Leiterplattensteckverbinder Tipps zur Materialauswahl bei BtB-Steckverbindern

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Bei der Auswahl des Werkstoffs für Leiterplattensteckverbinder spielen verschiedene Faktoren eine Rolle. Wesentlich sind Leitfähigkeit, Isolation, Festigkeit, Duktilität, Wärmeformbeständigkeit und Umweltaspekte, aber ebenso Normen und Verordnungen.

Steckverbinder für Leiterkarten sind ein wichtiger Bestandteil von elektronischen Geräten und Systemen. Sie dienen dazu, elektrische Verbindungen zwischen Leiterkarten herzustellen und ermöglichen den Austausch von Daten und Signalen. Je nach den Anforderungen des Kunden oder der Anwendung ergeben sich in verschiedenen Branchen unterschiedliche Auswahlkriterien für die Materialien eines Leiterkartensteckverbinders.

Zusätzlich schränken Normen, Richtlinien und Verordnungen wie RoHS und REACH die Vielfalt der Werkstoffe ein bzw. geben den Weg für die Materialauswahl vor. Bei der Auswahl des richtigen Werkstoffs für Leiterkartensteckverbinder spielen verschiedene Faktoren eine Rolle, die im Folgenden näher erläutert werden.

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Elektrische Eigenschaften: Leitfähigkeit und Isolation

Ein wichtiger Aspekt bei der Materialauswahl ist die elektrische Leitfähigkeit. Der Werkstoff sollte eine niedrige elektrische Widerstandsfähigkeit aufweisen, um einen reibungslosen Stromfluss zu gewährleisten. Häufig werden Kupferlegierungen wie Messing (CuZn), Bronze (CuSn) und Berylliumkupfer (CuBe) für Leiterkartensteckverbinder verwendet, da sie eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Neben dem Kontaktwerkstoff ist auch die richtige Kontaktbeschichtung wichtig.

Bevor der Kontaktgrundwerkstoff beschichtet wird, trägt man als Diffusionssperre in den meisten Fällen eine sogenannte Nickelsperrschicht auf. Zu den am häufigsten verwendeten Kontaktbeschichtungen gehören Gold, Silber und Zinn. Diese Materialien haben sich über die Jahre etabliert, da sie neben einer hohen elektrischen Leitfähigkeit auch gute bis sehr gute Löteigenschaften zeigen.

Für Anwendungen im Low-Cost-Bereich haben sich Zinn- und Flashgold-Beschichtungen bewährt. Zinn lässt sich gut löten und ist preisgünstig. Flashgold wird eingesetzt, wenn eine hohe elektrische Leitfähigkeit und ein Korrosions- und Vibrationschutz bei geringen Kosten gefordert sind.

Werden erhöhte Ansprüche an die Verschleißbeständigkeit, beispielsweise durch viele Steckzyklen, und an die Langlebigkeit der Steckverbinder gestellt, führt kein Weg an vergoldeten oder versilberten Steckkontakten vorbei. Besonders Goldbeschichtungen eignen sich für hohe Steckzyklen.

Bei Silberschichten ist zu beachten, dass sich im Laufe der Zeit eine Silbersulfidschicht bildet, welche unter Umständen zunächst vor dem Lötvorgang aufgebrochen bzw. aktiviert werden muss.

Darüber hinaus ist eine gute Isolationsfähigkeit wichtig, um Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Kontakten zu vermeiden. Diese Isolationsfähigkeit wird vom Kunststoff des Isolierköpers gefordert. Der Isolationswiderstand von Thermoplasten wie Polyamid (PA), Polyphenylensulfid (PPS) und Polybutylenterephtalat (PBT) liegt jeweils deutlich über 1 MΩ. Auch Regranulate dieser Kunststoffe bieten sehr hohe elektrische Isolationswiderstände.

Mechanische Eigenschaften: Festigkeit, Duktilität, Wärmeformbeständigkeit

Die mechanischen Eigenschaften des Kontakt- und des Isolierkörpermaterials sind entscheidend für die Stabilität und Haltbarkeit des Steckverbinders. Beide Werkstoffe sollten eine hohe Festigkeit aufweisen, um den Belastungen standzuhalten, die während des Steckvorgangs auftreten können. Gleichzeitig sollten die Materialien flexibel genug sein, um eine einfache Handhabung und Montage zu ermöglichen. Metalle wie Messing, Bronze und Berylliumkupfer eignen sich hierfür gut, da sie eine gute Kombination aus Festigkeit und Flexibilität bieten.

Bei den Kunststoffen haben sich glasfaserverstärkte Thermoplaste etabliert. Sie bieten hervorragende mechanische Eigenschaften und zudem eine hohe Wärmeformbeständigkeit. Die mechanischen Eigenschaften sind wichtig für die Kontaktierung der Steckverbinderpartner und bei Anwendungen mit mechanischen Belastungen wie Vibrationen.

Besonders kritisch ist die Wärmeformbeständigkeit von Leiterkartensteckverbindern, da diese Temperaturen bis zu 260°C aushalten müssen, ohne sich während des Lötprozesses zu verformen. Die Polyamide PA 4.6 und PA 6.6 bieten beispielsweise eine Wärmeformstabilität bis 290°C, wohingegen PBT mit einer Temperatur von 220°C an seine Grenzen stößt. Durch Additive kann die Temperatur der Wärmeformstabilität jedoch nach oben korrigiert werden.

Umweltbeständigkeit: Temperatur, Feuchte, Vibration, Chemikalien

Die Umweltbeständigkeit von Leiterkartensteckverbindern ist ebenfalls wichtig, da sie in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden. Die Steckverbinder müssen in der Lage sein, unterschiedlichen Belastungen standzuhalten, denen sie ausgesetzt sind. Sei es durch Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, Vibrationen oder chemische Einflüsse.

Ein zentraler Aspekt der Umweltbeständigkeit von Leiterkartensteckverbindern ist ihre Temperaturbeständigkeit. Sie müssen sowohl extremer Hitze als auch Kälte standhalten, ohne dass ihre Funktionstüchtigkeit beeinträchtigt wird. Dies ist besonders wichtig in Anwendungen wie der Automobilindustrie, in der die Steckverbinder i.d.R. hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

Darüber hinaus müssen Leiterkartensteckverbinder feuchtigkeitsbeständig sein. Feuchtigkeit kann zu Korrosion führen und die elektrische Leistungsfähigkeit der Steckverbinder beeinträchtigen. Daher werden spezielle Beschichtungen und Materialien verwendet, um die Steckverbinder vor Feuchtigkeit zu schützen.

Vibrationen sind ein weiterer Faktor, der die Umweltbeständigkeit von Leiterkartensteckverbindern beeinflusst. In einigen Anwendungen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie, gibt es starke Vibrationen. Daher müssen die Steckverbinder so konstruiert sein, dass sie diesen Vibrationen standhalten und ihre Verbindung intakt bleibt.

Last but not least müssen Leiterkartensteckverbinder auch gegenüber Chemikalien beständig sein. In einigen Anwendungen können sie mit aggressiven Chemikalien in Kontakt kommen, die ihre Funktionalität stören.

Verpackungsmaterialien: Stangenmagazin oder Blistergurt?

Verpackungsmaterialien sind für die automatisierte Bestückung von Leiterkarten wichtig. Täglich werden tausende elektronische und elektromechanische Bauteile passgenau auf die Leiterplatte gesetzt, um die Funktion eines Gerätes oder Systems zu gewährleisten. Um den Aufwand gering zu halten und eine hohe Wiederholgenauigkeit zu erreichen, werden spezielle Verpackungsformen für die automatisierte Bestückung verwendet.

In den Anfangszeiten der automatisierten Bestückung wurden Steckverbinder in Stangenmagazinen und optionalen Bestückungshilfen verpackt. Heute geht der Trend zu Blistergurten, auch bekannt als „Tape & Reel“, und optionalen Bestückungshilfen. Beide Verpackungsformen wurden speziell für die automatisierte Bestückung entwickelt. Sie werden nach dem gleichen Prinzip einem Feeder zugeführt.

Nachdem die Steckverbinder in die Verpackung eingelegt wurden, werden sie entweder mit oder ohne Bestückungshilfe von einem Roboterarm an die vorgesehene Stelle auf der Leiterplatte platziert. Der Roboterarm verfügt entweder über einen mechanischen Greifer oder eine Venturi-Düse, um die Steckverbinder zu handhaben.

Die Auswahl der Verpackungsform hängt von den vorhandenen Maschinen und den Kapazitäten des Kunden ab. Stangenmagazine werden häufig bei kleineren Stückzahlen und in der Prototypenphase verwendet. Blistergurte kommen bei höheren Stückzahlen und in der Serienfertigung zum Einsatz, da sie wesentlich mehr Steckverbinder aufnehmen können. Die Verpackungsmaterialien für Leiterkartensteckverbinder sind daher speziell auf die Anforderungen der automatisierten Bestückung abgestimmt und bieten eine effiziente und präzise Lösung für die Montage von Bauteilen auf Leiterplatten.

Fazit: Die Auswahl der Kontakt- und Isolierkörpermaterialien für Leiterkartensteckverbinder erfolgt nach den Anforderungen des Kunden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Steckverbinder optimal für die jeweilige Anwendung geeignet ist. Es ist von Vorteil, diese Anforderungen bereits in einem frühen Stadium des Entwicklungsprojekts zu klären.

Je früher die Anforderungen an den Steckverbinder festgelegt sind, desto besser kann mit der Umsetzung oder Entwicklung des Steckverbinders begonnen werden. Sowohl kleine Anpassungen als auch vollständige Neuentwicklungen sind möglich. (kr)

* Stefan Suchan ist leitender Entwicklungsingenieur Steckverbinder bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid.

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