Leiterplattenkontakte Fertigungsgerechtes Design mit Federkontaktstiften

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Federkontakte haben gegenüber Steckverbindern viele Vorteile. Allerdings sind die Varianten sehr zahlreich. Worauf sollten Leiterplattenentwickler hinsichtlich Zuverlässigkeit und Fertigungskosten bei der Auswahl von Federkontaktstiften achten?

Das schnurlose Festnetztelefon oder Nadelbettadapter sind typische Einsatzgebiete von Federkontaktstiften. Die vielfältigen Formen und Ausführungen machen Federkontakte zu Alleskönnern, wenn es eine schnelle und zuverlässige elektrische Verbindung braucht, die sich einfach lösen lässt. Federkontakte gleichen Unebenheiten auf den gegenüberliegenden Kontaktflächen und Vibrationen aus und erreichen mindestens 10.000 Steckzyklen.

Dieser Beitrag erklärt, worauf Entwickler beim fertigungsgerechten Leiterplattendesign mit Federkontaktstiften und -steckern achten sollten. Denn was Sie beim Design als passend erachten, kann in der Leiterplattenbestückung Fehler und Mehrkosten verursachen.

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Es gibt Fälle, in denen die übliche Kombination aus Buchsen, Steckern und Kabeln nicht ideal ist. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn die elektrischen Verbindungen sowohl fest als auch lösbar sein müssen; wenn die Verbindungsstellen starken Vibrationen ausgesetzt sind, durch die sie sich lösen können oder wenn auf der gesamten Leiterplatte Verbindungen auf zum selben Zeitpunkt hergestellt oder unterbrochen werden müssen.

Wann werden Federkontaktstifte eingesetzt?

In diesen Fällen kommen Stifte und Steckverbinder mit Federkontakten in Frage. Federkontaktstifte sind auch bekannt als Pogo Pins, eine Marke von Everett Charles Technologies.

Federkontakte in Stiften und Steckverbindern bieten die folgenden Eigenschaften für die elektrischen Verbindungen:

• Durch Druck können mehrere Verbindungen auf einer großen Fläche gleichzeitig hergestellt oder unterbrochen werden; das ist von Vorteil bei Prüfvorrichtungen wie z.B. Nagelbettadaptern in In-Circuit-Testern.

• Sie erfordern gelötete Komponenten nur auf einer der beiden Leiterplatten. Normalerweise benötigt die Gegenseite des Federkontaktes nur eine kleine Kontaktfläche (Pad) an derselben Stelle. Das spart Platz, Entflechtungsfläche und Kosten.

• Wenn sie gut gewählt und gestaltet sind, funktionieren Federkontaktstifte auch bei Vibrationen.

• Die platzsparende Verbindung kann in der vertikalen Ebene kompakt sein; die Leiterplatten können recht dicht nebeneinander gestapelt werden.

• Die Federn ermöglichen eine gewisse Flexibilität in der Höhe; das ist hilfreich bei Unebenheiten und versetzten Leiterplattenstapeln.

Federkontakte gibt es in unzähligen Varianten von Höhe, Durchmesser, Geometrie der Kontaktspitze, Material, Beschichtung, Hub, Kraft, Gehäuse.

Wir konzentrieren uns hier auf die Eigenschaften der Federkontakte, die für die automatische Leiterplattenbestückung relevant sind. Mit diesem Wissen vermeiden Sie es, Federkontakte einzuplanen, die beim Entwurf zwar gut geeignet erscheinen, sich aber bei der Fertigung der elektronischen Baugruppe als kompliziert, unzuverlässig oder kostspielig erweisen.

Anforderungen an Federkontaktstifte

Elektrische Verbindungen müssen robust und zuverlässig sein. Dazu muss der Federkontakt im idealen Winkel platziert sein und gut zur Mitte des Kontakts auf der anderen Seite ausgerichtet sein. Zudem darf er sich durch den ausgeübten Druck nicht verbiegen. Die gegenüberliegende Anschlussfläche für den Federkontakt muss flach und groß genug sein, um Ausrichtungsfehler und Vibrationen auszugleichen. Außerdem muss die Kontaktfläche so beschichtet sein, dass sich der Federkontakt nicht mit der Zeit abnutzt. Manchmal handelt es sich bei diesem Kontakt nicht um ein Pad, sondern um ein anderes Bauteil. In diesem Fall müssen möglicherweise die Spezifikationen des Federkontaktes geändert werden.

Bauteile werden mit einem Bestückautomaten oder von Hand auf der Leiterplatte montiert. Die automatische Bestückung ist in der Regel billiger, wenn die Anzahl der Bauteile hoch ist oder wenn mehr als ein paar davon bestückt werden. Idealerweise sollten Sie also immer versuchen, Komponenten zu wählen, die sich mit Bestückungsautomaten verarbeiten lassen.

Bei Federkontaktstiften ist es wichtig, dass sie eine „Kappe“ haben, die auf jedem einzelnen Stift oder auf einer Teilmenge der Stifte in einem „gehäusten“ Steckverbinder sitzt. Diese Kappe braucht der Bestückkopf der Maschine zum Ansaugen. Zudem sollten sie in einer automatengerechten Verpackung geliefert werden, z.B. Tube, Reel oder Tray. Wenn die Federkontaktstifte lose oder als Schüttgut geliefert werden, muss der Baugruppenfertiger sie manuell in eine Pick-&-Place-Zuführung einlegen oder von Hand löten. Diese zusätzliche Arbeit ist teurer.

Kriterien für Ausrichtung und Stabilität

Für der Ausrichtung und Stabilität gibt es auch einige Kriterien, die Sie kennen sollten: SMD, Oberflächenmontage oder THT, Durchsteckmontage: Die Durchgangsbohrung, die bei Federkontaktstiften auch als Zapfen bezeichnet wird, bietet eine zuverlässige Lötstelle und mechanische Stabilität. Einzelkontakt oder Steckverbinder: Einzelne Stifte, insbesondere ohne Gehäuse, können bei der Montage falsch ausgerichtet sein und bei der Benutzung Stabilitätsprobleme verursachen. Die Anordnung der Steckerkontakte: Bei einer einzelnen Reihe (1-mal-n) kann es beim Löten ebenfalls zu Ausrichtungsfehlern kommen. Darum empfiehlt sich eine 2-mal-2-Reihe oder bei mehr Kontakten eine größere. Wenn also die Wahl zwischen einer 1x6- oder 2x3-Anordnung besteht, ist die letztere die bessere. Verhältnis der Grundfläche zur Länge: Je länger ein Stift ist bzw. je kleiner seine Grundfläche ist, desto größer ist die Gefahr einer Fehlausrichtung und Unzuverlässigkeit. Es ist schwierig zu definieren, wie lang „lang“ ist. Auf jeden Fall sollten Entwickler gerade bei SMD-Federkontakten auf die Länge achten.

Die ideale Federkontakt aus der Sicht der Leiterplattenbestückung

Der beste Federkontaktstift für die Montage ist im Hinblick auf Ausrichtung und Stabilität ist daher eine THT-Montage mit Zapfen, der so kurz wie möglich ist und in einer 2x2 oder größeren Konfiguration angeordnet ist.

Wenn der Stift, den Sie verwenden wollen, „lang“ oder oberflächenmontiert ist, sollten Sie sich insbesondere bei Einzelstiften unbedingt im Vorfeld mit dem Leiterplattenbestücker abstimmen, um spätere Probleme oder Mehrkosten beim Verarbeitungsprozess zu vermeiden.

Einzelne Federkontakte bieten die Möglichkeit, das gegenüberliegende Kontaktfeld direkt neben dem Signal zu platzieren. Das spart wertvollen Platz beim Entflechten. Doch Vorsicht; hier kann es Probleme bei der Montage geben. Einzelne Federkontakte werden nicht immer mit Abdeckkappen geliefert, lassen sich beim Löten nur schwer ausrichten, können unter Druck wegen der fehlenden Abstützung leichter verrutschen und erfordern spezielle Montagevorrichtungen, die für jedes Design maßgeschneidert werden müssen. Das bedeutet Mehrkosten.

Letztendlich sollten Sie immer die Montageanweisungen des Herstellers befolgen und ihn bei der Auswahl der besten Variante für die jeweilige Anwendung konsultieren. Der Baugruppenfertiger ist Ihnen bei der Menge an Optionen und Parametern ein hilfreicher Partner.

Federkontakte für die Leiterplattenbestückung in der Praxis

Der ideale Federkontaktstift für die Leiterplattenbestückung kommt mit folgenden Spezifikationen: Er ist in einem Gehäuse untergebracht, idealerweise zweireihig, 2x2 oder mehr, um eine optimale vertikale Ausrichtung und Stabilität sicherzustellen. Für die Durchsteckmontage haben die Federkontakte entweder einen Zapfen oder ein Gehäuse mit Zentrierstiften. Die Länge ist kurz im Verhältnis zur Grundfläche. Der Federkontakt wird mit einer Kappe geliefert. Wenn keine Kappe vorhanden ist, wird immer von Hand gelötet. Der Federkontakt kommt in Tape- oder Reel-Verpackung. Wenn es möglich und effizient durchführbar ist, kann der Hersteller sie umspulen oder von Hand bestücken.

Manchmal ist es nicht möglich, den idealen Federkontaktstift wie oben beschrieben zu verwenden oder zu beschaffen. Ein Fertigungsspezialist ist in der Lage, alle anderen Varianten verarbeiten. Allerdings bedeutet das in der Regel zusätzliche Kosten durch die manuelle Bestückung, spezielle Vorrichtungen, Umspulen usw. Im Zweifelsfall kontaktieren Sie den Bestücker frühzeitig, um zu besprechen, wie die Bauteile verarbeitet werden können, damit die Bestückung der Leiterplatte effizient und kostengünstig erfolgen kann.

Bohrungen und Durchkontaktierungen

Bitte beachten Sie, dass Bauteilanschlüsse, die durchkontaktierte Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,45 mm oder weniger benötigen, besondere Überlegungen erfordern. Im Fertigungsprozess wird eine Bohrung, die nicht als Bauteilbohrung gekennzeichnet ist und einen Endlochdurchmesser gleich oder kleiner als eine bestimmte Größe hat, als Durchkontaktierung behandelt. Die Standardvorgabe bei Eurocircuits ist 0,45 mm.

Für Durchkontaktierungen ist im Vergleich zu Bauteilbohrungen eine höhere „negative Toleranz“ erlaubt. Das bedeutet, dass die resultierenden Bohrungen kleiner als die angegebene Größe sein können, um einen besseren Restring unterzubringen oder die Anzahl der Bohrdurchmesser zu optimieren.

Der sicherste Weg, um zu verhindern, dass THT-Anschlüsse als Vias behandelt werden, ist, den Schwellenwert für die Klassifizierung von Vias herabzusetzen. Dies geschieht über die Option 'Bohrungen ≤ können verkleinert werden' (siehe Tabelle 1). Wählen Sie den Durchmesser, der kleiner ist, als den für den THT-Anschluss erforderlichen Endlochdurchmesser. Ein Beispiel: wenn die Bohrung 0,4 mm beträgt, wählen Sie 0,35 mm.

Wenn wir die Leiterplatte bestücken und Sie uns die vollständigen Bestückungsinformationen liefern, können wir feststellen, welche Bohrungen mit Bauteilen verbunden sind, und diese dann nicht als Via behandeln. Diese Informationen können über die von Ihnen hochgeladenen Daten, z.B. Gerber X2 oder höher, zur Verfügung gestellt oder über unseren Visualizer angegeben oder überprüft werden.  (kr)

* Saar Drimer ist Ingenieur und Fachautor bei Eurocircuits.

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