Koplanarer, SMT-fähiger Leiterplattensteckverbinder

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WECO Contact GmbH

Lösung für Koplanaritäts- und Wärmeausdehnungsprobleme

Die Stiftleisten mit selbsthaltenden freibeweglichen Lötstiften wurden auf ihre SMT-Fähigkeit hin geprüft. Vollkommene Koplanarität wurde erzielt. Leiterplatten, die nach dem Reflowprozess um 0,5 mm durchgebogen waren, wiesen noch perfekte Lötverbindungen auf.

Es konnte keine Beschädigung an der Lötstelle durch die thermische Fehlanpassung beobachtet werden. Die Lötverbindungsfestigkeit von nur einem einzelnen selbsthaltenden Löt-stift ist extrem hoch. Ein typischer Wert liegt bei 10 N pro Stift.

Man kann davon ausgehen, dass eine Klemme, die mit diesen SMT-Lötstiften ausgerüstet ist, die Lösung für alle Koplanarititäts- und thermischen Fehlanpassungsprobleme bietet.

Bewegliche Flanschelemente

Das Konzept der beweglichen Lötpins übertrug man auf die Flanschelemente, die viele Leiterplattensteckverbinder vor mechanischer Überlastung schützen. Als Resultat führte WECO im Jahr 2007 das koplanare zylindrische „Ankerelement“ für die meisten vertikalen SMD-Produkte ein.

Die derzeit verwendeten beweglichen Flanschelemente bieten die gleichen Vorteile wie die oben beschriebenen beweglichen Lötpins: Sie gewährleisten eine perfekte Anpassung an die Ebene der Leiterplatte. Unterschiede in der Lotpastendicke werden ausgeglichen. Das Element findet innerhalb eines Bereiches von ca. 0,5 mm selbstständig seine optimale Position in vertikaler Richtung. Die Qualität der Lötstelle ist perfekt, die Kräfte beim Anschließen der Gegenstücke (im Fall von Steckverbindern) oder der Leiter (im Fall von Leiterplattenklemmen) werden an der richtigen Stelle abgefangen. Mechanische Spannungen durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten werden am Flansch vermieden.

Robustes Design und mechanische Präzision

Warum ist es so wichtig einen Steckverbinder bzw. eine Leiterplattenklemme äußerst robust zu gestalten und mit der Leiterplatte zu verbinden? Die Klemmen müssen sich gegen zwei völlig unterschiedliche Arten von mechanischer Beanspruchung behaupten: Das Drehmoment muss abgefangen werden, wenn der Endkunde seine Leiter mit einem Schraubendreher anschließt. Leiterauszugskräfte müssen in Tests und in der Realität nachweislich ausgehalten werden, um sicher zu stellen, dass die Klemmelemente dauerhaft guten Kontakt schaffen.

Leiterplattenklemmen mit „gull wing“-förmigen Lötbeinen, die nur an der Rückseite der Klemme montiert sind, wären ohne Flansch einer Zugkraft nach oben schutzlos ausgeliefert. Das Aufbringen von Drehmomenten würde die dünnen L-förmigen Anschlüsse schädigen.

Widerspruch zwischen anpassungsfähig und robust

Eine Herausforderung war es, den Widerspruch zwischen „beweglich gelagert und anpassungsfähig” und „robust und zuverlässig“ aufzulösen. Anhand der Leiterplattenklemme von Bild 4 und dem Querschnitt durch das darin benutzte Flanschelement (Bild 5) soll die Funktionsweise erläutert werden:

Das zylindrische Flanschelement wird, nachdem die Anschlusspins zuvor auf die gleiche Position in das Gehäuse eingepresst wurden, von oben in den Flansch eingedrückt. Dabei wird es in einer Verjüngung von einem im Flansch befindlichen Schnapphaken aus hochtempera-turfestem Kunststoff gehalten. Nach dem Einschnappen hat das Element nach unten ca. 0,3 mm Spiel. Auch nach rechts und links sowie vorne und hinten ist es ein bisschen beweglich. All dies gilt vor dem Reflowlöten.

Nach dem Reflowlöten hat sich das Flanschelement optimal der Leiterplatte und der Lotpaste angepasst. Der unterschiedliche Wäremeausdehnungskoeffizient von Kunststoffgehäuse und Leiterplatte führt dank seitlichem Spiel von ca. 0,1 mm nicht zu Spannungen.

Wenn man nun versucht, das Klemmengehäuse nach oben zu ziehen, ist der Fuß des Lötflansches mit der Leiterplatte bereits fest verlötet. Das Gehäuse ist mit dem Schnapphaken am unteren Rand der Verjüngung befestigt und lässt sich nach oben um maximal 0,2 mm anheben. Sobald jedoch eine äußere Kraft zu diesem Anheben führt, addieren sich die Haltekräfte von Flanschelement und SMD-Lötpins.

Da eine äußere Kraft in der Regel durch die angeschlossenen Leiter erfolgt, ist der Mittelpunkt des Flanschelementes gegenüber dem Mittelpunkt der Anschlussschrauben nach vorne versetzt, um dort zu wirken, wo die Kraft eingeleitet wird.

Bewegliche Anschlusselemente

Eine weitere Anwendung von beweglichen Elementen ist es, die Anschlussbuchse einer Leiterplattenklemme als Ganzes so zu gestalten, dass sie sich der Leiterplatte bzw. der Lotpaste anpasst. Das Unternehmen arbeitet seit 8 Jahren an Baureihen, die mit echter SMD-Technik Bohrungen in Leiterplatten überflüssig machen. Diese Produkte werden (zusammen mit den ebenfalls vorhandenen THR-Serien) unter dem Markennamen SMarTconn entwickelt und vertrieben.

Zur electronica 2010 soll die fünfte Generation der SMarTconn-Produkte vorgestellt werden. In Nordamerika wird im IPC Standardization Committee daran gearbeitet diese SMD-Produkte zur Grundlage einer neuen Norm zu machen.

*Dipl.-Ing. Alex Cristescu ist bei WECO Electrical Connectors Inc. in Montreal, Kanada, als Entwicklungsleiter tätig. Dipl.-Ing. Stefan Wiechert ist Entwicklungsleiter bei der WECO Contact GmbH in Hanau.

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