Stefan Suchan, Fischer Elektronik, Lüdenscheid
Die Einsatzgebiete von Leiterkartensteckverbindern sind sehr vielfältig und können nicht auf eine Applikation oder eine Spezifikation eingegrenzt werden. Dabei gibt es in den verschiedenen Bereichen auch unterschiedliche Leistungsmerkmale und Anforderungen an die entsprechenden Steckverbinder.
Neben einer hohen Wärmeformbeständigkeit des Kunststoffes, spielen auch die Schichtstärke der Kontaktoberfläche und die gewählte Verpackungsform eine entscheidende Rolle.
Des Weiteren stellen sich beim Kunden häufig Fragen zu den maximalen Steckzyklen, der Strombelastbarkeit der einzelnen Kontakte und der Spannungsfestigkeit der Steckverbinder. In diesem Fachbeitrag werden fünf Anwendungsgebiete näher betrachtet und die wichtigsten Spezifikationen aufgezeigt.
1 Steuerungs- und Regelungstechnik
In der Steuerungs- und Regelungstechnik gibt es diverse Anwendungsbereiche für Leiterkartensteckverbinder. Bei vielen Steuergeräten werden die einzelnen Module mithilfe von Stift- und Buchsenleisten kontaktiert. Dabei gilt es zu beachten, dass Stift- und Buchsenkontakte mit einer guten Vibrationsfestigkeit gewählt werden. In vielen Fällen werden die Steckverbinder in rauen Fertigungsumgebungen eingesetzt und müssen diesen auch standhalten. Besonders in der Steuerungs- und Regelungstechnik ist ein Ausfall der Steckverbinder ein großes Problem, da häufig komplexe Maschinen und Anlagen mit den Steuer- und Regeleinheiten verbunden sind und es somit zu einem Maschinenstillstand kommen kann. Um diesem Ausfall vorzubeugen sollten gedrehte Präzisionskontakte bei den Buchsenleisten verwendet werden und nicht gestanzte Gabelkontakte. Durch die Kontaktgeometrie der gedrehten Präzisionskontakte können leichte Vibrationen besser abgefedert werden, ohne dass es zur Verformung des Buchsenkontaktes kommt.
2 Messtechnik
In der Messtechnik sind sehr viele unterschiedliche Steckverbinder in Verwendung, da viele Messsysteme mit mehreren Leiterkarten aufgebaut sind und diese untereinander verbunden werden müssen. Neben klassischen Leiterkartensteckverbindern wie Stift- und Buchsenleisten werden heutzutage immer noch direkte Federleisten in der Messtechnik verwendet, um kleinere Platinenmodule mit der Hauptleiterkarte zu verbinden. Besonders zu beachten sind bei der Messtechnik die einzelnen Materialien des Steckverbinders. Da in der Messtechnik in den meisten Fällen hochpräzise Messergebnisse gewünscht sind, sollte von einer standardisierten Nickelsperrschicht bei der Kontaktbeschichtung abgesehen werden. Durch eine Modifikation der Nickelschicht können magnetische Interferenzen reduziert bzw. größtenteils ausgeschlossen werden. Des Weiteren sollten bei messtechnischen Anwendungen Steckverbinder mit vergoldeten Kontakten verwendet werden, da bei den meisten Messanwendungen viele Steckzyklen gefordert werden.
3 Medizintechnik
Äquivalent zu der Messtechnik, sind auch in der Medizintechnik sehr spezifische Anforderungen an die Steckverbinder gestellt. Neben einer hohen Fertigungsgenauigkeit, sind auch die Themen Steckzyklen und Schichtstärke der Kontaktoberfläche eine wichtige Entscheidungsgrundlage für die Auswahl des passenden Steckverbinders. Aufgrund der verschiedenen Medizingeräte werden häufig viele Steckzyklen und somit eine hohe Vergoldung auf den Stift- und Buchsenleisten benötigt. Zum Beispiel können mit einer Goldschicht von 0,2 µm ungefähr 100 Steckzyklen problemlos erreicht werden. Ein weiterer Aspekt ist die Langlebigkeit der Steckverbinder. Sobald die Steckverbinder in den Medizingeräten verbaut sind, müssen diese über viele Jahre einwandfrei funktionieren und vielfach auch im Dauerbetrieb.
4 Automotive
Im Automobilbereich werden in so gut wie allen elektronischen Komponenten Leiterkartensteckverbinder verwendet, um elektrische Signale innerhalb einer oder zwischen mehreren Leiterkarten zu verbinden. Ob im Steuergerät, im Bordcomputer oder in der Innen- und Außenbeleuchtung, überall werden zahlreiche Stift- und Buchsenleisten verbaut. Da häufig ein gewisser Preisdruck vorhanden ist, die Qualitätsanforderungen jedoch sehr hoch sind, besteht ein Balanceakt zwischen Erfüllung der technischen Anforderungen und dem Kostenziel des strategischen Einkäufers. Da die meisten Leiterkartensteckverbinder im Automobil lediglich einmal gesteckt werden und bis zum Ausfall des Gerätes nicht getrennt werden, können bei der Kontaktbeschichtung die günstigeren Beschichtungswerkstoffe Zinn und Silber verwendet werden. Vergoldete Kontakte finden auch Verwendung in Automotive Anwendungen, jedoch nur wenn einige Steckzyklen erforderlich sind.
5 Industrieelektronik
Für die Industrieelektronik gelten die geringsten Anforderungen. Was nicht bedeuten soll, dass es keine Anforderungen gibt. Besonders die Richtlinien RoHS und Reach müssen im Bereich der Industrieelektronik eingehalten werden. Zusätzlich müssen auch, je nach Anwendungsfall, einige Steckzyklen ausgehalten werden. Dabei sollte der Kunde den Unterschied zwischen verzinnten und vergoldeten Kontakten kennen. Ein weiterer Punkt ist die Wärmeformbeständigkeit des Kunststoffisolierkörpers, besonders wenn die Steckverbinder mit dem Reflow Lötverfahren mit der Leiterkarte verbunden werden. Der Kunststoff muss dann kurzfristig bis zu 260°C standhalten ohne sich zu verformen, da sich sonst die Stift- und Buchsenkontakte aus dem vorgegebenen Rastermaß verschieben können.
Gemeinsame Anforderungen an Leiterkartensteckverbinder
Für alle Anwendungsgebiete gibt es jedoch einige Gemeinsamkeiten. Im Besonderen sind hierbei die Lötverfahren der Steckverbinder zu nennen. In allen fünf genannten Anwendungs- bzw. Einsatzgebieten werden die drei bekannten Lötverfahren Through Hole Technology (THT), Surface Mount Technology (SMT) und die Kombination der zuvor genannten Verfahren Through Hole Reflow (THR) angewendet. Bei kleineren Stückzahlen wie beispielsweise in der Prototypenphase, wird häufig noch das THT-Lötverfahren, oder auch Wellenlöten genannt, verwendet. Sobald es sich um höhere Serienmengen handelt und die Packungsdichte auf der Platine optimal ausgenutzt werden soll, kommt das SMT-Lötverfahren zum Tragen. Ein Kompromiss zwischen den beiden Lötverfahren stellt das THR-Lötverfahren dar. Hierbei werden kürzere Einlötkontakte verwendet, sodass beim Kontaktieren des Steckverbinders mit der Leiterkarte, die Lötpaste nicht durch die Kapilarwirkung während des Lötvorgangs an dem Kontaktstift herunterfließt.
Eine weitere Schnittmenge aller Anwendungsgebiete ist die Wahl der passenden Verpackungsform. Hierbei wird unabhängig vom Anwendungsgebiet zwischen den Verpackungsoptionen: Schüttgut, Stangenmagazin oder Tape & Reel eine Auswahl getroffen. Schüttgut wird bei nicht automatisierten Leiterkartenbestückungen verwendet. Wohingegen die Verpackungsoptionen Stangenmagazin und Tape & Reel für die automatisierte Leiterkartenbestückung ausgelegt sind. Je nach Geometrie des Steckverbinders wird zusätzlich eine Bestückungshilfe für die Entnahme aus der Verpackungsoption und der fehlerfreien Positionierung auf der Leiterkarte angeboten.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass es viele verschiedene Anwendungsgebiete für Leiterkartensteckverbinder gibt, welche weit über die fünf genannten hinausgehen. Hervorzuheben ist jedoch, dass es Besonderheiten bzw. Spezifikationen für die einzelnen Anwendungsgebiete gibt und es einige Dinge zu beachten gilt bei der Auswahl des passenden Steckverbinders. Für diese und weitere kundenspezifische Anwendungen hat sich die Fa. Fischer Elektronik in den vergangenen 50 Jahren als verlässlicher Partner etabliert.
Autor
Stefan Suchan ist als leitender Entwicklungsingenieur von Steckverbindern bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.