Schwingungs- und vibrationsfest Robuste Steckverbinder

Widerstandsfähige Steckverbinder, robuste Bauteile sind nicht leicht zu erkennen.
In Bezug auf Schwingungen und Vibrationen widerstandsfähige Steckverbinder

Wie widerstandfähig ein Steckverbinder ist, kann ein Anwender anhand der Datenblätter nicht so leicht erkennen. Es gibt eine Vielzahl an Kenngrößen, die je nach Einsatzfall betrachtet werden müssen.

Besonders für Elektronik-Anwendungen, die in schwierigen Umgebungsbedingungen zum Einsatz kommen sollen, wird nach extra »robusten« Leiterplattensteckverbindern oder auch »Rugged Connectors« gefragt. Beliebt sind diese Begriffe z.B. in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, in militärischen und industriellen Anwendungen oder dem Transportwesen. Doch was genau versteht der Einzelne unter Robustheit und anhand welcher Prüfkriterien lässt sich dieses Leistungsmerkmal objektiv bestimmen? Wie sich schnell rausstellen wird, gibt es dafür gleich mehrere Ansatzpunkte.

Vibrations- & Schwingungsfestigkeit

Einer der häufigsten Einflüsse, denen Steckverbinder ausgesetzt sind und denen sie widerstehen müssen, sind Vibrationen. Diese gefährden den konstanten und störungsfreien Kontakt zwischen Leiterplatte und Steckverbinder sowie auch zwischen Steckverbindungen untereinander. Eine zuverlässige und haltbare Kontaktierung zwischen einem SMT-Steckverbinder und der Leiterplatte erreicht man z.B. durch ein für die Verlötung auf der Leiterplatte optimiertes Kontaktdesign.

Beim SMT-Steckverbindertyp One27 der Firma ept beispielsweise ist das Design der Kontaktfüße so ausgelegt, dass sich die Pins beim Lötvorgang bestmöglich mit den Lötpads auf der Leiterplatte verbinden. Zu erkennen ist eine gute Lötverbindung an der Meniskusbildung des Lotes (Bild 1). Zudem bieten die One27-Steckverbinder nachweislich den besten Koplanaritätswert gegenüber vergleichbaren Produkten am Markt und tragen damit zusätzlich zu einer guten Kontaktierung der Leiterplatte bei.

Des Weiteren verankert bei diesem Steckverbindertyp ein sogenannter Boardlock – ein Metallbügel, der ebenfalls auf der Leiterplatte verlötet wird – den Stecker fest auf der Leiterplatte (Bild 2). Durch Vibrationen verursachtes Lösen der Steckverbinderkontakte von der Leiterplatte wird somit verhindert.

Bilder: 3

Vibrations- & Schwingungsfestigkeit, Bilder 1-3

Vibrations- & Schwingungsfestigkeit, Bilder 1-3

Die Kontaktierung zwischen Steckverbindern kann zudem durch ein spezielles Kontaktdesign verbessert werden, das bei Vibrationen und Schwingungen zuverlässige Dienste leistet. Beim One27 kommt in diesem Sinne ein Federkontakt zum Einsatz – doppelschenklig und flexibel ausgeführt (Bild 3). Bewegen sich die Stecker gegeneinander, ist dadurch sichergestellt, dass immer wenigstens ein Federkontakt auf dem Messerkontakt aufliegt.

Eine Kontaktunterbrechung durch Vibrationen oder Schwingungen ist damit ausgeschlossen. Die Vibrationseigenschaften der One27-Steckverbinder wurden gemäß der Norm IEC 60068-2-6:2007 für einen Frequenzbereich von 10 bis 2.000 Hz nachgewiesen, und robuste Schock-eigenschaften sind gemäß IEC 60068-2-27:2008 – also anhand einer Beschleunigung von 50 G – überprüft.

Steckzyklen als Kriterium

Die Lebensdauer eines Steckverbinders wird meist über die Anzahl der Steckzyklen definiert, die dieser ohne Einbußen bei der Übertragungsqualität absolvieren kann. Einfluss auf die Anzahl der Steckzyklen hat vor allem die Qualität der Kontaktoberfläche. Es müssen also hochwertige und haltbare Kontaktbeschichtungen verwandt werden, die den Oberflächenabrieb beim Steckvorgang verringern. Dickere Beschichtungen wiederum lassen mehr Abrieb zu, bevor die Steckkontakte an Funktionsfähigkeit einbüßen.

Um die Reibung zu minimieren, ist natürlich eine möglichst glatte Oberfläche der beiden aufeinandertreffenden Kontaktflächen von Vorteil. Im Falle des One27-Steckverbinders trifft jeder Federkontakt mit der glatten, gewalzten Fläche auf den Messerkontakt (Bild 4) und vermeidet so eine Kontaktierung über eine inhomogene, scharfkantige Stanzkante. Letztere würde zu erhöhtem Abrieb der Oberfläche führen.

Die One27-Steckverbinder jedenfalls erreichen das Performance Level I, also 500 Steckzyklen, auch unter erschwerten Bedingungen wie Schadgas-Einfluss (gemäß Norm IEC 60068-2-60:2015) und häufigen Temperaturschwankungen – also gemäß Norm IEC 60068-2-30:2005. Das Relaxationsverhalten der Kontaktfeder ist über die ganze Lebensdauer hinreichend hoch und entspricht damit der Norm IEC 60512-13-2: 2006. Ein zusätzlicher Vorteil der großen, gewalzten Federkontaktflächen ist die höhere Stromtragfähigkeit, die aufgrund der geringen Übergangswiderstände zustande kommt.

Ob sich ein Industrie-Steckverbinder im Dauerbetrieb als robust erweist, hängt auch davon ab, wie solide der Steckverbinder als solches verarbeitet worden ist. Im Falle des One27-Steckverbinders muss der auf der Leiterplatte verlötete Boardlock hervorgehoben werden, der die im täglichen Betrieb auftretenden mechanischen Kräfte absorbiert. Auf die genannten SMT-Stecker dürfen beim Stecken nachweislich mechanische Belastungen bis zu 400 N ausgeübt werden, ohne dass sie Schaden nehmen.

Verarbeitung & Handhabung

Zu einer möglichst unproblematischen Handhabung der Steckverbinder trägt erfahrungsgemäß auch ein hoher Toleranzausgleich mit bei. Im Falle des One27-Steckverbinders kommt es dabei auf das Zusammenspiel zwischen dem ausgeklügelten Kontaktprinzip der doppelschenkligen Feder, die den Messerkontakt flexibel umschließt, und der Gestaltung der Isolierkörper ganz besonders an.

Die Isolierkörper sind sowohl auf der Messer- wie auch auf der Federseite mit Einführschrägen ausgestattet, die beim Stecken einen Versatz von 0,7 mm in jede Richtung ausgleichen. Zusätzlich schließt der Fangbereich einen Winkel von ± 4° längs und ± 2° quer ein (Bild 5).

Der doppelschenklige Federkontakt gewährleistet bei der Anwendung der One27-Steckverbinder zudem eine hohe Überstecksicherheit. Ein Steckerpaar kann innerhalb eines Bereiches von 1,5 mm variabel miteinander verbunden werden.

Die sichere Kontaktierung zwischen dem Kontaktstift der Messerleiste und dem doppelseitigen Federkontakt der Federleiste ist dabei dank einer verbleibenden Kontaktstrecke von 0,9 mm sichergestellt. Dadurch erhält man zusätzliche Variabilität bei der Gestaltung der Leiterplattenabstände sowie einen hohen Toleranzausgleich bei der Verbindung zweier PCBs.

Die Suche nach einem »robusten« Steckverbinder kann also ganz unterschiedliche Hintergründe haben. Entwickler sollten sich deshalb genau überlegen, welche Form der Widerstandsfähigkeit sie für ihre Anwendung benötigen. (nach Unterlagen der Firma ept)