Leiterplatten-Steckverbinder: Löttechniken und Einpresstechnik im Vergleich

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Neben den Lötverfahren THT, SMT und THR wird auch vermehrt auf die Einpresstechnik gesetzt, um eine dauerhafte Verbindung mit der Leiterplatte herzustellen. Ein Leitfaden zu Leiterplatten-Steckverbindern.

Leiterplattensteckverbinder werden verwendet, um Ströme innerhalb einer oder zwischen mehreren Leiterplatten zu leiten. Die meisten elektronischen Geräte beinhalten eine Leiterplatte, auf der mindestens ein Leiterplatten-Steckverbinder verbaut ist. Dabei spielt es im ersten Schritt keine Rolle, in welcher Applikation der Leiterplatten-Steckverbinder eingesetzt wird.

Sobald jedoch spezifische Normen wie beispielsweise im Automobilbereich oder der Bahntechnik auf den Leiterplatten-Entwickler zukommen, muss er genau darauf achten, welcher Leiterplatten-Steckverbinder alle Normen erfüllt.

THT und SMT – Die etablierten Lötverfahren

Die älteste und immer noch am weitesten verbreitete Löttechnologie ist das Wellenlöten, im englischen auch „Through Hole Technology“ (THT) genannt. Beim Wellenlöten werden die THT-Steckverbinder durch die vorgefertigten Bohrungen der Leiterplatte gesteckt und auf der Unterseite der Leiterplatte durch eine Lötwelle mit Lötzinn benetzt.

Um ein Verschieben oder Herausfallen der THT-Steckverbinder während des Lötverfahrens zu vermeiden, werden die Steckverbinder in den meisten Fällen mit einem Epoxidharz auf dem Isolierkörper mit der Leiterkarte verbunden.

Bei der Oberflächenmontage, auch „Surface Mounting Technology“ (SMT) genannt, wird das SMD-Bauteil auf vorgefertigte Lötpads gelegt und durch einen Reflow-Ofen mit mehreren Zonen gefahren. In den Zonen wird die Temperatur so weit gesteigert bis eine Löttemperatur von 230 bis 260°C erreicht ist. Bei diesen Temperaturen ist das Lötpad vollständig aufgeschmolzen und benetzt die einzelnen Lötkontakte.

Anschließend wird die Temperatur in den nachfolgenden Zonen langsam heruntergefahren, damit das Lot aushärten kann, ohne durch einen zu starken Temperatursturz aufzuplatzen.

Das beste aus beiden Welten: Through Hole Reflow

Das „Through Hole Reflow“-Löten ist eine Kombination der zuvor genannten Verfahren und kombiniert einen THT-Steckverbinder mit dem Reflow-Löten. Die Besonderheit der THR-Steckverbinder liegt darin, dass der Einlötbereich der Kontakte nur 2 bis 2,5 mm lang ist.

Der Einlötbereich darf aufgrund der Kapillarwirkung der Lotpaste nicht länger gewählt werden, da sonst die Lotpaste während des Reflow-Prozesses am Kontakt herunterfließen könnte.

Die vorgefertigten Leiterplattenbohrungen werden zu etwa 75% mit einer Lotpaste gefüllt. Anschließend wird der THR-Steckverbinder in die Leiterplatte gesteckt. Äquivalent zum SMT-Verfahren wird die Leiterplatte durch den Reflow-Ofen gefahren und die Lotpaste aufgeschmolzen, um den Steckverbinder mit der Leiterplatte zu verbinden.

Spezielle Anwendungsbereiche gibt es für die Leiterkartensteckverbinder der einzelnen Löttechnologien nicht, jedoch werden SMT- und THR-Steckverbinder häufig in sehr kleinen Applikationen und mit einem hohen Automatisierungsgrad verwendet.

Die Bereiche Automotive, Bahntechnik und Luft- und Raumfahrt werden in den vergangenen Jahren vermehrt mit Einpress-Steckverbindern versorgt, da bei diesen Steckverbindern eine höhere Vibrationsfestigkeit vorliegt. Die THT-Steckverbinder werden in „Standardanwendungen“ verwendet, in denen meist keine hohen Anforderungen und spezifische Normen gefordert sind.

Einpresstechnik als Alternative zu Lötverfahren

Eine Alternative zu den drei genannten Lötverfahren stellt die Einpresstechnik dar. Hierbei wird ein Einpressstift in ein Loch einer Leiterplatte gepresst. Der Stiftdurchmesser ist größer ist als der Durchmesser des Lochs in der Leiterplatte, das entweder metallisiert ist oder mit einer Kupferhülse versehen ist.

Je nachdem wie die Überpressung aufgenommen wird (durch die Verformung im Loch oder die Verformung des Stiftes), unterscheidet man zwei Arten der Einpresstechnik: Massive (starre) und flexible (elastische) Einpressstifte.

Bei der starren Einpresstechnik wird die Leiterplatte im Bereich der Bohrung deformiert, was dafür sorgt, dass eine elektrische Verbindung zwischen der Hülse in der Leiterplatte und dem Einpresskontakt entsteht. Diese Einpress-Steckverbinder werden meist mit einer Vorrichtung und einer Kniehebelpresse in die Leiterplatte gedrückt, da hohe Kräfte zum Einpressen notwendig sind.

Elastische Stifte zeichnen sich durch unterschiedliche Verformungszonen aus. Bei dieser Technik wird der Einpresskontakt in der Einpresszone zusammengedrückt, wodurch eine feste Verbindung zwischen dem Loch in der Leiterplatte und dem Einpresskontakt entsteht.

Ein Beispiel ist die Direktstecktechnik SKEDD (Wire-to-Board). Dabei wird ein Stanzkontakt mit Federeigenschaften zur direkten Kontaktierung in die metallisierten Bohrlöcher in der Leiterplatte eingesetzt. Genutzt wird dabei das Prinzip der elektrischen Kontaktierung an vier Kanten in der Leiterplattenbohrung. Die Verbindung kann auch wieder gelöst werden.

Wire-to-board-Steckverbinder

SKEDD-Direktstecktechnologie im Härtetest

Das Einpressen ist bei der starren und flexiblen Technik sowohl automatisiert als auch manuell möglich. Bei der Ausführung des Einpressbereiches verwendet so gut wie jeder Steckverbinderhersteller unterschiedliche Systeme. Der Stift- bzw. Buchsenkontakt kann gedreht oder gestanzt sein. Anwendungsgebiete von Einpresssteckverbindern finden sich häufig in den Bereichen Automotive, Bahntechnik sowie Luft- und Raumfahrt.

Vor- und Nachteile der Verbindungstechnologien

Die Vorteile der drei Lötverfahren liegen darin, dass diese Verfahren seit Jahrzehnten bestehen und sich bei den Leiterplattenbestückern etabliert haben. Des Weiteren wird gerade bei den beiden Reflow-Lötverfahren SMT und THR ein hoher Automatisierungsgrad durch Verpackungsoptionen wie Tape-und-Reel oder auch Trays und Stangenmagazine erreicht.

Die Nachteile der Lötverfahren liegen darin, dass sie störanfälliger sind als die Einpresstechnik. Sobald die Einpresssteckverbinder in der Vorrichtung sind, ist ein fehlerhaftes Einpressen nahezu ausgeschlossen. Bei den Lötverfahren könnte es zum Verrutschen oder fehlerhaften Verbinden mit der Leiterplatte kommen, wenn beispielsweise die maximale Löttemperatur nicht erreicht wurde oder eine Koplanarität von SMD-Steckverbinder und Lötpad nicht gegeben ist.

Nachteilig bei der starren Einpresstechnik sind aufwändige Einpressvorrichtungen, welche individuell auf die einzelnen Steckverbinder angepasst werden müssen, damit der Steckverbinder zerstörungsfrei eingepresst werden kann. Das umgeht die SKEDD-Technik.

Ein großer Vorteil von beiden Verbindungstechniken liegt in der elektrisch und mechanisch guten Verbindung mit der Leiterplatte. Die meisten Leiterplattensteckverbinder, sowohl bei den drei Lötverfahren als auch bei der Einpresstechnik, sind unempfindlich gegenüber leichten Vibrationen und störungsresistent.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Elektromechanik III der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

Fazit: Alle vorgestellte Verbindungstechniken haben Vor- und Nachteile und sind für eine Applikation besser oder schlechter geeignet. Der Leiterplatten-Entwickler muss in Zusammenarbeit mit den Steckverbinderherstellern entscheiden, welcher Leiterplattensteckverbinder am besten zu seiner Anwendung passt, damit über die Laufzeit der Anwendung keine Fehler auftreten.

Kontakttechnik

SKEDD – Die Evolution der Einpressverbindung

* Stefan Suchan ist als Konstruktions- und Entwicklungsingenieur von Steckverbindern bei der Firma Fischer Elektronik GmbH & Co. KG in Lüdenscheid tätig.

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