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Verbindungstechnik Isolierstoffe prägen Design und Verarbeitung von Leiterplattenklemmen

Redakteur: Kristin Rinortner

Die Leiterplattenfertigung lässt sich durch den Einsatz geeigneter elektromechanischer THR-Bauteile vereinfachen, da sie einen durchgängigen SMT-Prozess für SMD- und bedrahtete Bauteile zulassen. Bei diesen Bauteilen spielt die Wahl des Isolierstoffes eine wichtige Rolle: Er ermöglicht nicht nur das bleifreie Reflowlöten, sondern bestimmt auch die Produkteigenschaften.

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Bürklin GmbH & Co. KG
Beta LAYOUT GmbH
IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG
WAGO GmbH & Co. KG

Noch vor ca. zehn Jahren beschränkte sich die Auswahl der für die Herstellung von reflowfähigen Leiterplattenklemmen geeigneten Isolierstoffe auf wenige LCP-Kunststoffe (Liquid Crystalline Polymers). Heute kann der Hersteller von Leiterplattensteckverbindern oder -anschlussklemmen aus gut einem halben Dutzend unterschiedlicher Isolierstoffe wählen.

Die Auswahlkriterien für den Isolierstoff richten sich in erster Linie nach den Anforderungen der Applikation sowie nach der Verarbeitung der Bauelemente. Von zentraler Bedeutung sind daher ausgezeichnete Isoliereigenschaften wie eine hohe Durchschlagfestigkeit und maximale Kriechstromfestigkeit (CTI, Comparative Tracking Index).

Diese Eigenschaften sind für eine hohe Produktqualität sowie möglichst kleine Bauteile unerlässlich. Weitere Anforderungen sind die Einstufung der Brennbarkeit gemäß UL 94 in V0 und die Verwendung von halogen- und schwermetallfreien Brandschutzmitteln. Darüber hinaus muss der Isolierstoff eine ausreichende Elastizität für die Montage- und Handhabungsprozesse sowie eine hohe Fließfähigkeit bei der Herstellung von Bauelementen im Spritzgießverfahren mitbringen.

Das Reflowlöten fordert besondere Isolierstoffe

Wenn man Leiterplattensteckverbinder oder -anschlussklemmen in den SMT-Prozess integriert, erhöhen sich nochmals die Anforderungen an den Isolierstoff. Das bleifreie Reflowlöten verlangt eine deutlich höhere Temperaturbeständigkeit und eine genau an die Leiterplatte angepasste Wärmedehnung. Zudem muss die Wasseraufnahme des Isolierstoffes möglichst gering sein. Diese Eigenschaft verhindert Blasenbildung auf den Oberflächen der Bauelemente während des Reflow-Lötprozesses und vermeidet teure Trockenverpackungen oder das Vortrocknen vor der Verarbeitung.

Ergänzendes zum Thema
Interview: Leiterplattenanschlusstechnik
„Bei elektromechanischen THR-Bauteilen spielt die Wahl des Isolierstoffes eine wichtige Rolle.“ Interview mit Jörn Picker, Wago.

Herr Picker, wie beeinflussenen die neuen Isolierstoffe die Entwicklung von Leiterplatten-Anschlussklemmen und -steckern?

Die neuen Isolierstoffe ermöglichen uns Produktentwicklungen, die die aktuellen Marktanforderungen erfüllen. Ein Beispiel sind LED-Applikationen mit neuen Anforderungen an die Anschlusstechnik. LED-Leiterplatten werden auf Kühlkörper aufgebracht, um die Wärme abzuführen. Dadurch können die Anschlussklemmen nicht mehr in Durchsteckmontage (THT/THR) ausgeführt werden. Für diese Anwendung hat Wago mit der Serie 2060 eine Anschlussklemme in SMD-Technik entwickelt. Durch den Einsatz neuer Isolierstoffe mit einer ausreichenden Elastizität hinsichtlich der mechanischen Belastungen beim Leiteranschluss und einer hohen Kriechstromfestigkeit ist die SMD-Klemme auch für höhere Leistung und damit im Industrieumfeld einsetzbar.

Was ist für die Qualität von elektromechanischen Bauelementen darüber hinaus ausschlaggebend?

Wichtig bei wiederanschließbaren Leiterplattenanschlussklemmen und -steckverbindern ist die elektrische Verbindungstechnik, die wartungsfrei, schnell anschließbar und rüttelsicher sein muss. Dies realisieren wir durch die Federanschlusstechnik. Sie wurde in den 1950er-Jahren von Wago entwickelt und ist dann mit dem Cage-Clamp-Anschluss zu einem Industriestandard geworden.

Im letzten Jahr hat Wago das Steckverbindersystem Picomax vorgestellt. Was war die Motivation für dieses System?

Ziel war es hier, ein kostengünstiges, aber auch kompaktes und zugleich robustes Steckverbindersystem zu entwickeln. Das gelang uns über ein radikal vereinfachtes Kontaktsystem, das das federnde Element vom stromleitenden Element trennt und Material einspart. Dadurch konnten das Gehäuse kleiner gebaut und die Stift- und Federleisten so konstruiert werden, dass sie fast vollständig ineinander eintauchen. Das macht das System besonders vibrationsfest und so noch vielseitiger einsetzbar.

Welche Rolle spielte beim Picomax-System die Wahl des Isolierstoffes?

Neben dem vereinfachten Kontaktsystem ist es der gewählte Isolierstoff, der das Steckverbinderdesign und die Produkteigenschaften von Picomax bestimmt. Je besser die Werkstoffeigenschaften sind, desto belastbarer und auch kleiner können die Bauteile bemessen werden. Durch das aktuelle Produktdesign ist es uns gelungen, auch die eigenen Herstellungskosten erheblich zu senken. Das Endergebnis ist ein Steckverbindersystem mit einer hohen Strom- und Spannungsbelastbarkeit, einer hohen Vibrationsbeständigkeit, einer kleinen Bauform und einem niedrigen Preis.

(Anm. d. Red.: Elektronikpraxis hat das Steckverbindersystem Picomax in derAusgabe 7/2010 vorgestellt.)

Lange Zeit konnten diese zusätzlichen Anforderungen mit den eingesetzten, häufig unverstärkten, Isolierstoffen nicht voll erfüllt werden. Die Eignung für den Reflow-Lötprozsess ging auf Kosten des CTI und der Elastizität. Erst durch die Weiterentwicklung der PPA-Kunststoffe (Polyphthalamide) und neuer Hochtemperaturpolyamide konnten alle Anforderungen erfüllt werden.

Wago nutzt diese neuen Isolierstoffe für die Herstellung der Leiterplattensteckverbinder und -anschlussklemmen und verfügt inzwischen über ein umfangreiches THR-Programm. Zu diesem Programm zählen verschiedene Stift-, Feder- und Klemmenleisten sowie seit kurzer Zeit auch eine SMD-Klemmenleiste mit Betätigungsdrückern. Alle THR-Komponenten sind in der für den SMT-Prozess üblichen Gurtverpackung (Tape-and-Reel) erhältlich.

Flexible Verdrahtung mittels Leiterplattenklemmen

Jede Leiterplatte benötigt Anschlussklemmen, um elektrische Verbindungen zu Spannungsversorgungen oder anderen Baugruppen herzustellen. Die flexibelsten Verbindungen lassen sich mit Steckverbindersystemen erreichen. Ob Leiterplatten mit Leitungen verbunden werden sollen (Wire-to-Board) oder zwei Leitungen miteinander (Wire-to-Wire) das Multisteckersystem (MCS) und picoMAX enthalten für beide Varianten entsprechende Komponenten.

Das MCS-Produktprogramm bietet THR-fähige Stiftleisten mit geraden und abgewinkelten Lötstiften in den Rastermaßen 2,5 bis 7,5 mm. Damit stehen dem Anwender die steckbaren Wire-to-Board-Verbindungen mit den Nennquerschnitten von 0,5; 1,5 und 2,5 mm2 im Spannungsbereich bis 400 V durchgehend zur Verfügung. Und das mit denselben Bemessungsgrößen, wie sie THT-Bauelemente für das Wellenlöten aufweisen.

Das bedeutet: der Verarbeitungsprozess hat heute keinen Einfluss mehr auf die Leistungsfähigkeit des Bauelements. Für Neuentwicklungen bieten diese Isolierstoffe gute Möglichkeiten, die Forderungen nach Miniaturisierung bei gesteigerter Leistung nachzukommen. Kleinste Abmessungen und hohe Bemessungsspannungen sind nur mit einem optimalen CTI des Isolierstoffes erreichbar.

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