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Eine Vielzahl unterschiedlicher Steckverbinder werden auf dem Markt angeboten. Um hier einen Überblick zu behalten, erfordert es ein erhebliches Wissen um diese Technik. Eine grobe Unterteilung ergibt sich aus den vorgesehenen Anwendungsbereichen – sei es Automobilindustrie, Bahntechnik,  Maschinenbau oder Telekommunikationstechnik. Neben den für die einzelnen Industriezweige eingesetzten Steckverbinder, finden verstärkt die in der Elektronik typischen Leiterplattensteckverbinder auch in diesen verschiedenen Industriezweigen Verwendung.

Aufbau der Leiterplattensteckverbinder

Der Steckverbinderbereich teilt sich in die lösbare und nicht lösbare Verbindungstechnik auf. Bei den nichtlösbaren Verbindungen handelt es sich in der Regel um Crimptechniken oder Verlötungen. Dieser Artikel widmet sich den lösbaren Steckverbindungen: Sie dienen als Schnittstelle von Elektronikeinheiten zu Schaltungsperipherien und müssen besonders zuverlässig sein. Lösbare Steckverbindungen bestehen meist aus einem Buchsen- und einem Stiftteil, die der Anwender inenander steckt, um eine Verbindung herzustellen. Einer lösbare Steckverbindung kann nur zuverlässig den Kontakt herstellen, wenn die Bauformen von Buchsen- und Stiftteil zusammenpassen.

Auf einen Blick

Lösbare Steckverbindungen müssen je nach Anwendung sehr unterschiedliche Ansprüche erfüllen, entsprechend viele Ausführungen gibt es selbst innerhalb der Leiterplattensteckverbinder. Der Beitrag gibt einen Überblick über die Grundlagen und Eigenschaften; neben den mechanischen und elektrischen Anforderungen sind auch die Art und Beschaffenheit der Federkontakte und Gegenstecker zu beachten.

Die Ausführungstypen des Stiftkontaktes (zylindrisch, vierkant, rechteckig) und der Kontaktfeder (Blatt- oder Gabelfeder, Clip) müssen aufeinander abgestimmt sein, da es sonst zu keinem Kontakt kommt. Die technischen Daten der jeweiligen Hersteller geben im Zweifel hierüber Auskunft.

Mechanische Bedingungen

Der Trend zu immer kleineren Bauteilen fordert auch den Leiterplattensteckverbinderbereich. Für den Leiterplattenentwickler steht die Auswahl des gewünschten Kontaktabstandsmaßes (Raster) an erster Stelle. Dieses Raster ist sowohl für die Stiftkontaktleiste als auch für die dazugehörige Federkontaktleiste gültig. Ein weiterer wichtiger Punkt ist der gewünschte Abstand der beiden Leiterplatten zueinander – vielfach auch als „lichtes Leiterplattenabstandmaß“ bezeichnet.

Die Kontakt-, Stift- und Buchsenleisten müssen zueinander in der Länge des Stiftkontaktes abgestimmt werden. Das minimale und maximale Einsteckmaß des Stiftkontaktes in die Feder ist wichtig, um eine sichere Kontaktierung selbst bei leichten Maßschwankungen der beiden Leiterplatten zu erzielen. Auch die Querschnittsgröße und Querschnittsform der Stiftkontakte müssen zur ausgewählten Federkontaktleiste passen.

Die Präzisionskontaktbuchsen sind in diesem Bezug die Federkontakte (Clip), denn die können sowohl zylindrische, quadratische als auch rechteckige Formen ohne Nachteile der Kontaktierung aufnehmen. Dies liegt an der relativ hohen Anzahl von federnden Kontaktelementen. Flach- wie auch die Gabelkontaktfedern sind in der Regel für quadratische und rechteckige Kontaktformen ausgelegt.

Elektrische Anforderungen

Die elektrische Belastbarkeit ist eine weitere wichtige Voraussetzung bei der Auswahl von Steckverbindungen. Die gängigen Typen mit einem Raster reichen bis zu einem Strombelastungswert von 3 A je Kontaktpaar. Höhere Belastungswünsche werden bei Leiterkartensteckverbindern oft durch Zusammenfassung von zwei oder mehreren Kontakten erzielt. Hierdurch kann der Anwender im Standardleistenbereich bleiben und muss keine spezifische Steckverbindung entwickeln lassen.

Die Strombelastbarkeit reduziert sich bei kleineren Rastern – zum Beispiel 2,0 mm und 1,27 mm – bedingt durch die geringeren Kontaktquerschnitte und den geringeren -abstand. Variationsmöglichkeiten ergeben sich auch durch den Einsatz unterschiedlicher Kontaktwerkstoffe. Während der elektrische Leitwert von Zinn-Bronze (CuSn) bei zirka 9 S/m liegt, kommt man bei Messing (CuZn) auf etwa 15 S/m.

In diesem Zusammenhang lässt sich auch die mechanische Beanspruchung betrachten: Zinn-Bronze-Legierungen sind durch ihre Federeigenschaften wesentlich stabiler gegenüber Biegebeanspruchungen als Messinglegierungen. In den meisten Fällen reichen diese Möglichkeiten der elektrischen Belastbarkeit für den Massenmarkt der Leiterplattensteckverbinder vollkommen aus.

Präzisionskontaktfeder

Eine besondere Form von Federkontakten wird in den sogenannten Präzisionsbuchsenkontakten eingesetzt. Dies ist ein gestanzter und anschließend galvanisierter Clip, der in die galvanisierte Kontakthülse eingepresst wird. Ein Präzisionsbuchsenkontakt besteht also im Grunde aus zwei Teilen: der Kontakthülse und dem Clip, der Kontaktfeder.

Die Kontakthülse ist in der Regel ein Drehteil, bestehend aus einem Lötanschluss auf der einen und einer Bohrung auf der anderen Seite. Diese Bohrung dient zur Aufnahme des Clips. Kontakthülsen sind vor der Clipmontage galvanisch beschichtet und meist vernickelt und verzinnt. Auch Vergoldungen werden angeboten. Diese werden dann gewählt, wenn die Hülse wiederum in eine vergoldete Kontaktfeder gesteckt wird. Auch im medizinischen, militärischen und anderen Bereichen mit besonderer Anforderung wird überwiegend ein komplett vergoldeter Kontakt verwendet. Die Vernickelung dient als Sperrschicht zur Verhinderung von Diffusionen aus dem Grundwerkstoff in Oberflächenschichten und ebenso zur Vermeidung von Diffusionen der Beschichtung in den Grundwerkstoff – speziell für Gold, da gerade Vergoldungen in der Regel nur in Schichtstärken von deutlich unter 1 µm aufgetragen werden.

Bild 1: Präzisionskontakte – lose und montiert.

Bild 1: Präzisionskontakte – lose und montiert. Fischer Elektronik

Die Präzisionsbuchsenkontakte sind lötdicht: das heißt, dass beim Lötprozess von der Lötwelle oder dem SMT-Lötprozess her kein Lot in den Kontaktierungsbereich gelangt. Die spezielle Form des Clipkontaktes nimmt in ihrer Auslegung mit drei bis sechs sogenannten Fingerkontakten (je nach Größe) sowohl zylindrische als auch viereckige Kontaktstifte auf. Die Fingerkontakte können einzeln ausweichen und gewährleisten für die Kontaktierung eine große Anzahl von Kontaktberührungspunkten und die damit einhergehende gute Stromübertragung (Bild 1).

Flach- und Gabelkontaktfeder

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 auch zweiseitiger Kontaktierung.

Bild 2: Verschiedene Flachkontaktfedern am Stanzstreifen und im Steckergehäuse.

Bild 2: Verschiedene Flachkontaktfedern am Stanzstreifen und im Steckergehäuse.Fischer Elektronik

Ebenso werden auf der Lötseite Formen angeboten, die einen Lötanschluss für jede Kontaktfeder aufweisen oder für beide Kontaktfedern nur einen Lötanschluss besitzen. Auch hier ist es wichtig, dass der Leiterplattenentwickler dies in seinem Layout berücksichtigt, um eine sichere Kontaktierung zu gewährleisten. Die Flachkontaktfeder gibt es in den unterschiedlichsten Ausführungsformen und Größen (Bild 2).

Die Gabelkontaktfeder ist auch eine gestanzte Feder, die in der Regel aus Federmaterial (Zinnbronze) gefertigt wird. Sie ist eine preiswerte Ausführung und eignet sich für Einsatzfälle mit geringer Steckhäufigkeit. Sie ist für quadratische und rechteckige Stiftkontakte ausgelegt. Das Stanzwerkzeug muss im Kontaktbereich der Feder (innerer Bereich) eine hohe Genauigkeit aufweisen, um dort den Kontakt äußerst gratfrei zu produzieren. Bei spitzen Stellen an diesen Kontaktflächen reißt sonst sehr leicht die Oberfläche des Stiftkontaktes auf – gerade bei verzinnten Kontakten.

Eine sparsame Vergoldung der Kontaktfeder ist möglich, wenn der Kontakt am Stanzstreifen hängend gefertigt wird, anstatt als Schüttgut. So kann eine Vergoldung nur im Kontaktierungsbereich der Feder in einer Bandgalvanik mittels Tauchverfahren oder teils auch mittels Brush-Verfahren aufgebracht werden.

Bild 3: Stiftkontakte in verschiedenen Ausführungen.

Bild 3: Stiftkontakte in verschiedenen Ausführungen.Fischer Elektronik

Gegenstecker und Oberflächen

Als Gegenstecker für diese Kontaktfederformen werden Stift- und auch Messerkontakte verwendet. Je nach Federkontakttyp werden diese Gegenstecker in quadratischer, rechteckiger oder zylindrischer Form – teilweise mehrere oder sogar alle Formen auch in Kombinationen – eingesetzt. Die Verwendung von unterschiedlichen Werkstoffen ist je nach Anforderung möglich. Neben den typischen Werkstoffen wie Messing (CuZn) und Zinn-Bronze (CuSn) sind auch Kupferwerkstoffe mit einem sehr hohen Kupferanteil im Einsatz (Bild 3).

Einen wesentlichen Einfluss auf eine gute Steckverbinderpaarung wird durch die Oberflächenbeschichtung erreicht. In der Regel wird bei Buntmetalllegierungen als erstes eine Sperrschicht aufgetragen. Diese soll verhindern, dass irgendwelche Elemente aus dem Grundwerkstoff in die Oberflächenbeschichtung gelangen. Ebenso wird damit verhindert, dass (beispielsweise bei einer Vergoldung) das Gold in den Grundwerkstoff wandert und so die positive Wirkung des Stoffes mit der Zeit entfällt. Als Sperrschicht wird vielfach Nickel eingesetzt.

Das gleiche gilt für Zinnbeschichtungen: Hier steht jedoch eine langfristige gute Lötbarkeit im Vordergrund. Zusätzlich wird von einigen Anwendern eine zusätzliche Kupferbeschichtung vor dem Vernickeln verlangt. Dies soll die Haftfähigkeit der kompletten Beschichtung auf dem Grundwerkstoff erhöhen.

Gute Wahl

Zur gezielten Auswahl von Steckverbindungspaarungen ist es erforderlich, dem Leiterplattenentwickler die geforderten Kenndaten (wie Strombelastung, Steckhäufigkeit, Umfeld des Einsatzortes) – trocken oder feucht, Platzbedarf, ruhend oder schwingend – und die Sicherheitsanforderung des Produktes bewusst zu machen. Danach lassen sich anhand der technischen Daten der Produkthersteller schon eine Vielzahl der Produktanforderungen bestimmen und auswählen. Wichtig ist auch, dass der Anwendungsentwickler sich mit der technischen Ausführung des angebotenen Produktes beschäftigt und versteht, um es für seine Anwendung auch richtig einzusetzen.

Gerhard Brüser

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

(jck)

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