Koplanarer, SMT-fähiger Leiterplattensteckverbinder

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Dieser Artikel konzentriert sich auf die ursprüngliche technische Realisierung, die die oben beschriebenen Probleme durch Entwicklung und Einführung der koplanaren, anpassungsfähigen SMT-Leiterplatten-Anschlussklemme (patentiert) löst sowie auf die Einführung von als Gebrauchsmuster angemeldeten beweglichen Flanschelementen.

Null Toleranz in der Koplanarität ist das Hauptmerkmal dieser neuen Generation von SMT-Verbindern. Das heißt, die Eigenschaft der SMT-Stifte und der Flanschelemente sich jeder Art von Leiterplattenkrümmung, Unregelmäßigkeit oder Veränderung der Leiterplatte und jeder möglichen Montagesituation anzupassen, beseitigt das Koplanaritätsproblem vollständig.

Keine thermischen Fehlanpassungen mehr

Der zweite Nutzen, den die koplanaren, anpassungsfähigen SMT-Leiterplatten-Stiftleisten mit sich bringen, ist die Beseitigung der thermischen Fehlanpassung. Damit werden schwere Beschädigungen der Lötstellen vermieden, wie sie bei Stiftleisten mit starren Lötstiften auftreten können (Bild 1 zeigt ein Beispiel für einen SMT Stift, der starr im Gehäuse gehalten wird.) Eine 24-polige starre SMT-Stiftleiste aus PA4.6 mit 30% Glasfaseranteil für ein temperaturbeständiges Gehäuse kann bei einer angenommenen Leiterplattenkrümmung von 0,15 mm nach dem Erwärmen auf 265 °C nach 30 s eine relative Längenausdehnung von 95 µm, bzw. eine Spitzenabweichung von 0,1 mm zwischen Lötpins und Leiterplatte aufweisen.

Diese Längenausdehnung des Kunststoffgehäuses würde normalerweise beträchtlichen Druck auf die starren SMT-Stifte ausüben, die 0,15 mm Koplanaritätsabweichung aufweisen. Für die SMT-Lötstifte, die eine größere Koplanaritätstoleranz (z.B. 0,25 mm) haben, konnten mikroskopische Lötbrüche auf Lötpilzniveau nachgewiesen werden.

Die Erklärung für diesen Lötstellenschaden liegt im Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten für das Gehäusematerial PA4.6 (CTE = 36) und dem Leiterplattenwerkstoff (FR4 mit CTE = 17). Das heißt, das Material PA4.6 der starren SMT-Stiftleiste dehnt sich schneller aus als die Leiterplatte selbst. Diese Ausdehnung, gefolgt von der Materialschrumpfung nach dem Reflow-Prozess, produziert beträchtliche Spannungen in der Lötstelle von starren SMT-Stiftleisten.

Je größer die Abweichung der Koplanarität für einen SMT-Stift ist, desto größer ist die Gefahr der Lötstellenschädigung. Daraus ergibt sich nur eine Schlussfolgerung: Eine thermische Fehlanpassung bei SMT-Bauteilen kann nur beseitigt werden, wenn der SMT-Lötstift genügend Bewegungsfreiheit erhält, um sich der Längenausdehnung des Kunststoffgehäuses anzupassen.

Beweglicher Lötstift mit drei Freiheitsgraden

Beide Probleme wurden durch die Entwicklung eines speziellen SMT-fähigen Lötstifts mit Freiheitsgraden in alle Richtungen (3D), der alle Veränderungen der Leiterplatte bezüglich der Ebenheit der Oberfläche und die Ausdehnung des Kunststoffgehäuses ausgleichen kann, gelöst. Die Bewegungsfreiheit des koplanar anpassungsfähigen Stiftes wird in Bild 2 gezeigt.

Die zugrunde liegende Idee ist relativ simpel, man nimmt einem Stift mit einem kleineren Durchmesser als die Abmessung der Gehäusebohrung, die ihn aufnimmt. Der entscheidende Punkt ist, wie man diesen nach allen Seiten beweglichen Stift im Stiftleistengehäuse befestigen kann.

Der selbstsichernde „freibewegliche“ Lötstift zeichnet sich durch folgende Merkmale aus (auf den genauen mechanischen Aufbau soll an dieser Stelle nicht eingegangen werden):

Einmal durch die Bohrung des Stiftleistengehäuses gesteckt, arretiert der Stift, behält aber gleichzeitig seine Beweglichkeit in alle Richtungen und damit seine dynamische Anpassung an alle koplanaren Veränderungen bei. Abhängig von der Beschaffenheit der Leiterplatten-oberfläche und der Reflowtemperatur kann er jede Veränderung der Leiterplattenoberfläche und thermische Ausdehnung ausgleichen. Kontraktionen des Kunststoffgehäuses beeinflussen aufgrund der Beweglichkeit des Stiftes die Stabilität der SMT-Lötstelle nicht. Einen Querschnitt durch eine koplanar anpassungsfähige SMT-Leiterplatten-Stiftleiste, die selbstsichernde, bewegliche Lötstifte enthält, zeigt Bild 3.

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