Lösbare Direktverbindung mit der Leiterplatte Stecken statt Pressen

Bisher sind für lösbare, flächige Verbindungen elektromechanischer Komponenten mit Leiterplatten stets fest eingelötete beziehungsweise eingepresste Adaptersockel nötig. Eine neuartige Technik soll jetzt lösbare Direktverbindungen von Steckern oder auch Einzelkomponenten mit Platinen ermöglichen, dabei wird die Leiterplatte selbst zur »Buchse«. Auch mehrpolige Steckverbinder lassen sich von Hand einstecken und lösen, zugleich garantiert die Technik zuverlässigen Kontakt über mindestens 50 Steckzyklen.

Für die Verbindung zwischen Leiterlatte und Bauteil gibt es unterschiedliche Techniken, vor allem Löten (SMD, THT) und Einpressen haben sich breit etabliert. Beides bietet solide Ergebnisse, hat jedoch auch Grenzen, wenn es darum geht, elektromechanische Komponenten und Leiterplatte möglichst einfach und schlank miteinander zu verbinden. Denn dafür sind stets Adaptersockel auf der Leiterplatte erforderlich, die eingelötet oder eingepresst werden müssen, um die entsprechenden Bauelemente oder Steckverbinder aufzunehmen.

Hier kann seit Kurzem eine neue Verbindungslösung mit dem Namen »SKEDD« eine einfache und zuverlässige Alternative bieten, indem sich Stecker und Komponenten nunmehr von Hand und reversibel in eine Leiterplatte stecken lassen. Bei einer solch drastischen Vereinfachung des Bestückungsprozesses stellt sich natürlich sofort die Frage nach der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit einer SKEDD-Verbindung, den technischen Risiken und Grenzen der Technik.

Laut Angaben des Herstellers Würth Elektronik ICS stellt das SKEDD-Verfahren eine logische und konsequente natürliche Evolution der seit mehr als 40 Jahren bekannten Technik der Einpressverbindung dar. Bei der Einpresstechnik entsteht eine leistungsfähige, gasdichte elektrische Verbindung zwischen der durchkontaktierten Hülse einer Leiterplatte und dem Kontaktstift. Entscheidend für die Qualität dieser Verbindung 
ist ein möglichst niedriger elektrischer Übergangswiderstand. Hierfür muss – abgesehen von der richtigen Auswahl der Materialien – der Strom eine der Eintrittsfläche in die Verbindungszone mindestens vergleichbare Austrittsfläche haben (Austrittsfläche ≥ Eintrittsfläche). 
Damit diese Bedingung bei einer typischen Einpressverbindung erfüllt 
und somit eine funktions¬fähige elektrische Verbindung hergestellt ist, muss der Anbindungswinkel einer Ecke des Kontaktstiftes typischerweise mindestens 3° betragen. Wie Bild 1 zeigt, verfügt die reale Einpressverbindung hier über sehr viele Reserven. Wenn dieses Kontaktierungsprinzip mit einer Einpressverbindung also so gut funktioniert, warum sollte es nicht auch mit einer Steckverbindung funktionieren, zumal die geometrischen Anbindungsverhältnisse sehr ähnlich sind? Reichen die vorhandenen Reserven aus, um durch einfaches Stecken eines geeigneten Kontaktelements eine gute und robuste elektrische Verbindung herzustellen?

Pressen oder Stecken?

Betrachten wir den wesentlichen Unterschied zwischen einer Einpress- und einer Steckverbindung: Bei einer Einpressverbindung entsteht durch die hohen Kräfte während des Verbindungsprozesses eine gasdichte Verbindung zwischen den Kontaktpartnern. Bei einer Steckverbindung drücken die Kontaktpartner mit einer ausreichend großen Kraft (Kontakt-Normalkraft) gegeneinander, ohne dass eine intermetallische Verbindung entsteht. Neben der ausreichenden Anbindungsfläche kommt es in punkto Qualität der Steckverbindung also ganz wesentlich auf die Kontakt-Normalkraft und die Oberflächenpaarungen der Kontaktpartner an. Die aus der Literatur der Steckverbinder bekannten Mindest-Normalkräfte der Kontaktpartner sind über die SKEDD-Kontaktgeometrie sowie die richtige Wahl des Basismaterials einfach realisierbar. Dabei richtet sich die Auswahl der Kontaktoberfläche, wie bei üblichen Steckverbindern auch, nach den Umweltanforderungen. Die Oberflächenempfehlungen für Steckverbindungen gelten in gleicher Weise für SKEDD. Wichtig dabei ist, dass alle gängigen Oberflächen wie Zinn, Silber und Gold auch für die Leiterplatte als Kontaktpartner zur Verfügung stehen, sodass es bei der Direktverbindung zwischen Kontaktelement und Leiterplatte oberflächenseitig keine Einschränkungen gibt.

Es kommt entscheidend auf die Kontaktgeometrie der neuen Technik an, denn sie muss für vergleichbar gute Anbindungsverhältnisse zwischen Pin und Leiterplatte sorgen wie bei einer Einpressverbindung. Hierfür besteht der Hochstromkontakt aus vier Schenkeln beziehungsweise zwei Schenkelpaaren, die sich als unabhängige Federn immer an den Durchmesser der Leiterplatten-Kontakthülse anpassen können. Die dabei realisierte Kontakt-Normalkraft ist so hoch, dass eine sichere elektrische Verbindung vorliegt, aber auf der anderen Seite so niedrig, dass sich auch höherpolige Steckverbinder ohne Weiteres reversibel von Hand stecken und wieder lösen lassen. So gesehen funktioniert ein SKEDD-Steckverbinder wie ein ganz gewöhnlicher Stecker – mit der Leiterplatte als »Steckdose«.

Freiheitsgrade im Griff

Bei einer Steckverbindung mit der Leiterplatte als Kontaktpartner sind einige Herausforderungen zu bedenken. So zeigt zum Beispiel eine Leiterplatte, die Temperaturwechseln ausgesetzt ist, ein thermisches Ausdehnungsverhalten. Solche physikalischen Freiheitsgrade gilt es im Griff zu behalten. Ebenso sind stets vorhandene prozessbedingte Toleranzen der Kontaktpartner über das Konstruktionsprinzip der Verbindungstechnik abzufangen. Bei Steckverbindern sind dies zum Beispiel Rastertoleranzen, bei der Leiterplatte Toleranzen der Enddurchmesser der Durchkontaktierungen oder ebenfalls Rastertoleranzen bei Lochbildern.

Durch sein Konstruktionsprinzip (Bild 2) beherrscht der stanztechnisch am Band hergestellte SKEDD-Kontakt die genannten Freiheitsgrade zuverlässig. Sein doppelschenkliges Design entsteht durch einen hochpräzisen Biegeprozess, der zwei einzeln ausgestaltete Schenkelpaare exakt zueinander positioniert.

Dieses kombinierte Stanz- und Biegekonzept hat zudem den Vorteil, dass sich die Crimpzone des elektrischen Kontakts und seine Kontaktierungszone in der Leiterplatte in zwei unterschiedlichen Materialstärken realisieren lassen – und das, obwohl der Gesamtkontakt aus nur einem Teil gestanzt ist.

Dies trägt der Anforderung Rechnung, dass die Materialstärke eines Kontakts im Bereich der Crimpzone nicht zu groß sein darf, während sich im Kontaktzonenbereich im Sinne einer guten elektrischen Anbindung (durch die Faltung) die doppelte Materialstärke realisieren lässt. Die Kontaktgabeln können sich im Sinne einer möglichst flexiblen Anpassung an die Geometrie des Kontaktpartners mechanisch entkoppelt ausrichten, bleiben dabei aber im Sinne einer optimalen Stromverteilung elektrisch immer gekoppelt (siehe Bild 3).

Reversible Steckverbindung

Im Unterschied zur Einpresstechnik realisiert die Technik ein reversibles Verbindungskonzept. Damit mittels einer SKEDD-Verbindung an die Leiterplatte angebundene Komponenten oder Steckverbinder auch über viele Steckzyklen hinweg wieder reversibel lösbar sind, sind dreierlei Herausforderungen zu überwinden: 

  • Die Steckkraft und damit (über den Reibungskoeffizienten) die 
  • Kontakt-Normalkraft muss groß genug sein, dass der Übergangswiderstand hinreichend niedrig ist (etwa 200 µΩ bis 250 µΩ). 
  • Andererseits muss die Steckkraft klein genug sein, damit sich auch höherpolige Stecker noch gut von Hand montieren lassen.
  • Kontaktmaterial und -geometrie müssen so zusammenspielen, dass neben einer möglichst hohen Leitfähigkeit des Materials
    und einer ausreichend hohen Restelastizität die Materialspannungen während des Steckvorgangs und im gesteckten Zustand niemals in einem Bereich sind, der das Basismaterial des Kontakts irreversibel verformt. Nur so ist sichergestellt, dass der Kontakt über viele Steckzyklen hinweg sicher und zuverlässig funktioniert. Der SKEDD-Kontakt wurde diesbezüglich für 50 Steckzyklen qualifiziert.

Die SKEDD-Gabel hat zwei Drehpunkte (Bild 4). Der erste Drehpunkt befindet sich im Scheitel der beiden Schenkel. In diesem Punkt des Kontakts wirkt die Federkraft beim Steckprozess, die Gabel ist dabei offen, und die Elastizität kommt nur über den Scheitelbereich. Dieser Bereich ist genau so ausgelegt, dass einerseits moderate Steckkräfte, andererseits ausreichende Kontakt-Normalkräfte vorhanden sind.

Im gesteckten Zustand ist der Kontakt so konzipiert, dass die Gabel exakt geschlossen ist (Bild 5). Mechanisch bedeutet das, dass sich das Verhalten der Feder, also ihre Steifigkeit, sprunghaft verändert und die Feder damit wesentlich robuster gegenüber Erschütterungen oder Vibrationsbewegungen wird. Dieses Federprinzip sorgt dafür, dass es unter mechanischer Belastung im gesteckten Zustand keine Kontaktunterbrechungen gibt.

Wo sind die Grenzen?

Bis dato hat der Hersteller das neue SKEDD-System anhand der einschlägigen Automotive-Normen qualifiziert. Für Anwendungen zum Beispiel im extremen Hochstrombereich mit mehreren Hundert Ampere sind die Grenzen jedoch noch nicht ausgetestet. Bislang ist das obere Ende der Stromtragfähigkeit durch einen sogenannten »Twin-Fork«-Kontakt mit Doppelgabel-Auslegung abgesteckt, der eine Stromtragfähigkeit von etwa 45 A pro Kontakt hat.

Auch im Bereich kleinster Signalströme, wo es vor allem bei der Digitalelektronik auf extreme Stabilität des Übergangswiderstands ankommt, sind die Grenzen bislang noch nicht ausgelotet. In den beiden genannten Fällen fehlt dem Hersteller noch Anwendungserfahrung, daher sind die Verantwortlichen daran interessiert, die Technologie in diesen Bereichen abzurunden und Erfahrungen auszutauschen.

Natürlich ist nicht jede denkbare existierende Steckverbinderlösung durch SKEDD ersetzbar. So hat die Technik inhärente Grenzen, zum Beispiel bezüglich der Feinheit des Kontakt-Rasters (≥1 mm) oder 
des Kontakt-Minimaldurchmessers. Ebenso liegen Verbindunglösungen mit Extremanforderungen etwa beim IP-Schutzgrad außerhalb des anvisierten Anwendungsbereichs. Dennoch ist man bei Würth Elektronik ICS überzeugt, dass sich die Einsatzmöglichkeiten über viele Branchen erstrecken und diese Technik viele gängige Verbindungslösungen wie Hochstrom-Steckverbinder, Signalsteckverbinder (niedrig- und hochpolig), Board-to-Board-Verbinder (vertikal/horizontal/gewinkelt) oder Stecker für Flachbandkabel ersetzen kann. Auch das direkte Stecken von Komponenten wie Sicherungen, Relais oder LEDs auf Leiterplatten werde möglich. Die bisher gemachten Erfahrungen fließen gegenwärtig in die Entwicklung von Standard-Steckverbinderfamilien für den Massenmarkt ein. Dabei ist die Vision des Herstellers durchaus ehrgeizig: Die SKEDD-Technik soll bis zum Jahr 2025 zur ersten Wahl für die Kontaktierung auf Leiterplatten werden.

Über den Autor:

Dr. Klaus Wittig ist Geschäftsführer von Würth Elektronik ICS.