Leiterplattensteckverbinder

Kontaktaufnahme mit Präzision

30. Mai 2022, 11:48 Uhr | Von Gerhard Brüser, Fischer Elektronik
Fischer Elektronik
© Fischer Elektronik

Der Markt für Steckverbinder ist wegen seiner Vielfalt schwierig zu überblicken, und es kommen ständig neue Anwendungen und Anforderungen hinzu. Hintergrundwissen zum Thema Steckverbinder für Leiterplatten hilft bei der Auswahl der passenden Verbindungstechnik.

Um eine passende Steckverbindungspaarungen auszuwählen, muss ein Elektronikentwickler die geforderten Kenndaten mit den ausgewiesenen Spezifikationen der möglichen Steckverbinder abgleichen und bewerten. Dies beinhaltet die Strombelastung, die Steckhäufigkeit, das Umfeld des Einsatzortes (z. B. trocken oder feucht), den Platzbedarf, ruhend oder schwingend, 
sowie die Sicherheitsanforderung des Produktes. Anhand der technischen Daten der Produkthersteller lassen sich schon eine Vielzahl der Produktanforderungen bestimmen.

Neben der Form des Stiftkontaktes (zylindrisch, Vierkant oder rechteckig) ist auch der Typ der Kontaktfeder (Blattfeder, Gabelfeder, Clip) von großer Bedeutung. Diese grundlegenden Ausführungstypen müssen aufeinander abgestimmt sein. Die Steck­verbinderhersteller geben unter ihren technischen Daten detailliert Auskunft über die geeigneten Kombinations­möglichkeiten.

Als Gegenstecker für die genannten Kontaktfederformen werden Stift- und auch Messerkontakte verwendet. Je nach Federkontakttyp können diese Gegenstecker eine quadratische, rechteckige oder zylindrische Form haben und teilweise in mehreren oder sogar allen Formen gemischt eingesetzt werden.
Je nach Anforderung eignen sich unterschiedliche Kontaktwerkstoffe. Neben den typischen Vertretern wie Messing (CuZn) und Zinnbronze (CuSn) sind auch andere Kupferlegierungen mit einem sehr hohen Kupferanteil im Einsatz.

Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Diverse Kontaktfedern

In der Regel sind Federkontakte, die eine Grundform ähnlich einer Blattfeder aufweisen, für quadratische und rechteckige Stiftkontakte ausgelegt. Die zulässigen Nennmaße und Formen weisen die Hersteller in den zugehörigen technischen Datenblättern aus. Es gibt Ausführungen mit einseitiger und zweiseitiger Kontaktierung. Die Herstellung der Federkontakte erfolgt mittels Stanztechnik und die Beschichtung mittels Bandgalvanik (Bild 1).

Fischer Elektronik
Bild 1. Stiftkontakte am Trägerstreifen und im Steckergehäuse montiert.
© Fischer Elektronik

Gabelkontaktfedern sind ebenfalls gestanzte Federkontakte, die in der Regel aus dem Federmaterial Zinnbronze gefertigt wird. Sie sind eine preiswerte Ausführung und eignen sich für Einsatzfälle mit geringer Steckhäufigkeit. Ausgelegt sind Gabelkontakt­federn für quadratische und rechteckige Stiftkontakte. Das Stanzwerkzeug muss im Kontaktbereich der Feder, und zwar der innere Bereich, eine hohe Genauigkeit aufweisen, um dort den Kontakt äußerst gratfrei produzieren zu können. Sind diese Kontaktflächen zu rau, würde insbesondere bei verzinnten Kontakten die Oberfläche des Stiftkontaktes und auch der Feder sehr leicht aufgerissen. Wird die Kontaktfeder am Stanzstreifen hängend gefertigt und nicht als Schüttgut, so lassen sie sich recht sparsam und leicht im Kontaktierungsbereich mittels Tauch- oder Brush-Verfahren in einer Bandgalvanik vergolden.

Präzisionsbuchsenkontakte

Eine spezielle Form von Federkontakten wird in den sogenannten Präzisionsbuchsenkontakten verwendet (Bild 2). Dies ist ein gestanzter und gerollter sowie mit anschließender Galvanisierung versehener Federkontakt, ein sogenannter Clip, der in die galvanisierte Kontakthülse eingepresst wird. Ein solcher Kontakt besteht aus zwei Teilen, der Kontakthülse und dem Clip, der eigentlichen Kontaktfeder. Die Kontakthülse wird überwiegend als Drehteil hergestellt. Sie beinhaltet auf der einen Seite einen Lötanschluss und eine Bohrung auf der anderen Seite. Diese Bohrung dient zur Aufnahme des Federteiles, dem Clip.

Vor der Clip-Montage wird die Kontakthülse galvanisch beschichtet, in der Regel vernickelt und verzinnt; auch Vergolden wird vielfach angeboten. Eine Vergoldung wird dann gewählt, wenn die Hülse wiederum mit einer vergoldeten Kontaktfeder verwendet wird. Auch in medizinischen, militärischen und anderen Bereichen mit besonderer Anforderung wird überwiegend ein komplett vergoldeter Kontakt verwendet. Die Präzisionsbuchsenkontakte sind lötdicht, sodass weder beim Wellenlöten oder einem SMT–Lötprozess Lot in den Kontaktierungsbereich gelangen kann. Die spezielle Form des Clip-Kontaktes lässt sich je nach Auslegung mit drei bis sechs Fingerkontaktfedern bestücken, auch abhängig von der Größe. Sowohl zylindrische als auch viereckige Kontaktstifte können von diesen Clip-Kontakten aufgenommen werden. Die sogenannten Fingerkontakte können einzeln ausweichen und gewährleisten eine große Anzahl von Kontaktpunkten und damit einhergehend gute Stromübertragung.

Fischer Elektronik
Bild 2. Präzisionskontakte, lose und montiert.
© Fischer Elektronik

Nicht zuletzt beeinflusst die galvanische Beschichtung eine dauerhaft gute Steckverbinderpaarung ganz wesentlich. In der Regel wird bei Buntmetall-Legierungen zunächst eine Sperrschicht aufgetragen, um zu verhindern, dass mögliche Elemente aus dem Grundwerkstoff in die Oberflächenbeschichtung gelangen können. Dies verhindert ebenso, dass zum Beispiel bei einer Vergoldung das Gold in den Grundwerkstoff wandert und so die positive Wirkung des Goldes mit der Zeit abnimmt. Als Sperrschicht wird überwiegend Nickel eingesetzt. Das Gleiche gilt für Zinnbeschichtungen. Hier steht eine langfristig gute Lötbarkeit im Vordergrund. Zwecks besserer Haftfähigkeit verlangen einige Anwender eine zusätzliche Kupferbeschichtung vor dem Vernickeln.

Elektrische und mechanische Anforderungen

Die elektrische Belastbarkeit ist ein weiteres wichtiges Kriterium bei der Auswahl von Steckverbindungen. Die gängigen Typen mit einem Kontaktabstandsmaß – auch Raster genannt – von 2,54 mm, erreichen eine maximale Strombelastbarkeit von 3 A je Kontaktpaar. Für höhere Werte werden bei Leiterkartensteckverbindern oft zwei oder mehrere Kontaktpaare zusammengeschaltet. Hierdurch kann der Anwender bei Standardleisten bleiben und muss nicht extra eine spezifische Steckverbindung entwickeln lassen.

Bei kleineren Rastern (z. B. 2,0 mm und 1,27 mm) reduziert sich der maximal mögliche Strom wegen der geringeren Kontaktquerschnitte und dem geringeren Kontaktabstand. Varia­tionsmöglichkeiten ergeben sich auch durch den Einsatz unterschiedlicher Kontaktwerkstoffe. Während der elektrische Leitwert von Zinnbronze (CuSn) bei etwa 9 S/m liegt, kommt man bei Messing (CuZn) auf ungefähr 15 S/m. In den meisten Fällen reichen diese Möglichkeiten der elektrischen Belastbarkeit für den Massenmarkt der Leiterplattensteckverbinder vollkommen aus.
Durch den anhaltenden Wunsch der Elektronikentwickler nach immer kleiner werdenden Bauteilen, ist auch der Bereich der Leiterplattensteckverbinder gefordert, dem Rechnung zu tragen. Für den Elektronikentwickler ist daher vorrangig die Auswahl des Rasters festzulegen. Dies gilt dann für beide Kontaktpartner, also für Feder- und Stiftleiste. Ein weiterer wichtiger Punkt, der zu beachten ist, ist der gewünschte Abstand der beiden Leiterplatten zueinander – vielfach auch als »lichtes Leiterplattenabstandsmaß« bezeichnet. Hierfür sind die Stift- und Buchsenleisten zueinander auf die Länge des Stiftkontaktes abzustimmen. Berücksichtigt wird dabei das minimale und das maximale Einsteckmaß des Stiftkontaktes in den Federkontakt, um auch bei leichten Maßschwankungen der beiden Leiterplatten zueinander sicher zu kontaktieren.

Suchan Stefan
Der Autor: Gerhard Brüser ist leitender Entwicklungsingenieur für Steckverbinder bei Fischer Elektronik.
© Fischer Elektronik

Zur grundlegenden Betrachtung zählen außerdem die Querschnittsgröße und -form der Stiftkontakte, denn diese müssen zur ausgewählten Federkontaktleiste passen. Die Präzisionskontaktbuchsen sind diesbezüglich die am flexibelsten verwendbaren Federkontakte. Sie können sowohl zylindrische, quadratische als auch rechteckige Formen ohne Nachteile der Kontaktierung aufnehmen. Dies liegt an der relativ hohen Anzahl von federnden Kontaktelementen. Die Flachkontaktfeder wie auch die Gabelkontaktfeder sind in der Regel für quadratische und rechteckige Kontaktformen ausgelegt.


Verwandte Artikel

Fischer Elektronik GmbH & Co. KG