Federkontakte am Trägerstreifen und montiert im Gehäuse.

Federkontakte am Trägerstreifen und montiert im Gehäuse. (Bild: Fischer Elektronik)

Mechanischer Aufbau

Durch die Erhöhung der Packungsdichte auf den Leiterplatten, bedingt durch die immer kleiner werdenden Bauteile, ist auch der Wunsch der Elektronikentwickler nach immer kleineren Leiterplattensteckverbinder unumgänglich. Für den Leiterplattenentwickler steht an erster Stelle die Auswahl des gewünschten Kontaktabstandsmaßes, das sogenannte „Raster“. Dies ist sowohl für die Stiftkontaktleiste als auch für die dazugehörige Federkontaktleiste bindend. Ein weiterer Punkt, der beachtet werden muss, ist der gewünschte Abstand der beiden Leiterplatten zueinander. Dies wird vielfach als „lichtes Leiterplattenabstandmaß“ bezeichnet.

Kontaktleisten, Stift- und Buchsenleisten, müssen hierfür in der Länge aufeinander abgestimmt werden. Berücksichtigt werden muss hierfür das minimale und das maximale Einsteckmaß des Stiftkontaktes in die Feder, sodass immer eine ausreichende und sichere Kontaktüberlappung gewährleistet ist. Zur grundlegenden Betrachtung zählen des Weiteren Querschnittsgröße und Querschnittsform der Stiftkontakte. Diese müssen zur ausgewählten Federkontaktleiste passen.

Die Präzisionskontaktbuchsen sind in diesem Bezug die am flexibelsten verwendbaren Federkontakte (Clip). Sie können sowohl zylindrische, quadratische als auch rechteckige Formen, ohne Nachteile der Kontaktierung, aufnehmen. Dies liegt an der relativ hohen Anzahl von federnden Kontaktelementen, also nur hierbei passen eckige Stiftkontakte in runde Buchsenkontakte, da sie meist mit einem 4-Finger-Clip oder oft auch mit einem 6-Finger-Clip ausgestattet sind.

Andere Typen, wie die Flachkontaktfedern oder auch die Gabelkontaktfedern, sind in der Regel nur für quadratische und rechteckige Kontaktformen ausgelegt.

Steckverbinder werden grundsätzlich in lösbare und nicht lösbare Verbindungen eingeteilt. Bei den nichtlösbaren Verbindungen handelt es sich in der Regel um Crimp- oder Löttechniken. Dieser Beitrag widmet sich den lösbaren Steckverbindungen. Sie dienen als Schnittstelle in Elektronikeinheiten und müssen besonders zuverlässig sein. In der Regel bestehen sie aus einem Buchsen- und einem Stiftteil. Es gibt auch neuere Lösungen mit gegeneinander wirkenden Federteilen. Eine der Voraussetzungen für hohe Zuverlässigkeit einer lösbaren Steckverbindung ist, das die entsprechenden Bauformen zusammenpassen.

Neben der Form des Stiftkontaktes – zylindrisch, 4-kant, rechteckig – ist auch der Typ der Kontaktfeder – Blattfeder-, Gabelfeder, Clip - von besonderer Bedeutung.

Diese grundlegenden Ausführungstypen müssen aufeinander abgestimmt sein. Die technischen Daten der jeweiligen Hersteller geben hierüber gute Hilfestellungen.

Federkontakte versus Buchsenkontakte

In der Regel sind Federkontakte, die eine Grundform ähnlich einer Blattfeder aufweisen, für quadratische und rechteckige Stiftkontakte ausgelegt. Die zulässigen Nennmaße und Formen werden von den Herstellern in den zugehörigen technischen Datenblättern ausgewiesen. Es gibt Ausführungen mit einseitiger und zweiseitiger Kontaktierung.


Eine weitere Kontaktform ist die Gabelkontaktfeder. Diese gestanzte Feder wird in der Regel aus Federmaterial – Zinnbronze – gefertigt. Als preiswerte Ausführung eignet sie sich für Einsatzfälle mit geringer Steckhäufigkeit. Geeignet ist sie nur für quadratische und rechteckige Stiftkontakte. Das Stanzwerkzeug für diesen Kontakt muss im Kontaktbereich der Gabelfeder – der innere Bereich – eine hohe Genauigkeit des Schnittspieles aufweisen, um dort den Kontakt äußerst gratfrei zu produzieren. Somit wird verhindert, dass die galvanisierten Oberflächen der Kontakte nicht aufgerissen werden.

Eine erste Unterteilung bei der Vielzahl verschiedener am Markt angebotener Steckverbinder ergibt sich aus den Anwendungsbereichen, wie zum Beispiel die Automobilindustrie, den Maschinenbau, die Bahntechnik, die Telekommunikationstechnik etc. Neben den für die einzelnen Industriezweige eingesetzten Steckverbindern, finden verstärkt die in der Elektronik typischen Leiterplattensteckverbinder auch in diesen verschiedenen Industriezweigen Verwendung. Fischer Elektronik deckt diesen Bereich mit ihrem vielseitigen Produktprogramm ab.

Eine spezielle und sehr hochwertige Form von Federkontakten wird in den Präzisionsbuchsenkontakten eingesetzt. Es handelt sich hierbei um einen gestanzten und anschließend galvanisierten Federkontakt, einen sogenannten „Clip“, der in die galvanisierte Kontakthülse eingepresst wird.

Ein Präzisionsbuchsenkontakt besteht im Grunde aus zwei Teilen, der Kontakthülse und dem Clip, der Kontaktfeder. Die Kontakthülse ist in der Regel ein Automatendrehteil, bestehend aus einem Lötanschluss auf der einen Seite und einer Bohrung auf der anderen Seite. Diese Bohrung dient zur Aufnahme des Federteiles, dem Clip.

Die Kontakthülse wird vor der Clipmontage galvanisch beschichtet, in der Regel vernickelt und verzinnt. Auch eine Vergoldung wird vielfach angeboten. Die Vergoldung wird dann gewählt, wenn die Hülse in eine vergoldete Kontaktfeder gesteckt wird. In Bereichen mit besonderen Anforderungen wird überwiegend ein komplett vergoldeter Kontakt verwendet.

Die Präzisionsbuchsenkontakte sind lötdicht, das heißt, beim Lötprozess kann von der Lötwelle oder dem SMT-Lötprozess kein Lot in den Kontaktierungsbereich gelangen.

Elektrische Anforderungen

Die elektrische Belastbarkeit ist eine weitere wichtige Voraussetzung bei der Auswahl von Steckverbindungen. Die gängigen Typen mit einem Kontaktabstandsmaß von 2,54 mm – auch „Raster“ genannt – reichen bis zu einem Strombelastungswert von 3 A je Kontaktpaar. Höhere Belastungswünsche werden bei Leiterkartensteckverbinder oft durch Zusammenfassung von zwei oder mehreren Kontakten erzielt. Hierdurch kann der Anwender im Standardleistenbereich bleiben und muss nicht extra eine spezifische Steckverbindung entwickeln.

Die Strombelastbarkeit reduziert sich bei kleineren Rastern, z. B. 2,0 und 1,27 mm, bedingt durch die geringeren Kontaktquerschnitte und den geringeren Kontaktabstand, auf 2 bzw. 1,5 A. Variationsmöglichkeiten ergeben sich auch durch den Einsatz unterschiedlicher Kontaktwerkstoffe. Während der elektrische Leitwert von Zinn – Bronze (CuSn) bei ca. 9 S/m liegt, befindet er sich bei Messing (CuZn) bei ca. 15 S/m.

In den meisten Fällen reichen diese Möglichkeiten der elektrischen Belastbarkeit für den Massenmarkt der Leiterplattensteckverbinder vollkommen aus.

Stiftkontakte im Steckergehäuse und am Trägerstreifen
Stiftkontakte im Steckergehäuse und am Trägerstreifen. (Bild: Fischer Elektronik)

Eine große Auswahl an Steckverbindern ist im Produktkatalog f.con.d 3.1 zu finden unter folgendem Link.

Galvanische Oberflächenbeschichtung

Eine gute Steckverbinderpaarung wird im Wesentlichen durch die galvanische Oberflächenbeschichtung erreicht. In der Regel wird bei Buntmetallen eine Sperrschicht aufgetragen. Diese soll verhindern, dass irgendwelche Elemente aus dem Grundwerkstoff in die Oberflächenbeschichtung gelangen können. Ebenso wird damit verhindert, dass zum Beispiel bei einer Vergoldung das Gold in den Grundwerkstoff wandert und so die positive Wirkung des Goldes mit der Zeit entfällt. Als Sperrschicht wird vielfach Nickel eingesetzt.

Bei Zinnbeschichtungen steht eine langfristig gute Lötbarkeit im Vordergrund. Einige Anwender setzen auf eine zusätzliche Kupferbeschichtung vor dem Vernickeln. Dies soll die Haftfähigkeit der kompletten Beschichtung auf dem Grundwerkstoff erhöhen.

Gezielte Auswahl von Steckverbindungspaarungen

Zur gezielten Auswahl von Steckverbindungspaarungen ist es erforderlich, dass der Leiterplattenentwickler die geforderten Kenndaten wie Strombelastung, Steckhäufigkeit, Umfeld des Einsatzortes – trocken oder feucht, Platzbedarf, ruhend oder schwingend – und die Sicherheitsanforderung des Produktes kennt.

Danach lassen sich anhand der technischen Daten der Produkthersteller bereits eine Vielzahl der Produktanforderungen bestimmen und auswählen.

Wichtig ist es zudem, dass sich der Anwendungsentwickler mit der technischen Ausführung des angebotenen Produktes beschäftigt und sie versteht, damit es für die jeweilige Anwendung richtig eingesetzt wird. (neu)

Autor

Gerhard Brüser, Fischer Elektronik

Gerhard Brüser ist als Leitender Entwicklungsingenieur für Steckverbinder bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

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