Leiterplattensteckverbinder Anforderungen an Steckverbinder für die SMT-Montage

SMT-Bauteile werden beim Reflow-Löten Temperaturen bis 260°C ausgesetzt. Nicht alle Isolierkörper sind dafür ausgelegt. Die Betriebstemperaturen sollten daher immer überprüft werden.

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Im Laufe der Zeit hat sich ein stetiger Wandel von der IMT (Insert Mount Technology) d.h., der klassischen Durchsteckmontage auf Leiterkarten, hin zu SMT (Surface Mount Technology), also einer Oberflächenmontage der Bauteile auf der Leiterplatte, vollzogen. Die oberflächenmontierten Bauteilen werden im automatisierten Prozess auf die Leiterplatten bestückt.

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Die Prozessautomatisierung beim Bestücken von Leiterkarten hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. SMT-Bauteile (Bild 1) werden im bleifreien Lötprozess kurzeitig Temperaturen bis zu 260°C ausgesetzt. Bei derartig hohen Temperaturen erreichen die meisten technischen Kunststoffe, die als Isolierwerkstoffe von Steckverbindern verwendet werden, ihre Erweichungstemperatur.

Standard-Kunststoffe wie z.B. PBT (Polybutylenterephthalat), PA 6 (Polyamid 6) erfüllen diese Eigenschaften nicht. Es kommen daher verstärkt Hochleistungskunststoffe wie z.B. PPS (Polyphenylensulfid) oder LCP (Liquid Crystalline Polymers) zum Einsatz. Die höhere Leistungsfähigkeit dieser Kunststoffe ermöglicht einen hohen Automatisierungsgrad beim beidseitigen Bestücken der Leiterplatten. Am Ende der Prozesskette befindet sich eine hochwertige, kostengünstige Steckverbindung.

Verordnungen wie RoHS 2002/95/EG (Restriction of (the use of certain) hazardous substances; deutsch: „Beschränkung (der Verwendung bestimmter) gefährlicher Stoffe“) und REACh (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) schränken verwendbare Kunststoffen weiter ein. Der Einsatz von polybromierten Biphenylen (PBB) und polybromierten Diphenylethern (PBDE) ist durch die neuen Vorschriften verboten worden.

Eignung der Kunststoffe für den Reflowlötprozess

Auch die Anwendungsbedingungen werden immer anspruchsvoller. Miniaturisierte, leistungsfähige Produkte bestimmen die Entwicklungsrichtung von Leiterkartensteckverbindern. Die eingesetzten Hochleistungswerkstoffe zeichnen sich durch Dimensionsstabilität, hervorragende Wärmeformbeständigkeit und gute mechanische Eigenschaften aus. Die Schmelztemperatur von Hochleistungskunststoffen liegt oberhalb von 270°C. Hochleistungsthermoplaste sind fest, steif, und zäh und sind ausgezeichnet chemikalien- und oxidationsbeständig.

Bei der thermischen Belastung von Kunststoffen unterscheidet man den kurzzeitigen und den langzeitigen Wärmeeinfluss. Beide Beanspruchungen wirken sich unterschiedlich auf die Isolationswerkstoffe der Steckverbinder aus.

Temperaturen um 260°C mit einer Belastungsdauer von 10 s (Bild 2) werden bei einem kurzzeitigen Wärmeeinfluss zum Beispiel beim Reflow-Löten erreicht. Hochleistungskunststoffe zeichnen sich hier durch eine gute Dimensionsstabilität und eine voraussagbare, geringe Schwindung aus.

Bei einer Wärmebelastung über längere Zeiträume können je nach Kunststoff Temperaturen bis 200°C toleriert werden. Die Belastungsdauer umfasst mehrere tausend Stunden. Derartige Belastungen wirken sich auf die Lebensdauer der Kunststoffe aus. Eine langzeitige Wärmebelastung verschlechtert die mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Schlagzähigkeit oder die Bruchdehnung. Um eine höhere Wärmeformbeständigkeit zu erreichen, ist der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen unvermeidbar.

Festigkeit an den Bindenähten bei hohen Temperaturen

Bei hohen Temperaturen sollte auch auf eine hohe Festigkeit an den Bindenähten des Isolierkörpers geachtet werden. Bindenähte lassen sich aufgrund der großen Anzahl an Kontakten in einem Steckverbinder nicht vermeiden.

Eine verbesserte Festigkeit der Bindenaht erreicht man durch die Auswahl des Kunststoffes, die Auslegung des Werkzeuges und durch optimale Temperaturverhältnisse in dem Bereich, in dem die Schmelze zusammenfließt. Je länger die Schmelze sich im Bereich der Bindenaht miteinander verbinden kann, umso beständiger ist die Bindenaht.

Viele Kunststoffe sind zwar für die geforderten Betriebstemperaturbereiche geeignet, neigen aber dazu, bei Belastungen durch die Kontakte im Bereich der Bindenähte zu reißen. Das kann durch unzureichendes Verschmelzen der Fließfronten miteinander, aber auch durch die hohe Steifigkeit und die geringe Zähigkeit des ausgewählten Kunststoffes verursacht werden. Bei faserverstärkten Kunststoffen liegen die Fasern parallel zur Bindenaht, infolge dessen ist die Festigkeit der Bindenaht geringer. Ideal wäre es, wenn man Bindenähte komplett vermeiden könnte. Das lässt sich aber aufgrund der hohen Anzahl an Kernen im Werkzeug nicht realisieren.

Der Aufbau der Leiterkartensteckverbinder fordert teilweise sehr geringe Wandstärken. Zusätzlich haben viele Steckverbinderwerkzeuge nur einen kleinen, nicht sichtbaren Anschnitt; gleichzeitig werden beim Füllvorgang im Werkzeug auch weite Fließwege zurückgelegt. Für solche Anwendungen sind leichtfließende Materialien notwendig.

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