Leiterplattensteckverbinder Risiken beim Einsatz von Leiterkartensteckverbindern

Anbieter zum Thema

Fischer Elektronik GmbH & Co. KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Um eine Steckverbindung sicher zu gestalten, müssen verschiedene Parameter aufeinander abgestimmt werden. Das betrifft die Paarung von Stecker und Buchse und die Schichtstärken genauso wie die Fertigungsexpertise und Produktqualität des Herstellers.

Für eine beständige Verbindung auf der Leiterplatte ist nicht nur die applikationsgerechte Qualität der Steckverbinder ausschlaggebend, sondern auch die korrekte Auswahl von Paarungen und Spezifikationen. Einige Kombinationen oder eine schlechte Steckverbinderauswahl führt zu Schäden an der Elektronik, im schlimmsten Fall zu einem Ausfall des Systems. Worauf bei der Steckverbinderauswahl zu achten ist und wie sich potenzielle Risiken vermeiden lassen, wird in diesem Artikel näher beschrieben.

Die richtige Paarung für die jeweilige Anwendung

Damit eine Kombination zwischen einer Stift- und Buchsenleiste langlebig und beständig ist, gilt es beide Komponenten aufeinander abzustimmen. Dabei sind die Oberfläche und Geometrie beider Bestandteile essenziell.

Bildergalerie

Entscheidet man sich buchsenseitig für einen Gabelkontakt, ist es für anspruchsvolle Applikationen nicht ratsam, stiftseitig eine Präzisionsstiftleiste mit rundem Kontaktquerschnitt zu verwenden. Auf diese Weise reduziert man die Kontaktfläche auf ein Minimum, da die Vorspannung des Gabelkontaktes lediglich von zwei Seiten Kraft auf den Stift ausübt.

An diesen Stellen trifft die flache Seite des Gabelkontaktes auf die runde Geometrie des Kontaktstiftes, was die Berührungsfläche klein hält. Der geringe Übergangsquerschnitt begünstigt ungewollte Wärmebildung und Verschleiß auf der Kontaktfläche.

Andersherum ist die Kombination aus einem recht­eckigen Pfosten und einer runden Präzisionsbuchse gut möglich, da die Präzisionsbuchse den Pfosten mit ihren Kontaktfingern von mehreren Seiten berührt und somit multiple Kontaktflächen generiert.

Ebenfalls optimal ist die Kombination zwischen sortenreinen Steckverbindern. Bei der Verwendung von rechteckigen Stiftleisten zu rechteckigen Gabelkontakten in einer Buchsenleiste erhält man eine große Kontaktfläche und vermeidet zu kleine Kontaktflächen. Gleiches gilt für die Kombination von Präzisionsbuchsenleisten mit Präzisionsstiftleisten. Hier wird ebenfalls eine ausreichend große Kontaktfläche generiert mit Berührungsflächen auf bis zu sechs Seiten (Bild 1).

Stift und Buchse: Die Abstimmung der Größen

Zusätzlich ist die Abstimmung der Kontaktgrößen von großer Bedeutung. Der Querschnitt des Stiftes muss zur Vorspannung der Buchse passen. Anderenfalls besteht die Gefahr, dass die Kontaktierung bei zu kleinem Stiftquerschnitt zeitweise nicht gegeben ist und kein Strom fließt. Auf der Gegenseite steht ein zu großer Stiftquerschnitt gegenüber der Buchse. Sofern der Kontakt noch in die Buchse passt, erfahren beide Seiten sehr hohe Steck- und Ziehkräfte, was zu einer stark erhöhten Abnutzung der Oberfläche führt und die maximale Anzahl an Steckzyklen verringert. Zusätzlich wird die Kontaktfeder über den vorgesehenen elastischen Bereich hinaus gedehnt und folglich plastisch verformt. Eine Verwendung der Buchse mit einem normalerweise kompatiblen Stift ist dann nicht mehr möglich.

Eine weitere Gefahr bei der Paarung stellt die Kombination aus einer Zinnoberfläche und einer Goldoberfläche dar. Wirken mehrere Steckzyklen auf die Paarung oder ist die Leiterplatte Vibrationen durch einen in der Nähe verbauten Lüfter ausgesetzt, kommt es zu einem starken Abrieb des Zinns.

Grund hierfür ist die deutlich höhere Härte der Goldschicht. Diese begünstigt eine schnellere Abnutzung der weicheren Zinnschicht. Wird die Veredelungsschicht bis auf den Kupfergrundwerkstoff hin abgerieben, beginnt das Kupfer zu oxidieren und erschwert somit eine angemessene Kontaktierung aufgrund einer hemmenden Passivschicht. Diese Passivierung weist einen deutlich höheren Übergangswiderstand auf und zieht sich mit fortschreitender Zeit über die gesamte Steckverbindung hinweg.

Haltekräfte der Kontakte im Isolierkörper

Bei der Verwendung von vielpoligen Leiterkartenkartensteckverbindern tritt dieses Problem häufig nicht in Erscheinung, da die Belastung auf die Stift- oder Buchsenleiste auf mehrere Kontakte aufgeteilt wird. Die Rede ist von zu geringen Haltekräften der Kontakte im Isolierkörper, was zum Verrutschen des Isolierkörpers entlang der Kontakte führt. Folglich findet keine genaue Definition von Löt- und Steckseite statt und es kommt im schlimmsten Fall zur Trennung von Isolierkörper und Kontakt, was ein Versagen der Steckverbindung mit sich zieht.

Bei Steckverbindern mit geringerer Polzahl tritt dieses Problem häufiger auf. Eine Kräfteverteilung findet hier nicht in dem Maß statt, wie es bei beispielsweise einer vollpoligen Leiste der Fall ist. Im Fall der Buchsenleisten lässt sich dieses Risiko durch eine Fixierung des Kontaktes durch Hinterschnitte im Isolierkörper bannen und eine formschlüssige Verbindung realisieren.

Stiftleisten sind von dem Problem geringer Haltekräfte häufiger betroffen. Die einfache und gerade Geometrie der Kontakte erschwert die Befestigung im Isolierkörper, weshalb ein stabiler Sitz im Isolierkörper unabdingbar ist. Dieser wird bei Fischer Elektronik durch enge Fertigungstoleranzen für die Kontakte und den Isolierkörper realisiert. Darüber hinaus ermöglicht eine regelmäßige Überprüfung der Haltekräfte im Fertigungsprozess ein konstantes Qualitätsniveau.

Whisker als Kurzschlussgefahr

Einige Metallwerkstoffe neigen unter großen Eigenspannungen zur Whisker-Bildung. Whisker sind mikroskopisch kleine Zinn-Nadeln, die sich bei steigender Eigenspannung in der metallischen Oberflächenbeschichtung bilden. In extremen Fällen werden diese Nadeln mehrere Millimeter lang.

Wie bereits im vorherigen Abschnitt beschrieben, erfährt ein Kontakt hohe Spannungen, damit ein fester Sitz im Isolierkörper realisiert wird. Kritisch zu betrachten ist die Bildung von Whiskern, wenn es sich um einen verzinnten Kontakt handelt, da Zinn vermehrt zu Whisker-Bildung neigt. Schlussendlich besteht die Gefahr, dass dieser Whisker eine Verbindung zwischen zwei benachbarten Kontakten herstellt.

Sobald die Steckverbindung im Anwendungsfall bestromt wird, kommt es unmittelbar zu einem Kurzschluss der Elektronik, was im schlimmsten Fall einen Systemausfall zu Folge hat.

Bei der Herstellung können
diese Whisker über das Abblasen mit Druckluft, gefolgt von einer präzisen Kameraüberwachung, eliminiert werden.

Veredelungsschichtstärken

Einige Anbieter von Leiterkartensteckverbindern bieten verschiedene Schichtdickenstärken auf Kontakten an. Einen immer häufigeren Einsatz findet eine Flash-Goldschicht – gut leitend, eine minimale Schichtstärke von 0,02 µm Gold, ressourcenschonend und für viele Anwender besonders wichtig – attraktiv im Preis. So zahlreich die Vorteile dieser Veredelung auch sein mögen, birgt auch sie Risiken. Obwohl die Leitfähigkeit einer Flash-Goldschicht einer Standard-Schichtdicke mit 0,2 µm bei der Leitfähigkeit in nichts nachsteht, ist sie dennoch um ein Vielfaches dünner und nutzt sich deutlich schneller ab (Bild 2). Für Applikationen, in denen die Verbindung häufig getrennt und wieder miteinander verbunden wird, ist eine Flash-Goldschicht ungeeignet.

Kleinere Rastermaße

Die moderne Elektroindustrie ist stark durch Miniaturisierung geprägt. Insbesondere auf der Leiterplatte macht sich dieser Trend bemerkbar, weshalb die Leiterplattengrößen stetig abnehmen. Diese Miniaturisierung findet auch beim Rastermaß von Leiterplattensteckverbindern statt. Das gängige Rastermaß von 2,54 mm wird demnach oftmals auf Rastermaße wie 1,27 mm verkleinert (Bild 3).

Hier muss unbedingt beachtet werden, dass ein kleiner werdender Steckverbinder keinen vollständigen Ersatz für den Vorgänger des größeren Rastermaßes darstellen kann. Ein Steckverbinder mit größerem Raster hat einen größeren Kontaktquerschnitt und ist daher für höhere Stromstärken ausgelegt. Leitet ein Steckverbinder aus dem Rastermaß 1,27 mm die maximale Stromstärke eines Steckverbinders aus dem Rastermaß 2,54 mm, entsteht hier die Gefahr starker Wärmeentwicklung und folgender Überhitzung. Zu hohe Temperaturen wirken sich negativ auf die gesamte Elektronik aus und verkürzen die Lebensdauer von aktiven Komponenten drastisch.

Fehlerquellen kennen und umgehen

Damit eine Steckverbindung sicher und anhaltend gestaltet ist, gibt es einige Parameter, die aufeinander abzustimmen sind, um Gefahren wie Überhitzung, Versagen oder Kurzlebigkeit entgegenzuwirken. Einige dieser Punkte können durch die Wahl der richtigen Spezifikationen eliminiert werden. Wie bereits im ersten Abschnitt beschrieben, wird bereits eine Vielzahl an Fehlerquellen durch die korrekte Kombination aus Stift- und Buchsenleiste ausgeschlossen. Andere Faktoren sind auf die Fertigungs- und Produktqualität des Herstellers zurückzuführen. Daher ist es zu empfehlen, die oben genannten Faktoren und Spezifikationen beim Hersteller anzufragen, um eine optimale Steckverbindung zu realisieren. (kr)

* Timon Dahlhaus ist Entwicklungsingenieur für Leiterkartensteckverbinder bei Fischer Elektronik.

(ID:49964116)