Severe Environment Testing Härtetest für Steckverbinder

Entwickler fragen sich häufig, ob die gewählte Steckverbindung in ihrer Anwendung auch rauen Umgebungen standhält. Das standardisierte Prüfverfahren »Severe Environment Testing« soll Vertrauen in die Zuverlässigkeit gewährleisten.

Elektrische Steckverbindungen sind in einer Vielzahl von Branchen unverzichtbar und werden unter den unterschiedlichsten Bedingungen gelagert und eingesetzt. Darum erfordern viele Elektronik-OEMs strenge Prüfverfahren für die Steckverbindungen, um sicherstellen zu können, dass sie unter den späteren Anwendungsbedingungen auch wie gewünscht funktionieren. Die Prüfstufe Severe Environment Testing (SET), also das Prüfen unter extremen Umweltbedingungen, wurde entwickelt, um den Ingenieuren das notwendige Vertrauen zu vermitteln, dass sie den Steckverbinder problemlos in ihr Produkt integrieren können.

Warum SET?

Systemkonstrukteure und -ingenieure sind mehr als vertraut mit der Verwendung von COTS-Produkten (commodity off the shelf), also Produkten aus der gewerblichen Serienfertigung. Aber oftmals reicht COTS für die extremen und rauen Anwendungen und Umgebungen in der Militär-, Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Verkehrs-, Industrie- und Medizintechnik einfach nicht aus. Für diese Bereiche müssen sich die Komponenten weitergehenden Prüfungen unterziehen, als bei COTS-Produkten üblich. Mit SET möchte Samtec die Lücke zwischen Militär-Standards und COTS schließen. SET gibt den Systementwicklern und -konstrukteuren das extra Quäntchen Sicherheit und Vertrauen, dass das Serienprodukt in ihrer Anwendung funktionieren wird.

Prüfen unter extremen Umweltbedingungen

SET wurde aufbauend auf die VITA-Standards 47.0 bis 47.3 und die Rückmeldungen von Branchenführern zu den Prüfinformationen über COTS-Produkte entwickelt. Eine normale Qualifikationsprüfung umfasst eine Kombination aus Tests, bei denen das Verhalten auf Feuchte, Temperaturwechsel, Durchschlagspannung (DWV) sowie Stoß/Schock und Vibrationen geprüft wird. Dazu kommt noch der Test der »Low Level Contact Resistance« (LLCR), bei der der Übergangswiderstand des Prüflings vor und nach einem der erwähnten Tests gemessen wird, wobei sich dieser in einer Schaltung ohne weitere Verbraucher – also fast bei Leerlaufspannung – befindet. Die Spannung ist auf 20 mV und der Strom auf 100 mA begrenzt. Standardwerte liegen zwischen 5 und 15 mΩ. Bei einem Vorher-Nachher-Unterschied >15 mΩ gilt die Prüfung als nicht bestanden. Bei SET werden die Anforderungen der Standard-Qualifikationsprüfungen für das Bestehen des Tests hochgesetzt. Dies ist ein Beleg für den Entwickler, dass der Steckverbinder auch in extremen Umgebungen eingesetzt werden kann.

Stecken – Ziehen – Steckzyklenzahl

Es ist sehr wichtig, dass ein Steckverbinderpaar ohne Verschlechterung der Signalqualität gesteckt und gezogen werden kann. Bei »Stecken – Ziehen – Zyklenzahl« (1 Zyklus = 1x Stecken + 1x Ziehen) wird die Spezifikationstreue des Steckverbinderpaares auch unter nicht idealen Bedingungen demonstriert. Die Tests auf Stecken – Ziehen – Zyklenzahl sind zwar üblich in Standard-Qualifikationsprüfungen, aber für SET gelten verschärfte Bedingungen. Bei der Standardprüfung gelten folgende Kriterien: Relative Feuchte (rF) 90 % bis 98 %, Dauer 10 Tage, Zyklenzahl 100, Temperatur 25 °C bis 64 °C. Bei SET wird im Vergleich die rF auf 100 % und die Zyklenzahl auf 250 erhöht.

Die Low Level Contact Resistance (LLCR) wird als Referenzwert vor dem Beginn der Prüfung gemessen. Anschließend findet dann ein Test der Steckverbinder auf Steck- und Ziehkräfte sowie 250 Steckzyklen statt, und danach wird wiederum der LLCR-Wert ermittelt. Wenn der Übergangs-Widerstand ein Delta R < 15 mΩ und somit keine Veränderung/Degradierung aufweist, geht es weiter zur nächsten Prüfsequenz. Zu den verbleibenden Prüfsequenzen gehören Temperaturwechselprüfung gemäß EIA-364-32, LLCR, Feuchte, LLCR, Steck-/Ziehkräfte.

Temperaturwechsel

Ein weiterer kritischer Punkt jeder Prüfung auf Umweltbedingungen ist der Nachweis der Funktionstüchtigkeit bei großer Temperaturwechselbeanspruchung. Beim Temperaturwechseltest wird die Festigkeit des Steckverbinders gegenüber extremen Temperaturveränderungen überprüft. Dieser Test ist besonders für Systeme wichtig, deren Umgebungsbedingungen sich innerhalb von Minuten ändern können.

Bei dieser Prüfung wird ein Steckverbinderpaar von -55 °C auf 85 °C hundertmal zyklisch und bei einer Verweildauer von jeweils 30 Minuten an den Temperaturendwerten überführt. Bei der SET-Version dieser Prüfung ist der Temperaturbereich auf -65 °C bis 125 °C erweitert und die Temperaturzyklen sind auf 500 erhöht. Im Rahmen dieser Prüfung werden die Teile auf eine Erhöhung des LLCR-Werts geprüft (Delta R < 15 mΩ).

Mechanischer Schock – Rausch-Vibration – LLCR und Ereigniserkennung

Mit den Tests »Mechanischer Schock – Rausch-Vibration – LLCR und Ereigniserkennung« soll das Verhalten des Steckverbinderpaars geprüft werden, wenn es einer Reihe von mechanischen Schocks und nicht-sinusförmigen Schwingungen bzw. Vibrationen ausgesetzt wird. Beim mechanischen Schock wird normalerweise mit Spitze 100 g für 6 ms, Halbsinus, geprüft. Bei der SET-Version kommen 40 g Spitze für 11 ms, Halbsinus, zum Einsatz. Zu Beginn und zum Abschluss wird die LLCR-Messung durchgeführt, um Änderungen am Kontakt während dieses anspruchsvollen Tests zu ermitteln. Der Standard-Vibrationstest wird mit 7,56 gEFF für zwei Stunden je Achse durchgeführt, die SET-Version mit 12 gEFF für eine Stunde je Achse bei 5 bis 2000 Hz. Während dieser Prüfung wird das Kontaktpaar mithilfe einer Ereigniserkennung (Event Detection) durchgängig auf Unterbrechungen überwacht (Bild 1).

Entladung statischer Elektrizität

Elektrische Steckverbinder werden zwar normalerweise nicht auf elektrostatische Entladung (Electrostatic Discharge, ESD) geprüft, aber bei extremen Umgebungen möchte der Entwickler vielleicht doch wissen, wie sich die Bauteile bei elektrostatischen Entladungen verhalten. Während des ESD-Tests wird der Steckverbinder im gesteckten und getrennten Zustand geprüft. Durch Sichtprüfung vor und nach dem Test wird festgestellt, ob es zu Schäden gekommen ist. Bei diesem Test ist eine Sichtprüfung für die Beurteilung des Prüfergebnisses ausreichend. Steckverbinder sind passive Bauteile ohne aktive Komponenten und der einzig mögliche Schaden könnte an der Beschichtung auftreten. Diese Prüfung setzt auf DIN EN 61000-4-2 / VITA 47 auf. Die Prüfspannung reicht bis 15 kV, die über eine 150-pF-Kapazität und einen 330-Ω-Widerstand entladen wurde. Die Steckverbinder werden jeweils zehnmal einer Entladung von 5, 10 und 15 kV ausgesetzt und danach einer Sichtprüfung unterzogen (Bild 2).

Spannungsprüfung in hohen Luftschichten

Die Spannungsprüfung (Dielectric Withstanding Voltage Test, DWV) ist eine in der Elektronik übliche Prüfung, die allerdings in hohen Luftschichten durch veränderten Luftdruck ein wenig schwieriger wird. Bei einem typischen DWV-Test wird die Prüfspannung für 60 Sekunden an die Steckverbinder angelegt. Die Prüfung ist bestanden, wenn sich keine Lichtbögen bilden und die Prüfspannung 75 % der Durchbruchspannung beträgt. Für die High-Altitude-Spannungsprüfung in großer Höhe wird die Messung mit 300 V Wechselspannung in einer Unterdruckkammer durchgeführt, in der eine Höhe von 21.336m (70.000 Fuß) über Meeresspiegel simuliert wird. Solange beim Steckverbinderpaar kein elektrischer Durchschlag erfolgt, gilt der Test als bestanden (Bild 3).

SET-Berichte öffentlich

Der Severe Environment Test wurde von Samtec für Systemdesigner und -ingenieure entwickelt, die nach zusätzlichen Qualifizierungsdaten für solche COTS-Produkte suchen, die unter extremen Umweltbedingungen eingesetzt werden sollen. Diese Prüfungen gehen über die Ansprüche der Standard-Qualifikationsprüfungen für COTS-Produkte hinaus und sind Nachweis für die Funktionsfähigkeit eines Steckverbinderpaars in extremen Umgebungen wie Luft-&Raumfahrt, Militär, Automobilindustrie sowie Medizintechnik und in verschiedensten Industrieanwendungen. Samtec veröffentlicht alle Daten zu Severe-Environment-Test-Berichten für verschiedene gefragte Produktreihen auf www.samtec.com/set.

Der Autor

Brian Niehoff
ist Technical Marketing Engineer bei Samtec. In seinen mehr als 19 Jahren in der Elektronikbranche ist er für viele Aufgabenbereiche zuständig gewesen, zu denen neben Engineering und Qualifikationsprüfung nicht nur das Marketing und die Konformität mit Umweltgesetzen gehören, sondern auch die Tätigkeit als Unternehmer. Brian nutzt sein Wissen, um den Kenntnisstand über Steckverbinder in der Elektronikbranche zu verbessern und den wachsenden Kundenstamm von Samtec weiterzuentwickeln.