Leiterkartensteckverbinder
Tipps für beste Kontakte zur Platine
Leiterkartenstecker gibt es in diversen Varianten. Variabel sind neben der Polzahl auch Kontaktlänge, Beschichtung und das Material. Dabei gibt die jeweilige Anwendung vor, was passt. Gut zu wissen, welche Qualitäten an Steckern es gibt und welche Ausführung jeweils am besten geeignet ist.
Die gängigsten Veredelungen auf Leiterkartensteckverbindern sind Zinn und Gold, wobei beide einzigartige Vorteile aufweisen. Gold ist als sehr guter elektrischer Leiter in beinahe jeder Schichtstärke immer eine gute Wahl und kommt beim Veredeln von Kontakten als legierter Werkstoff zum Einsatz.
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Die Härte der Veredelungsschicht erlaubt dem Steckverbinder mehrere Steckzyklen; so gewährleistet eine 0,2 µm starke Goldschicht mindestens 50 Steckzyklen. Sofern nur wenige Steckzyklen gefordert sind, ist es möglich die Goldschichtdicke zu verringern und eine Flashgoldschicht mit einer nahezu identischen Leitfähigkeit zu verwenden (Bild 1).
Eine verzinnte Oberfläche hingegen nutzt sich durch mehrere Steckvorgänge deutlich schneller ab und garantiert maximal 10 Steckzyklen, wobei die Steckkräfte aufgrund des weicheren Werkstoffes und der höheren Schichtdicke gesteigert sind. Trotz der im Gegensatz zu Gold niedrigeren Leitfähigkeit lassen sich die Steckverbinder bedenkenlos bei mittleren Stromstärken einsetzen. Im Normalfall wird Zinn mit einer Schichtstärke von bis zu sechs Mikrometern aufgebracht. Der große Vorteil einer Zinnoberfläche liegt in der Lötbarkeit. Das Lot, welches ebenfalls aus Zinn besteht, verbindet sich beim Aufschmelzen mit dem Zinn an der Kontaktoberfläche und bildet somit eine robuste und widerstandsfähige Verlötung.
Eine selektive Vergoldung bietet dem Anwender die Möglichkeit von den Vorteilen beider Oberflächenvarianten zu profitieren. Hierbei erhält nur der Steckbereich des Steckverbinders eine Goldschicht, die restliche Oberfläche wird verzinnt. Dabei spart man nicht nur teures Gold, man erhält auch einen qualitativ hochwertigen Steckverbinder: Die beste und stabilste Verlötung in Kombination mit einer hohen Steckresistenz und einem geringen Übergangswiderstand an der Paarungsstelle der beiden Steckverbinder.
Des Weiteren gewinnen versilberte Kontakte immer mehr an Beliebtheit. Silber weist eine ideale Leitfähigkeit auf und übertrifft die elektrische Leitfähigkeit von vergleichbaren Materialien. Der Nachteil liegt darin, dass Silber mit der Luft reagiert und eine Passivschicht bildet. Diese erhöht nach gewisser Zeit den Übergangswiderstand bei der Kontaktierung erheblich, und es besteht die Gefahr, dass sich die Passivschicht ablöst. Diese Partikel können auf der Leiterplatte zu Verschmutzung, Kontaktierungsproblemen und Kurzschlussgefahren führen.
Als Grundwerkstoff wird für die Kontakte in der Regel eine Kupferlegierung gewählt. Standardmäßig kommen Messing und Bronze zum Einsatz, in seltenen Fällen auch Legierungen wie Berylliumkupfer oder Zinnbronze. Damit der Kupfergrundwerkstoff nicht mit dem Gold an der Oberfläche reagiert, kommt eine Nickelsperrschicht zum Einsatz, die als Barriere zwischen den beiden Werkstoffen dient und eine Diffusion des Goldes in das Kupfer hinein verhindert.
Kontaktfedern der Buchsenleisten
Der Hersteller Fischer Elektronik bietet auf der Buchsenseite einer Steckverbindung die Wahl zwischen einem gestanzten Gabelkontakt und einer runden, gestanzt-gewickelten Kontaktfeder. Die Entscheidung für die richtige Qualitätsstufe hängt dabei von der Endanwendung ab. Die gestanzt-gewickelte Kontaktfeder kommt zum Einsatz, wenn der Steckverbinder in einer Umgebung verwendet wird, die Vibrationen und Schockbelastungen ausgesetzt ist. Durch die vier bis sechs eingesetzten Kontaktfinger ist ein gleichmäßiger Kontaktausgleich in alle Richtungen gewährleistet, sodass die Kontaktierung jederzeit gegeben ist.
Für den Einsatz der Buchsenleiste in einer statischen Umgebung ist eine Gabelfeder nicht nur die preislich günstigere Wahl, sondern auch vollkommen ausreichend für eine saubere Kontaktierung. Hierbei wird zur Paarung eines gestanzten Gabelkontakts ein quadratischer Kontakt verwendet, um die Kontaktierungsfläche zu maximieren. Der Gabelkontakt berührt den Kontaktstift an zwei gegenüberliegenden Seiten. Alternativ kann ein Präzisionskontakt mit rundem Querschnitt gewählt werden, der besser zur Kontur einer Präzisionsinnenkontaktfeder passt. Präzisionskontaktstifte werden feingedreht hergestellt und weisen daher eine sehr hohe Oberflächengüte auf (Bild 2).
Der richtige Kunststoff als Isolator
Technische Thermoplaste finden häufig Einsatz in Isolierkörpern für Leiterplattensteckverbinder. Die Wahl des Kunststoffs beeinflusst die Formstabilität, Maßgenauigkeit und Härte des Isolierkörpers. Insbesondere der Glasfaseranteil im Kunststoff spielt eine entscheidende Rolle. Ein hoher Glasfaseranteil erhöht die Härte und die Auszugskräfte der Kontakte im Isolierkörper, was die gesamte Steckverbindung widerstandsfähiger gegenüber äußeren Einflüssen macht.
Auch wenn der Steckverbinder in der Endanwendung nicht direkt hohen Temperaturen ausgesetzt ist, spielt der Einsatz eines hochtechnischen Thermoplasts eine wichtige Rolle. Beim Reflow-Lötprozess sind die Kunststoffe bereits hohen Temperaturen ausgesetzt. Gewöhnliches Polyethylen dient häufig als Isolator in der Elektronik, jedoch überschreitet die Temperatur des Reflow-Lötprozesses bereits den Schmelzpunkt dieses Kunststoffes. Daher ist es ratsam, einen Kunststoff mit guter Temperaturbeständigkeit zu wählen, wie beispielsweise ein technisches Polyamid.
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auswahl des Isolierkörpers ist die Flammschutzklasse des Materials. Im schlimmsten Fall, etwa bei schlechter Kontaktierung oder bei Fremdeinwirkungen, kann es zu einem Brand auf der Platine kommen. Daher ist der Einsatz eines flammhemmenden Kunststoffs unerlässlich.
Schlussendlich ist es nicht zu empfehlen, auf minderwertige Varianten des Isolierkörpers zurückzugreifen, insbesondere wenn die Ausfallsicherheit der Elektronik im Vordergrund steht. Bei Fischer Elektronik kommen daher nur qualitativ hochwertige, technische Kunststoffe mit hohem Glasfaser- anteil und UL94 V-0-Bewertung für alle Isolierkörper zum Einsatz. Das garantiert eine zuverlässige Leistung und Sicherheit in elektronischen Anwendungen.
Die korrekte Verbindung zur Leiterplatte
Sind die richtigen Spezifikationen für die Qualitätsstufe der Stift- und Buchsenleiste ausgewählt, ist es noch wichtig, die passende Anschlusstechnik auf der Leiterplatte festzulegen. Hier gibt es zwei Hauptansätze: die Surface-Mount-Technologie (SMT) und die Through-Hole-Technologie (THT).
Bei Ersterer werden die Steckverbinder direkt auf vormontierte Lötpads auf der Leiterplatte platziert. Dies ermöglicht hohe Positionierungstoleranzen und erleichtert die Automatisierung. Die Verlötung erfolgt anschließend im Reflow-Lötofen. Allerdings ist die Robustheit der Verbindung im Vergleich zur Through-Hole-Technologie etwas geringer.
Bei dieser erfolgt die Platzierung der Steckverbinder durch Löcher in der Leiterplatte und anschließender Verlötung. Diese Methode bietet eine stabilere Verbindung zur Leiterplatte, da das Loch in Kombination mit dem Kontakt zusätzliche Robustheit verleiht. Dafür gestaltet sich die automatisierte Platzierung aufgrund der zusätzlichen Passung (Leiterplattenloch und Kontaktstift) etwas schwieriger. Die Verlötung erfolgt mittels der klassischen Lötwelle (Bild 3).
Für eine optimale Kombination beider Ansätze ist ein Steckverbinder, der für die Through-Hole-Reflow-Technik geeignet ist, zu wählen. Dadurch erhält man eine stabile und sichere Verbindung, die dank der Reflow-Lötfähigkeit auch gut automatisierbar ist. Der einzige Nachteil im Vergleich zur SMT ist die etwas anspruchsvollere Positionierung, die sich jedoch mit modernen Bestückungsautomaten und präzisen Steckverbindern bewältigen lässt.
Der Autor
Timon Dahlhaus ist Entwicklungsingenieur für Leiterkartensteckverbinder bei Fischer Elektronik.
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