SKEDD – Die Evolution der Einpressverbindung

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Die aus der Literatur der Steckverbinder bekannten Mindest-Normalkräfte der Kontaktpartner sind über die SKEDD-Kontaktgeometrie sowie die richtige Wahl des Basismaterials einfach realisierbar. Die Auswahl der Kontaktoberfläche richtet sich, wie bei üblichen Steckverbindern auch, nach den Umweltanforderungen.

Die Oberflächenempfehlungen für Steckverbindungen gelten in gleicher Weise für SKEDD. Wichtig dabei ist, dass alle gängigen Oberflächen, wie Zinn, Silber, Gold auch für die Leiterplatte als Kontaktpartner zur Verfügung stehen, so dass es bei der Direktverbindung zwischen Kontaktelement und Leiterplatte oberflächenseitig keine Einschränkungen gibt.

Die Kontaktgeometrie des Steckverbinders im Detail

Sehen wir uns die spezielle Kontaktgeometrie im Detail an, da die dafür sorgen muss, dass vergleichbar gute Anbindungsverhältnisse zwischen Pin und Leiterplatte realisiert werden, wie bei einer Einpressverbindung. Der Hochstromkontakt besteht aus vier Schenkeln bzw. zwei Schenkelpaaren, die sich als unabhängige Federn immer an den Durchmesser der Leiterplatten-Kontakthülse anpassen können.

Die dabei realisierte Kontakt-Normalkraft ist so hoch, dass eine sichere elektrische Verbindung vorliegt, aber auf der anderen Seite so niedrig, dass sich auch höherpolige Steckverbinder ohne weiteres reversibel von Hand stecken und wieder lösen lassen. So gesehen funktioniert ein SKEDD-Steckverbinder wie ein ganz gewöhnlicher Stecker – mit der Leiterplatte als Steckdose.

SKEDD managed Freiheitsgrade

Bei einer Steckverbindung mit der Leiterplatte als Kontaktpartner gibt es Herausforderungen, die man zuvor bedenken muss. Eine Leiterplatte, die z.B. Temperaturwechseln ausgesetzt ist, wird ein thermisches Ausdehnungsverhalten zeigen. Physikalisch gesprochen sind es Freiheitsgrade, die man im Griff haben muss. Ebenso ist man stets mit prozessbedingten Toleranzen der Kontaktpartner konfrontiert, die über das Konstruktionsprinzip der Verbindungstechnologie abzufangen sind. Bei Steckverbindern sind dies z.B. Rastertoleranzen, bei der Leiterplatte Toleranzen der Enddurchmesser der Durchkontaktierungen oder ebenfalls Rastertoleranzen bei Lochbildern.

Die genannten Freiheitsgrade werden von SKEDD zuverlässig beherrscht. Dass dies so ist, liegt am Konstruktionsprinzip des Kontakts (Bild 2).

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Der Kontakt wird stanztechnisch am Band hergestellt. Seine doppelschenklige Konstruktion wird mittels eines hochpräzisen Biegeprozesses realisiert, der zwei einzeln ausgestaltete Schenkel-Paare exakt zueinander positioniert. Dieses kombinierte Stanz- und Biegekonzept hat noch den weiteren Vorteil, dass die Crimpzone des elektrischen Kontakts und seine Kontaktierungszone in der Leiterplatte in zwei unterschiedlichen Materialstärken realisiert werden können – und das, obwohl der Gesamt-Kontakt aus nur einem Teil gestanzt ist.

Dies trägt Anforderung Rechnung, dass die Materialstärke eines Kontakts im Crimpzonen-Bereich nicht zu groß sein darf, während man sich im Kontaktzonenbereich im Sinne einer guten elektrischen Anbindung (durch die Faltung) die doppelte Materialstärke realisieren lässt. Auf diese Weise verbinden sich beim SKEDD-Design zwei Aspekte in hervorragender Weise: Unterschiedliche Designansprüche an einzelne Kontaktzonen werden mit einem schlanken, materialsparenden Herstellungsverfahren verbunden. Die Kontaktgabeln können sich im Sinne einer möglichst flexiblen Anpassung an die Geometrie des Kontaktpartners mechanisch entkoppelt ausrichten, bleiben dabei aber im Sinne einer optimalen Stromverteilung elektrisch immer gekoppelt (Bild 3).

SKEDD ist eine reversible Steckverbindung

Der Stecker realisiert ein reversibles Verbindungskonzept. Das heißt, dass Komponenten oder Steckverbinder, die mittels einer SKEDD-Verbindung an eine Leiterplatte angebunden werden, auch über viele Steckzyklen hinweg wieder reversibel lösbar sind. Dies bedeutet drei Herausforderungen für die Verbindungslösung:

• Die Steckkraft, und damit (über den Reibungskoeffizienten) die Kontakt-Normalkraft muss groß genug sein, um einen hinreichend kleinen Übergangswiderstand (im Falle von SKEDD ca. 200 bis 250 µΩ) zu realisieren.

• Die Steckkraft muss jedoch klein genug sein, um von Hand auch höherpolige Stecker noch gut montieren zu können.

• Kontaktmaterial und Kontaktgeometrie müssen so zusammenspielen, dass neben einer möglichst hohen Leitfähigkeit des Materials und einer ausreichend hohen Restelastizität die Materialspannungen während des Steckvorgangs und im gesteckten Zustand niemals in einem Bereich sind, der das Basismaterial des Kontakts irreversibel verformt. Nur so ist sichergestellt, dass der Kontakt über viele Steckzyklen hinweg sicher und zuverlässig funktioniert. Der Kontakt wurde diesbezüglich für 50 Steckzyklen qualifiziert.

Die Gabel hat zwei Drehpunkte (Bild 4). Der erste Drehpunkt befindet sich im Scheitel der beiden Schenkel. In diesem Designpunkt des Kontaktes wird die Federkraft, d. h. die Federkonstante, beim Steckprozess eingesteckt. Beim Steckprozess ist die Gabel offen und die Elastizität kommt nur über den Scheitelbereich. Dieser Bereich ist genau so ausgelegt, dass einerseits moderate Steckkräfte, andererseits ausreichende Kontakt-Normalkräfte vorhanden sind.

Im gesteckten Zustand ist der Kontakt so konzipiert, dass die Gabel exakt geschlossen ist. Mechanisch bedeutet das, dass sich das Verhalten der Feder, d.h. ihre Steifigkeit, sprunghaft verändert. Damit wird die Feder wesentlich robuster gegenüber Erschütterungen oder Vibrationsbewegungen. Das ist wiederum wichtig, weil man im gesteckten Zustand vermeiden muss, dass es unter mechanischer Belastung zu einer Kontaktunterbrechung kommt. Dies wird über das beschriebene Federprinzip realisiert.

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