Gute Kontakte? Test von Steckverbindern

In allen technischen Systemen spielen die elektrischen Verbindungen eine tragende Rolle. Lösbare Verbindungsstellen werden in der Regel über Steckverbinder realisiert. So breit wie die Palette der Anforderungen des konkreten Schaltungsaufbaus sein kann, so breit ist auch die Palette der Steckverbinder und genauso vielfältig sind die Ursachen für Störungen. Mit gezielten Simulationen von Alterungsprozessen und Extrembelastungen und anschließender Analyse bereits im Entwicklungsprozess eines Produkts lassen sich Konstruktions- und Fertigungsfehler rechtzeitig erkennen.

Steckverbindungen als Schnittstelle einer Elektronikeinheit zur Schaltungsperipherie müssen besonders zuverlässig sein. Häufige Fehlerursachen sind hier Belastungen durch Funktions- und Umwelteinflüsse, Kontaktstörungen durch Verschmutzung und Abrieb von Funktionsschichten, Anbindungsmängel zwischen Anschlusspin und Leiterplatte sowie temporäre Feinschlüsse durch so genannte »Whisker«.

Viele Steckverbinder sind jedoch für einen Massenmarkt mit geringen Belastungen konzipiert. Für den Einsatzbereich mit erhöhten und speziellen Anforderungen sind Tests erforderlich. In vielen Fällen können diese nicht vom Zulieferer erbracht werden. Dennoch ist der Endanwender oder Modullieferant in der Pflicht, die Tauglichkeit für seine Systeme sicherzustellen und nachzuweisen. Integrierte Testhäuser und Dienstleister wie TechnoLab bieten für verschiedenste Disziplinen und Einsatzbereiche von elektronischen und mechanischen Baugruppen die Kombination aus Prüfung/Test (Wie?), Schadensanalytik (Warum?) und der präventiven Inspektion der technischen Systeme (Wie vermeiden?). Umweltsimulationstests und Analytik als präventive Maßnahmen leisten somit einen nachhaltigen Beitrag zur Produktivitätssteigerung und Kostenersparnis.

Feuchte, Gase, Stäube setzen Steckern zu

Der Einfluss von Feuchte und korrosiven Gasen wie zum Beispiel H2S, SO2, Cl2, NOx und O3 mit ihrer korrosiven Wirkung auf Kontaktwerkstoffe und Konstruktionsteile ist ausfallkritisch. Daneben werden die Oberflächen hinsichtlich Benetzungsfähigkeit, Haftfähigkeit und Oberflächenstruktur beeinflusst. Der Schadgastest prüft die Dichtigkeit von galvanischen Aufbauten in Bereichen, wo der Grundwerkstoff des Kontakts freiliegt oder wo der Kontaktwerkstoff nicht die geforderte Zusammensetzung aufweist (dünne, beschädigte Schichten).

Sinnvoll für Steckverbinder sind Vergleichstests in verschiedenen Zuständen: ungesteckt, zusammengesteckt, mehrfach auseinander- und zusammengesteckt. Die letztendlich angewendete Prüforganisation hängt von den Prüfobjekten selbst ab, dem Einsatzort und -zweck sowie von speziellen Absprachen mit dem Auftraggeber. Daneben ist der Test wichtig zur Bewertung der Verarbeitbarkeit in automatisierten Lötprozessen (Bild 1). Etwaige Störungen durch Schadgase können speziell auf Nickel- und Silberoberflächen die Ausbeute beim ersten Fertigungsdurchlauf (First-pass-Yield) entscheidend verschlechtern und die Langzeitqualität und damit die Zuverlässigkeit negativ beeinflussen. Feuchtigkeit in Verbindung mit Temperaturwechsel wirkt je nach Einsatzort mehr oder weniger schnell, leicht sichtbar oder kaum erkennbar, aber manchmal mit fatalen Folgen auf die verschiedenen Komponenten der Steckverbinder ein.

Geprüft werden die Dichtigkeit von Gehäusen, die Qualität der Verarbeitung sowie die Eignung und die Komposition der verwendeten Materialien. Durch die fortschreitende Miniaturisierung der eingesetzten Baugruppen verkleinern sich fast zwangsläufig auch die Isolationsabstände, sodass auch die Gefahr von Kriechwegen steigt. Die Prüfung »Feuchte Wärme« erfolgt nach der IEC 60068-2-30 beziehungsweise der IEC 600-2-56. Im Klimaschrank werden die Prüflinge mehreren Temperaturzyklen bei hoher Luftfeuchte (bis 95% relativer Feuchte) und permanenter Umwälzung der Luft ausgesetzt. In der Regel entsteht dabei Betauung der Oberfläche des Prüflings beim Klimawechsel, was sich durch Vorwärmphasen der Prüflinge verhindern lässt.

Die Prüftemperaturen liegen dabei im Bereich von +3 °C bis +99 °C, während Temperaturwechsel ohne Beachtung der Feuchtigkeit bei Temperaturen von -60 °C bis + 240 °C erfolgen können.

Dichtigkeitsprüfung

Die Prüfung »Dichtigkeit« erfolgt nach IEC 60529: Schutzarten durch Gehäuse (IP-Code). Ziel der Tests ist es, mögliche Ausfallerscheinungen durch das Eindringen von Stäuben und Wasser zu erkennen. Undichte Gehäuse können zu fehlerhaften Kontaktgaben, Änderung des Übergangswiderstands und Änderung der Kriechstromfestigkeit sowie zu mechanischen Beeinträchtigungen durch Verschleiß und Verschmutzung der Oberflächen führen. Im Staubtest werden die Steckverbinder im Umluftverfahren verschiedenen Stäuben ausgesetzt, beispielsweise Arizonastaub, gemahlenem Graphit (Ruß), Siliziumoxid oder Talkum. Für das Eindringen von Wasser geben die Wasserschutzgrade der IP-Klassen die Schärfe des Tests vor. Entsprechend werden die Prüfungsparameter in der IP-Schutzartenkammer, Schwallwasseranlage oder Salzsprühanlage gewählt.

Whisker stellen für Steckverbinder dann eine Gefahr dar, wenn beispielsweise durch Crimpen oder Clinchen das Material mechanisch verformt wird. Als Whisker bezeichnet man nadelförmige Einkristalle mit einem Durchmesser von etwa 0,3 μm bis etwa 10 μm und einer Länge von bis zu mehreren Millimetern (Bild 2). Problematisch sind das spontane Auftreten auf Oberflächen sowie das Wachstum über einen längeren Zeitraum.

Gefahren durch Whisker

Whisker-Wachstum wird hauptsächlich auf Oberflächen von Metallen im reinen Zustand dokumentiert (z.B. Zinn, Zink, Silber, Gold, Kadmium, Aluminium, Blei). Es tritt jedoch auch bei Mehrstoffen auf (Ga, Mn, As/MnAs im magnetischen Hybridsystem) sowie bei Aluminiumoxidkeramik während des Abscheidens. Art und Ausmaß der inneren Spannungen in galvanisch aufgebrachten Schichten entscheiden über die Tendenz zur Whisker-Bildung und werden von den Prozessparametern, dem Substrat sowie der Art und dem Gehalt von Fremdatomen in der Schicht beeinflusst.

Im Bereich der Steckverbinder sind hauptsächlich die Oberflächen Zinn und Silber betroffen. Zulegieren eines Fremdmetalls zu Zinn kann die Neigung zur Whisker-Bildung merklich herabsetzen. Gleichzeitig sinkt damit auch die notwendige Löttemperatur. Ebenso können höhere Schichtdicken und Sperrschichten aus Nickel das Wachstum vermeiden.

Der Schwerpunkt der Betrachtung liegt bei der internationalen Normung auf Zinn. Die Normen IEC 60068 (Environmental testing - Part 2-82: Tests - Test Tx: Whisker test methods for electronic and electric components) und JESD-22-A121 (measuring whisker growth on tin and tin alloys) beschreiben die Prüfung der Widerstandsfähigkeit von Halbzeugen oder kompletten Steckverbindern gegen die Entstehung von Whiskern. Die Testprozedur, um ein Whisker-Wachstum künstlich zu beschleunigen, umfasst die Lagerungen bei trockener Wärme, feuchter Wärme und Temperaturwechsel im Klimaschrank. Die Fortschreibung der oben genannten Normen sieht eine zusätzliche mechanische Belastung für die Beschleunigung des Whisker-Wachstums im Test vor.

Daneben zählen Testprozeduren zur Umweltsimulation, die auf die Tauglichkeit bei der Verarbeitung der Steckverbinder hinzielen. Dazu zählen beispielsweise die Beständigkeit gegen Lötwärme nach EIA-JEDEC-22-B-106C (Resistance to Soldering Temperature) oder die Beständigkeit gegen Entlötlitze (Solder-Wicking) nach EIA-364-TP71B (Connector Solder Wicking Test). Die Prüfungen zur Beständigkeit gegen Lötwärme wurden in den letzten fünf Jahren verstärkt nachgefragt. Eine Ursache hierfür liegt in den erhöhten Prozesstemperaturen beim Einsatz bleifreier Lote.