Leiterplattenklemmen SMT-Steckverbinder wird robust

Auch in industriellen Anwendungen steigt nicht zuletzt wegen der zunehmenden Digitalisierung der Bedarf an platzsparenden Lösungen. Für die Leiterplattenbestückung bietet sich da die SMT-Technik an. Doch eignet sich diese auch für größere Steckverbinder?

Seit Langem schon nutzt die Unterhaltungselektronik die »Surface Mounted Technology« (SMT). Mittlerweile jedoch ist diese Montagetechnik auch in der Industrieelektronik, der Büro- und Datentechnik, der Nachrichtentechnik, der Kfz-Elektronik sowie der Steuerungs- und Messtechnik angekommen. Dafür sprechen deren Wirtschaftlichkeit und technischen Vorteile.

Platz auf der Leiterplatten ist kostbar. Daher sollen sie heute auf beiden Seiten mit allen notwendigen aktiven und passiven Komponenten bestückt sein. Das ist besonders für Anwendungen entscheidend, bei denen nur ein geringer Einbauraum zur Verfügung steht. Hier bietet sich SMT als Alternative an. Dabei werden kleinste Bauelemente verwendet, die nicht mehr mit Pins zum Durchstecken durch die Leiterplatte ausgestattet sind, sondern direkt auf der Leiterplatte befestigt werden. Deswegen entfallen Bohrungen.

Außerdem können Entwickler ihre Leiterplatte deutlich flexibler gestalten, da sie auch deren Rückseite nutzen können, um dort Komponenten zu platzieren. Das macht SMT auch für die Herstellung kleinerer Baugruppen oder als Lösung für spezifische Applikationen interessant. Darüber hinaus vergrößert sich die Palette an verwendbaren Trägermedien. So lassen sich beispielsweise auch Glasträger einsetzen, bei denen eine Bohrung nicht möglich ist. Auf eine solche Grundfläche werden die Leiterbahnen aufgedampft.

Bislang stieß der Einsatz von oberflächenmontierbaren Bauteilen allerdings an seine Grenzen. Betroffen davon waren Steckverbinder ab einer gewissen Baugröße sowie einem Rastermaß von mehr als 2,54 mm. Hier war nach wie vor die Durchsteckmontage notwendig, um die Komponenten auf der Leiterplatte zu befestigen. Der Grund dafür ist, dass der Leiteranschluss beispielsweise für die Stromversorgung ausreichende Abmessungen benötigt, um bei höheren Strömen und Spannungen den physikalischen Anforderungen zu entsprechen.

Zudem sind Leiterplattenklemmen größeren mechanischen Belastungen ausgesetzt als andere Elektronikbauteile. Beim Montageprozess können sich enorme Kräfte entwickeln, sei es durch das Anschließen von elektrischen Leitern oder das Aufbringen einer korrespondierenden Steckerleiste. Vermutungen liegen nahe, dass die Haftkräfte der Klemme dem Installationsanforderungen nicht immer standhalten. Aus diesem Grund lösten sich die Bauteile häufig von der Leiterplatte.

Schwimmende Kontaktelemente

Weco hat jahrelang geforscht, um diese Herausforderung in den Griff zu bekommen und eine adäquate Lösung auf den Markt zu bringen. Im Zuge der Forschungsarbeit stellte sich heraus, dass die Haltekraft der Klemme nur dann gewährleistet ist, wenn die Lötstellen auf der Leiterplatte zuverlässigen Kontakt geben. Das gilt ausnahmslos für alle Lötstellen. Bei größeren Bauteilen oder großpoligen Anschlussklemmen wird gerade das aber zur Herausforderung.

Mit schwimmenden Kontaktelementen hat Weco eine Lösung für ein breites Anwendungsspektrum entwickelt. Diese Kontaktelemente sind je nach Bauart in alle Richtungen frei beweglich und setzen zuverlässig auf der Leiterplattenoberfläche beziehungsweise der Lötstelle auf. Bei SMD-Bauelementen erzielt das Unternehmen eine hundertprozentige Koplanarität. Die Größe der Bauteile oder die Polzahl beeinflussen das Endergebnis nicht mehr.

Aktuell stehen bei Weco kleine Ausführungen im 3,5-mm-Raster zur Verfügung, aber auch Modelle im Raster von 5,0 mm. Die Anschlussklemme 930-D-SMD-DS im Raster von 3,5 mm beispielsweise ist für einen Leiterquerschnitt von 1 mm² geeignet. Der Klemmkörper befindet sich beweglich im Gehäuse. Eine Besonderheit bei dieser Variante ist, dass keine seitlichen Lötflansche zur Vergrößerung der Lötoberfläche notwendig sind. Dennoch bietet bereits die zweipolige Ausführung eine Platinenabreißkraft von über 100 N.

Auch Bauteile mit einem Raster von 5,0 mm stehen mittlerweile in SMD-Technik zur Verfügung, beispielsweise die Leiterplattenklemme 140-A-126-SMD. Bei dieser Klemme ist der Klemmbügel mit der Lötfahne aus einem Stück hergestellt und fest im Gehäuse integriert. Die Lötfahnen, die nach dem Reflowlöten eine koplanare Verbindung erzeugen, werden parallel zur Leiterplatte ausgerichtet.

Die Gehäuse haben zwei seitliche Befestigungsflansche, in denen sich die Lötelemente befinden, die sich in vertikaler Richtung geringfügig bewegen können. Dadurch lassen sich einerseits Höhenunterschiede ausgleichen, die sich ergeben, wenn die Lötpaste auf der Leiterplatte ungleichmäßig aufgebracht wird. Andererseits fangen die Lötelemente seitliche Scherkräfte vollständig auf, was mechanischen Stress an den elektrischen Lötkontakten vermeidet.

Durch die Anpassung an die Lötpastendicke lässt sich die Klemme auf der Leiterplatte sicher mechanisch fixieren. Dies wurde bei Prüfvorgängen mit der gängigen Zahl von sechs Polen verifiziert, so der Hersteller. Demnach hält die Leiterplattenklemme Abreißkräften von bis zu 320 N stand. Zusätzliche Bohrungen, durchkontaktierte Lötverbindungen oder Verschraubungen sind nicht notwendig.