Schwerpunkte

Steckverbinder und IC-Sockel

Beim der Kontakttechnik Ähnlichkeiten nutzen

13. September 2021, 09:00 Uhr   |  Gerhard Brüser, Fischer Elektronik

Beim der Kontakttechnik Ähnlichkeiten nutzen
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Bild 1: Leiterplattensteckverbinder – Stift- und Buchsenleisten.

Auf den ersten Blick scheinen Leiterplatten-Steckverbinder und IC-Sockel kaum etwas gemeinsam zu haben. Sieht man aber näher hin, entdeckt man viele Ähnlichkeiten, beispielsweise bei der Kontakttechnik.

Leiterplatten-Steckverbinder verbinden – wie der Name schon sagt – Leiterplatten miteinander aber auch zur Stromversorgung der Baugruppen und übertragen auch Daten. IC-Sockel dagegen nehmen elektronische Schaltkreise in ihren verschiedensten Bauformen und Größen mit unterschiedlichsten Anschlüssen auf. Diese sollen im Schadensfall problemlos und schnell gewechselt werden können, ohne die Leiterplatten mit unnötigen Lötarbeiten zu belasten.

Sowohl die Leiterplatten-Steckverbinder als auch die IC-Sockel basieren auf Präzisionskontakten. Sie werden vorwiegend als Rundanschlüsse mit 0,5 mm Durchmesser in ein- und zweireihigen Steckerleisten eingesetzt (Bild 1). Darüber hinaus werden auch vereinzelt dreireihige und sogar vierreihige Varianten angeboten. Eine kostengünstigere Möglichkeit, Steckerleisten mehrreihig auszuführen, besteht darin, die ein- und zweireihigen Leisten anreihbar zu gestalten, sodass sie sich untereinander ergänzen können. Für größere Kontaktquerschnitte, zum Beispiel die gängigen Vierkant-Stiftkontakte mit 0,635 mm Kantenmaß, sind natürlich die Buchsenkontakte im Querschnitt entsprechend größer.

Aufbau der Buchsenkontakte

Präzisionsbuchsenkontakte bestehen aus zwei Teilen: der Hülse und der Innenkontaktfeder. Die Hülse ist ein Drehteil, während die Innenkontaktfeder gestanzt und gerollt wird. Nach der galvanischen Beschichtung wird die Innenkontaktfeder – auch Clip genannt – in die Hülse gesteckt und auf Klemmsitz montiert. Der Clip kann eine unterschiedliche Anzahl von Kontaktfingern aufweisen, meist drei bis sechs, abhängig von der Baugröße und der gewünschten Kontaktierungssicherheit. Die Kontakte für die IC-Sockel haben in der Regel vier Kontaktfinger, die verzinnt oder vergoldet sind, wobei die vergoldeten Ausführungen bevorzugt verwendet werden. Die Hülse hingegen ist überwiegend verzinnt, da sie die Lötverbindung zur Leiterplatte übernimmt.

Fischer Elektronik, Connectivity
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Bild 2: Standard-IC Sockel.

Bei den IC-Sockeln haben sich gestanzte Flachkontakte kaum durchgesetzt, anders als bei den Leiterplatten-Steckverbindern. Es werden vielfach sogenannte tulpenförmige Kontakte, mit zwei gegenüberliegenden Flachkontakten, oder auch Gabelkontaktformen verwendet. Solche Kontakte lassen sich gut automatisch bestücken. Daneben spart die galvanische Beschichtung, gerade Vergoldungen, mittels Bandgalvanik eine Menge des teuren Edelmetalls. Hierdurch entsteht gegenüber den Präzisionskontakten eine gute und preiswertere Alternative. Im Stiftleistenbereich findet man überwiegend gezogenes Vierkantmaterial. Die Spitzen sind zwecks guter Steckung mittlerweile überwiegend pyramidenförmig geprägt.

Da integrierte Schaltkreise zu Beginn ihrer Entwicklung in den 1980-er Jahren noch sehr teuer waren, wurden sie gesockelt, um sie im Fehlerfall leicht auswechseln zu können. Durch die unterschiedlichsten IC-Bauformen und deren unterschiedlichen Anschlusskontakten, entstanden entsprechend ebenso viele Sockeltypen (Bild 2). Zu beachten sind hierbei neben dem Kontaktabstand auch der Reihenabstand zueinander.

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Bild 3: Sonderfassungen – verschiedene Gehäuse und Kontakte.

Am weitesten verbreitet ist die DIL-Fassung (Dual in Line). Daneben gibt es Rundfassungen mit verschiedenen Polzahlen für Transistoren, speziellere Bauformen für Leistungstransistoren, für Schwingquarze und auch Fassungen mit zum Teil besonders hochtemperaturbeständigen Kunststoffen (Bild 3). Daneben gibt es weitere Fassungstypen, beispielsweise für die heute noch gängigen PLCCs (Plastic-Leaded-Chip-Carrier). Diese ICs haben eine J-förmige Anschlussform, die in Verbindung mit dem entsprechend passenden Sockel eine klemmende und federnde Kontaktierung ausbildet.

Elektrische Kenndaten

Die elektrischen Kenndaten sind wichtige Merkmale bei der Auswahl von IC-Sockeln und Leiterplatten-Steckverbindern. Die gängigen Typen mit einem Kontaktabstand (Raster) von 2,54 mm liegen in der Regel bei einer nominalen Strombelastung von bis zu 3 A. Dieser Wert sinkt bei kleineren Rastern, zum Beispiel bei 2,0 mm auf 2,5 A und bei 1,27 mm auf 1,0 A, je nach Raster und Type. Variationsmöglichkeiten ergeben sich auch durch den Einsatz unterschiedlicher Kontaktwerkstoffe. Während der elektrische Leitwert von Zinn-Bronze (CuSn) bei etwa 9 S/m liegt, kommt man bei Messing (CuZn) auf zirka 15 S/m.

Sind gute Federeigenschaften erforderlich, so bieten sich eher Zinn-Bronze-Legierungen an. In den meisten Fällen reichen diese Möglichkeiten der elektrischen Belastbarkeit für den Massenmarkt der Leiterplatten-Steckverbinder vollkommen aus. Darüber hinaus haben sich in der Vergangenheit – gerade für federnd beanspruchte Kontaktteile – Werkstoffe aus Kupfer-Beryllium-Legierungen (CuBe) mit maximal 2 Prozent Beryllium etabliert. Hier sind neben Varianten in walzhartem Zustand auch aushärtbare Typen verfügbar. Die aushärtbaren Varianten lassen sich besonders gut für stark geformte Federn verwenden.

Lötverfahren und Kunststoffauswahl

Bei IC-Sockeln und Leiterplatten-Steckverbindern kommen dieselben Lötverfahren zum Einsatz. Diese sind das Wellenlöten für Durchsteckkomponenten (THT) sowie verschiedene Reflow–Lötverfahren und das bauteilschonende Dampfphasenlöten für die oberflächenmontierbaren Komponenten (SMT). Für den Isolierkörper sind in den letzten Jahren verschiedene sehr temperaturbeständige Materialien auf den Markt gekommen. Die Ansprüche an die Steckverbinder und IC-Sockel sind durch die hohe Löttemperatur beim SMT-Löten deutlich gestiegen. Beim Wellenlöten erreichen die Steckverbinder kaum die übliche maximale Dauertemperaturbelastung von ungefähr +150 °C, während bei den SMT-Löttechniken Temperaturen von etwa +260 °C üblich sind. Dies setzt voraus, dass die Isolierkörper aus entsprechend temperaturbeständigem Kunststoff bestehen.

Für kleinere Hersteller von Steckverbindern und Fassungen lohnt es sich kaum, bei gleichen Bauformen der Isolierkörper, unterschiedliche Kunststoffe für das Wellenlöten und die SMT-Lötverfahren zu verwenden. Neben der möglichen Gefahr des Vertauschens, sofern der Kunststoff dieselbe Farbe hat, ist auch die doppelte Lagerhaltung ein nicht zu vernachlässigendes Thema. Daher kann es sich rechnen, generell den temperaturbeständigen Kunststoff für alle identischen Bauformen zu verwenden – unabhängig vom Lötverfahren.

Darüber hinaus lassen sich für besonders dünnwandige Bauteile oft nur noch spezielle Kunststoffe beispielsweise aus der LCP-Gruppe (flüssigkristalline Polymere) verwenden. Hierfür bedarf es jedoch entsprechend geeignete Formwerkzeuge, die wegen des dünnflüssigen Kunststoffs sehr gut abgestimmt, äußerst formschlüssig und hochpräzise gefertigt sein müssen. Auch die Temperierung dieser Formwerkzeuge ist von über +130 °C maschinen- und werkzeugtechnisch besonders anspruchsvoll. Aber dadurch lassen sich auch bei einem recht langen Fließweg kleinste Wandstärken zuverlässig füllen. Erreicht wird dies durch den molekularen Aufbau mit starren, stabförmigen Makromolekülen, die sich in der Schmelze parallel ausrichten.

Die LCP-Materialien sind in der Regel inhärent flammgeschützt (Stufe V0), also nicht durch flammhemmende Zusatzstoffe belastet. Durch den Zusatz von Füllstoffen, wie Faser- oder Mineralfüllungen, wird ein hoch formbeständiger Kunststoff erzeugt. Damit können sehr feine Strukturen, die sich bei vielen Steckverbinderleisten gerade bei kleiner werdenden Rastern ergeben, sicher gefüllt und produziert werden. Die gute Wärmeformbeständigkeit dieser Bauteile übersteigt +270 °C und gelangt bei einzelnen Typen auch auf über +300 °C. Darüber hinaus werden mit diesem Material gute mechanische Eigenschaften erzielt.

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