Neben der steigenden Produktvielfalt bei den Herstellern von Steckverbindern spielen auch Themen wie RoHS und REACH sowie die Normung beim Endkunden eine größere Rolle als in der Vergangenheit. Die Verordnungen und Richtlinien geben in vielen Fällen einen gewissen Spielraum vor, in dem sich der Entwickler bewegen und Entscheidungen treffen kann.
Bei der Auswahl und Neuentwicklung des passenden Steckverbinders hat sich das Unternehmen Fischer Elektronik in den vergangenen 50 Jahren als Partner etabliert und bietet eine hohe Expertise in den Bereichen Kühlkörper, Gehäuse und Steckverbinder.
Passenden Kunststoff finden
Bei der Auswahl der einzelnen Komponenten eines Leiterkartensteckverbinders kommt es bei den Herstellern auf Erfahrung und „Know-how“ an. Durch jahrelange Erfahrung in der Verarbeitung von Kunststoffen, können hochtemperaturbeständige Materialien wie Polyester, Polyamid und LCP-Kunststoffe problemlos verarbeitet und als Isolierkörper für Stift- und Buchsenleisten in den verbreitetsten Rastermaßen hergestellt werden. Gerade bei den kleineren Rastern wie etwa 2,00 mm und 1,27 mm ist die Herausforderung, im Vergleich zum standardmäßigen Raster von 2,54 mm an den Werkzeugmechaniker sehr groß.
Die Spritzgießwerkzeuge für die Konturen der filigranen Stift- und Buchsenleisten müssen sehr präzise gefertigt werden, damit es im Spritzgießprozess zu keiner ungewünschten Gradbildung kommt. Die einzelnen Kunststoffe, mit ihren unterschiedlichen Fließ- und Verarbeitungseigenschaften, werden je nach Lötprozess und Geometrie des Isolierkörpers vom Hersteller ausgewählt.
Beispielsweise ist PBT als Kunststoff relativ preisgünstig und gut zu verarbeiten, jedoch liegt der Schmelzpunkt von PBT ohne Zusatz weiterer Additive bei 220 °C, was beim Reflow-Löten mit etwa 260 °C überschritten wird. Im Vergleich zu PBT besitzen die meisten Polyamide, wie zum Beispiel PA 4.6 oder PA 6.6, eine höhere Schmelztemperatur und sind somit auch sehr gut für den Reflow-Lötprozess geeignet.
Kontakt- und Beschichtungsmaterial richtig kombinieren
Doch nicht nur bei den Kunststoffen muss die Materialauswahl stimmen, auch die Kontakt- und Veredelungsmaterialien müssen sorgsam ausgewählt und aufeinander abgestimmt werden. Da bei den meisten Leiterkartensteckverbindern, sowohl bei den Stiftleisten als auch bei den Buchsenleisten, Kupferlegierungen als Basismaterial verwendet werden, muss bei der Veredelung besonders auf die Nickel-Sperrschicht geachtet werden.
Typische Kontaktwerkstoffe sind die Kupferlegierungen Bronze (CuSn), Messing (CuZn) und Berylliumkupfer (CuBe). Diese drei eignen sich durch den hohen Kupferanteil, als sehr gut leitende Kontaktmaterialien, für die Kontaktierung von Bauteilen und Schaltkreisen auf der Leiterkarte. Des Weiteren bieten die zuvor genannten Kupferlegierungen gute mechanische und federnde Eigenschaften, welche für die Kontaktierung von Vorteil sind.
Die Kupferlegierungen werden bei den Steckverbinderherstellern mit einer Nickelsperrschicht überzogen, bevor es zur Veredelung der Kontakte kommt. Diese Nickelsperrschicht verhindert, dass die Veredelungsmaterialien Gold, Silber oder Zinn in die Kupferlegierung hineindiffundieren. Sobald diese Veredelungsmaterialien in die Kupferlegierung hineindiffundieren, ist der Effekt dieser Materialien kaum noch vorhanden. Veredelungsmaterialien wie Gold, Silber oder Zinn dienen nämlich der besseren Verarbeitung der Steckverbinder auf der Leiterkarte und haben einen geringeren Kontaktwiderstand als Kupfer.
Unterschiede einzelner Kontaktbeschichtungen
Die am häufigsten verwendeten Kontaktbeschichtungen sind Gold, Silber und Zinn. Diese Hauptkontaktbeschichtungen haben sich im Laufe der Zeit etabliert, da sie neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit auch über gute bis sehr gute Löteigenschaften verfügen. Für Anwendungen im low cost Bereich haben sich die Beschichtungsmaterialien Zinn und Flashgold etabliert. Zinn ist deutlich kostengünstiger als Silber oder Gold und besitzt außerdem sehr gute Löteigenschaften. Flashgold bezeichnet eine geringe Goldauflage von 0,1 µm oder weniger, welche fast ausschließlich dem Korrosionsschutz des Kontaktmaterials dient.
Zusätzlich zu den Hauptkontaktbeschichtungen wird in den meisten Fällen eine Nickelschicht zwischen dem Kontaktwerkstoff und der Hauptkontaktbeschichtung aufgetragen. Diese Nickelschicht dient als Sperrschicht zwischen der meist edlen Kontaktbeschichtung und dem unedlen Kontaktwerkstoff. Ohne diese Nickelsperrschicht würde die edle Kontaktbeschichtung von der Kontaktoberfläche in den Kontaktwerkstoff hineindiffundieren. Anschließend würde sich im Laufe der Zeit eine Korrosionsschicht auf der Kontaktoberfläche bilden. Durch diese Korrosionsschicht erhöht sich der Kontaktübergangswiderstand massiv und es entstehen in den meisten Fällen Probleme bei der Signal- und Stromübertragung. Ein weiterer Vorteil der Nickelsperrschicht liegt in der Verminderung von Whiskerbildungen auf verzinnten Kontakten, sowohl nach dem Einpressen der Kontaktstifte als auch nach einigen Steckzyklen.
Verpackungen für die automatisierte Bestückung
Die meisten Bestücker von Leiterkarten müssen pro Tag tausende elektronische und elektromechanische Bauteilen passgenau auf die Leiterkarte setzen, damit diese ihre Funktion erfüllen. Damit der Aufwand gering und die Wiederholgenauigkeit hoch gehalten werden kann, gibt es spezielle Verpackungsformen für die automatengerechte Bestückung. Die Steckverbinder werden entweder, wie in den Anfangszeiten der automatisierten Bestückung, in Stangenmagazinen und einer optionalen Bestückungshilfe, oder, wo der Trend in den letzten Jahren hingeht, in Blistergurten („Tape and Reel“) und einer optionalen Bestückungshilfe verpackt.
Beide Varianten sind für eine automatisierte Bestückung entwickelt worden und werden nach dem gleichen Prinzip einem Feeder zugeführt. Anschließend werden die Steckverbinder, mit oder ohne Bestückungshilfe, von einem Roboterarm, welcher über einen mechanischen Greifer oder eine Venturi-Düse verfügt, an die vorgesehene Stelle auf der Leiterkarte platziert. Die Auswahl der Verpackungsform, welche der Kunde wünscht, kommt auf seinen vorhanden Maschinenpark und die Kapazitäten an. Stangenmagazine werden häufig bei kleineren Stückzahlen verwendet und wenn der Kunde sich im Prototyping befindet. Blistergurte werden im Gegensatz dazu eher bei höheren Stückzahlen und Serienfertigung genutzt, da wesentlich mehr Steckverbinder auf einen Blistergurt passen, als in ein Stangenmagazin.
Fazit
Abschließend lässt sich festhalten, dass die Auswahl der einzelnen Kontaktmaterialien sowohl für die Hersteller auch die Endanwender entscheidend ist. Dabei ist ein früher Zeitpunkt im Entwicklungsprojekt von Vorteil. Je früher die Anforderungen an den Steckverbinder geklärt sind, desto besser kann eine Umsetzung beziehungsweise Entwicklung des Steckverbinders gestartet werden. Hier bietet das Unternehmen Fischer Elektronik bei der Auswahl des passenden Steckverbinders und der Neuentwicklung von kundenspezifischen Sonderlösungen Unterstützung.
