Steckverbinder Was heißt hier zuverlässig?

Ob Maschine, Gebäudeinstallation oder Telekommunikation – Steckverbinder sind nicht wegzudenken. Umso wichtiger ist es, dass diese unter den Bedingungen der jeweiligen Applikationen zuverlässig ihre Aufgabe verrichten. Aber was heißt überhaupt zuverlässig?

Geht es um die Zuverlässigkeit, ist zunächst einmal zu definieren, welche Umwelt- und elektrischen Anforderungen der Steckverbinder erfüllen muss, und wann er dabei als funktionstüchtig gilt. Auch die Zeit, für welche die Gebrauchstüchtigkeit unter den Umgebungsbedingungen gelten soll, ist festzulegen. Nur wenn diese Faktoren bekannt sind, lässt sich die Zuverlässigkeit eines Steckverbinders korrekt beurteilen. Denn unter anderen Umweltbedingungen, elektrischen Parametern, Funktionskriterien oder Lebensdauervorstellungen kann die Zuverlässigkeit desselben Produkts anders beurteilt werden.

In Bezug auf die Zuverlässigkeit müssen mehrere Begriffe definiert werden. Zunächst ist da der Minderungsmechanismus. Er beschreibt einen physikalischen, chemischen oder anderen Prozess, der zum Ausfall führt. Grund dafür kann zum Beispiel der Einfluss von Flüssigkeiten, Gasen oder mechanischen Effekten sein. Zweitens ist die Ausfallart zu betrachten. Sie beschreibt die physikalische Zustandsänderung eines Steckverbinders, die auf dem Minderungsmechanismus basiert. Dabei kann es sich um die Erhöhung des Kontaktwiderstandes, um verringerte Isolationswiderstände oder um Änderungen der Signalintegritätsparameter handeln. Zuletzt ist noch der Ausfalleffekt zu beachten, der für den Anwender das Hauptproblem darstellt.

Hier geht es dann etwa um den Verlust des Signals, um die Unterbrechung der Stromversorgung, um eine Überhitzung, einen Kurzschluss oder um andere Effekte (Bild 1).

In der Praxis ist als Ausfallart die Erhöhung des Kontaktwiderstandes am wichtigsten – sie soll im Folgenden näher betrachtet werden. Für die Minderungsmechanismen, die den Kontaktwiderstand erhöhen, sind Korrosion, Relaxation und Oberflächenbeschädigung von Bedeutung.

Reibkorrosion verhindern

Kontakte in Steckverbindern sind grundsätzlich so gestaltet, dass zwischen den beiden Partnern des Kontaktpaares eine Berührfläche entsteht, über welche die elektrische Verbindung hergestellt wird. In professionellen Anwendungen sind runde Buchsen- und Stiftkontakte am weitesten verbreitet. Dabei sind mehrere Berührflächen vorhanden, und auch unter ungünstigen Umständen stellt stets mindestens eine Berührfläche die elektrische Verbindung her. Diese Berührfläche ist im gesteckten Zustand gasdicht – Schadgase aus der Umwelt können also nicht zwischen die Flächen dringen und hier zu Korrosion führen. Für die Gasdichtigkeit ist ein ausreichender Andruck durch den Buchsenkontakt auf den Stiftkontakt erforderlich.

Des Weiteren ist notwendig, die für den Kontaktwiderstand abträglichen Effekte durch Reibkorrosion und Relaxation zu vermeiden. Aufgrund der Einsatzbedingungen des Steckverbinders bewegen sich die sich berührenden Flächen von Stift- und Buchsenkontakt leicht. Dies kann durch mechanische Beanspruchungen wie Vibration und Schock, aber auch durch wechselnde Temperaturen in Verbindung mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien geschehen.

Die Relativbewegung zwischen wenigen Mikrometern bis hin zu 1 mm trägt nun Material an der Oberfläche ab und transportiert die Partikel aus der gasdichten Kontaktzone heraus (Bild 2, links). Hier können diese Partikel nun Schadgasen ausgesetzt sein, und deren Metalloberfläche kann korrodieren. Die oxidierten Partikel sind meist viel härter als das Basismaterial, sodass sie wie ein Schleifmittel wirken und den Effekt verstärken. Die Folge ist, dass nun die Kontakte auch außerhalb der gasdichten Berührpunkte beschädigt werden und korrodieren. Daraufhin steigt der Übergangswiderstand zwischen Buchse und Stiftkontakt, sodass sich das Material bei höheren Strömen unzulässig erwärmt und zur Relaxation führen kann. Deswegen versucht man, die Relativbewegung zwischen Buchsen und Stiftkontakt zu verhindern, was aber oft aufgrund der Einsatzbedingungen nicht möglich ist.

Oft werden die Kontaktoberflächen daher mit einer nicht korrodierenden Edelmetalloberfläche wie etwa Silber oder Gold versehen. Zwischen dem Basismaterial des Kontaktes – üblicherweise Messing – und der edlen Oberfläche sitzt oft noch ein Trägermaterial, das die Haftung der Oberflächenbeschichtung verbessert und häufig aus Nickel besteht. Fremde, harte Partikel können so auch in die relativ weiche Oberfläche des Edelmetalls eingebettet werden, sodass sie wirkungslos sind und keine offenen Angriffsflächen für Korrosion bieten (Bild 2, rechts).