert. Die Innenkontaktfeder, auch „Clip“ genannt, kann eine unterschiedliche Anzahl von Kontaktfingern aufweisen. Abhängig von der Baugröße und der gewünschten Kontaktierungssicherheit reicht dies von drei bis sechs Fingern. Als Beschichtung werden verzinnte und vergoldete Varianten angeboten, wobei die vergoldete Ausführung bevorzugt verwendet wird. Dagegen ist die Hülse überwiegend verzinnt.

Bei den Fassungen haben sich gestanzte Flachkontakte nicht durchgesetzt, anders bei den Leiterkartensteckverbindern. Hier sind gestanzte Kontakte deutlich stärker vertreten. Es werden sogenannte „tulpenförmige“ Kontakte oder auch Gabelkontaktformen verwendet. Solche Kontakte lassen sich gut automatisch bestücken. Daneben ist die galvanische Beschichtung, gerade bei Vergoldungen, mittels Bandgalvanik sehr gut edelmetallsparend herzustellen. Gegenüber Präzisionskontakten ist dies eine gute und preiswerte Alternative.

Im Stiftleistenbereich findet sich überwiegend gezogenes Vierkantmaterial. Die Spitzen sind pyramidenförmig geprägt oder auch durch ein spezielles Verfahren thermisch gerissen. Somit wird ein schonendes und kraftreduziertes Einstecken in die Buchse erzielt. Auch hier lässt sich die Vergoldung mittels Bandgalvanik edelmetallsparend auftragen. Dazu müssen die Stiftkontakte jedoch vorher auf einen Trägergurt montiert werden. Danach wird final die Steckseite vergoldet und die Lötseite verzinnt.

Einmal im Trägergurt genau positioniert, lässt sich eine vollautomatische Weiterverarbeitung recht einfach realisieren.

Lötverfahren und Kunststoffauswahl

Bei Fassungen und Leiterplattensteckverbinder kommen dieselben Lötverfahren zum Einsatz. Dies sind vorwiegend das Wellenlötverfahren, jedoch zunehmend verschiedene „Reflow“- Lötverfahren und das bauteilschonende Dampfphasenlöten. Als Isolierkörpermaterial sind in den letzten Jahren verschiedene Hochtemperaturkunststoffe entwickelt worden und zur Anwendung gelangt.

Die Ansprüche an die Leiterplattensteckverbinder und Fassungen sind durch die hohe Löttemperatur beim SMT-Löten deutlich gestiegen. Beim Wellenlötverfahren werden die Steckverbinder kaum über die übliche maximale Dauertemperaturbelastung ausgesetzt, während bei den SMT-Löttechniken Temperaturen von zirka 260 °C üblich sind.

Für kleinere Hersteller von Steckverbindern und Fassungen lohnt es sich kaum, bei gleichen Bauformen der Isolierkörper, unterschiedliche Kunststoffe für das Wellenlötverfahren und das SMT-Lötverfahren zu verwenden. Neben der möglichen Gefahr des Vertauschens, sofern dieselbe Kunststofffarbe gewählt wurde, ist auch die doppelte Lagerhaltung ein nicht zu vernachlässigendes Thema. Daher bietet es sich an, generell den hochtemperaturbeständigen Kunststoff für alle identischen Bauformen zu verwenden, unabhängig vom Lötverfahren.

Darüber hinaus kommen für besonders dünnwandige Bauteile in der Regel nur noch hochtechnische Kunststoffe, wie z.B. aus der LCP-Gruppe (flüssigkristalline Polymere), zum Einsatz. Hierfür bedarf es jedoch entsprechend geeignete Formwerkzeuge, die wegen des dünnflüssigen Kunststoffs äußerst formschlüssig und hochpräzise gefertigt sein müssen. Auch die Temperierung der Formwerkzeuge ist mit über 130 °C maschinen- und werkzeugtechnisch besonders zu beachten. Somit können kleinste Wandstärken zuverlässig, selbst bei einem recht langen Fließweg, gefüllt werden. Dies wird durch den molekularen Aufbau, mit starren, stabförmigen Makromolekülen, die sich in der Schmelze parallel ausrichten, erreicht.

Die LCP-Materialien sind in der Regel inhärent flammgeschützt, Stufe V0, also nicht durch flammhemmende Zusatzstoffe belastet. Durch den Zusatz von Füllstoffen, wie Glasfasern oder Mineralfüllungen, wird ein hoch formbeständiger Kunststoff erzeugt. Damit können hochfeine Strukturen, die sich bei vielen Steckverbinderleisten gerade bei kleiner werdenden Rastern ergeben, sicher gefüllt und produziert werden. Darüber hinaus weisen diese Kunststoffe eine gute Wärmeformbeständigkeit auf. Sie übersteigt 270 °C und gelangt bei einzelnen Typen auch über 300 °C. Mit diesem Material werden zudem gute mechanische Eigenschaften erzielt.

Elektrische Anforderungen

Die elektrischen Kenndaten sind wichtige Merkmale bei der Auswahl von Fassungen und Leiterplattensteckverbindern. Gängige Typen mit einem Kontaktabstandsmaß (Raster) von 2,54 mm liegen in der Regel bei einer Nennstrombelastung von bis zu 3 A.

Die Strombelastbarkeit reduziert sich bei kleineren Rastern, z.B. 2,0 und 1,27 mm, auf Stromwerte von 2,5 und 1,0 A je nach Raster und Typ.

Variationsmöglichkeiten ergeben sich auch durch den Einsatz unterschiedlicher Kontaktwerkstoffe. Während der elektrische Leitwert von Zinn–Bronze (CuSn) bei zirka 9 S/m liegt, kommt Messing (CuZn) auf etwa 15 S/m.

Für gute Federeigenschaften bieten sich Zinn-Bronze-Legierungen an. In den meisten Fällen reichen diese Möglichkeiten der elektrischen Belastbarkeit für den Massenmarkt der Leiterplattensteckverbinder vollkommen aus.

Darüber hinaus haben sich in der Vergangenheit gerade für elektrisch und mechanisch hoch beanspruchte Kontaktteile - Federteile - Werkstoffe aus Kupfer-Beryllium–Legierungen (CuBe) mit bis zu maximal zwei Prozent Beryllium etabliert. (neu)