Diese verschiedenen Arten und Ausführungen der Leiterkartensteckverbinder lassen sich in Qualitätsstufen gliedern. Davon ist die Verwendung eines Steckverbinders jeder Qualitätsstufe legitim und erreicht in verschiedenen Einsatzgebieten die geforderte Performance. Im Folgenden werden die verschiedenen Stufen beschrieben und warum qualitativ geringere und somit auch preiswertere Steckverbinder eine hochwertige Verbindung realisieren können.
Die richtige Oberflächenauswahl
Der Grundwerkstoff der Kontakte von Stift- oder Buchsenleisten besteht in der Regel aus einer elektrisch gut leitenden Kupferlegierung. In den meisten Fällen handelt es sich um Messing oder Bronze, vereinzelt wird auch Berylliumkupfer eingesetzt. Reines Kupfer und Kupferlegierungen reagieren allerdings mit der Luft und bilden eine in diesem Fall ungewollte Schutzschicht. Diese Passivschicht erhöht den Übergangswiderstand enorm und birgt die Gefahr von Kurzschlüssen durch abblätternde Teile. Zur Eliminierung dieser nachteiligen Nebeneffekte, ist eine adäquate Veredelungsschicht unerlässlich.
Angefangen mit einer vergoldeten Oberfläche, bietet diese direkt nach einer versilberten Oberfläche nicht nur die beste Leitfähigkeit, sondern erreicht bei einer vergleichsweise dünnen Schicht die höchste Anzahl an Steckzyklen. Ist die Veredelungsschicht abgenutzt, ist der Steckverbinder disqualifiziert und die maximale Anzahl an Steckzyklen überschritten. Gerade bei den Steckzyklen spielt die Schichtdicke des Goldes eine bedeutende Rolle. Bei einer Schichtdicke von 0,2 µm liegt die Zahl der minimalen Steckzyklen bereits bei über 50, wobei eine 0,02 µm Flashgoldschicht bei ähnlicher Leitfähigkeit maximal zehn Steckzyklen garantiert. Sofern die Verbindung zwischen zwei Leiterplatten oder zwischen der Leiterplatte und der Elektronikkomponente nur in Ausnahmen, zu seltenen Wartungszwecken oder überhaupt nicht getrennt wird, so ist die dünnere Goldschicht definitiv genügend dimensioniert und dazu noch ressourcenschonend.
Ähnlich ist es bei einer deutlich dickeren Zinnschicht. Zinn ist im Vergleich zu Gold ein sehr günstiger Kontaktwerkstoff und besitzt gerade für niedrige Ströme bis drei Ampere eine vollkommen ausreichende Leitfähigkeit bei maximal zehn Steckzyklen. Einen Vorteil des Zinns gegenüber Gold ist die deutlich bessere Lötbarkeit. Hierbei ist es belanglos, ob der Steckverbinder über Wellenlötung oder mittels eines Reflow-Lötvorgangs verlötet wird – das Zinn auf der Oberfläche des Kontaktes beziehungsweise der Kontaktfeder verbindet sich mit dem Lot, welches ebenfalls aus Zinn besteht und sorgt folglich für eine optimale und beständige Verbindung mit der Leiterplatte. Möchte man die Vorteile beider Werkstoffe nutzen, wird auf selektiv vergoldete Kontakte zurückgegriffen. Die selektiv vergoldete und steckresistentere Seite des Kontaktes stellt die Paarungsseite dar und wird mit dem Gegenstecker verbunden. Dadurch treffen die beiden vergoldeten Bereiche der Steckverbinder aufeinander und halten den Übergangswiderstand gering. Die verzinnte Seite des Steckverbinders erreicht auf der anderen Seite die beste Lötbarkeit. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit einer versilberten Oberfläche. Silber hat die höchste Leitfähigkeit, reagiert aber genau wie Kupfer mit der Luft und bildet eine Passivschicht, die bei wiederholten Steckvorgängen zu Kontaktierungsproblemen führen kann.
Gabelfeder oder Präzisionsinnenkontaktfeder
Auf der Buchsenseite besteht bei der Fischer Elektronik die Option zwischen einem gestanzten Gabelkontakt und einer runden, gestanzt-gewickelten Kontaktfeder. Für die Wahl der richtigen Qualitätsstufe, ist es unabdinglich die Endanwendung zu kennen. Die gestanzt-gewickelte Kontaktfeder kommt zum Einsatz, wenn der Steckverbinder in einer Umgebung zum Einsatz kommt, wo die Elektronik Vibration und Schockbelastungen erfährt. Die vier bis sechs eingesetzten Kontaktfinger sorgen dafür, dass in jede Richtung ein Kontaktausgleich stattfindet und die Kontaktierung zu jeder Zeit garantiert ist.
Für den Einsatz der Buchsenleiste in einer statischen Umgebung, ist eine Gabelfeder nicht nur die preislich günstigere Wahl, für eine saubere Kontaktierung in diesem Fall auch vollkommen ausreichend. Zu beachten ist hier, dass zur Paarung eines gestanzten Gabelkontaktes auch ein quadratischer Kontakt verwendet wird, da die Kontaktierungsfläche dadurch maximiert ist. Im Gegensatz zu der Präzisionsinnenkontaktfeder, berührt der Gabelkontakt den Kontaktstift nur an zwei gegenüberliegenden Seiten (Bild 4). Anderenfalls gäbe es hier noch die Wahl zu einem Präzisionskontakt, bei welchem ein runder Querschnitt vorgesehen wird und somit besser zu der Kontur einer Präzisionsinnenkontaktfeder passt. Darüber hinaus wird ein Präzisionskontaktstift feingedreht hergestellt, weshalb er eine sehr hohe Oberflächengüte aufweist.
Qualitätsunterschiede im Isolierkörper
In beinahe allen Leiterkartensteckverbindern wird für den Isolierkörper ein technischer Thermoplast eingesetzt. Für eine gute Formstabilität und Maßgenauigkeit ist der Glasfaseranteil im Kunststoff ausschlaggebend. Ein hoher Glasfaseranteil erhöht zudem die Härte des Kunststoffes und die Auszugskräfte der Kontakte im Isolierkörper. Somit kann die gesamte Steckverbindung Außen- und Fremdeinwirkungen deutlich besser standhalten. In Applikationen, in welchen der Steckverbinder keinen hohen Temperaturen ausgesetzt ist, scheint der Einsatz eines hochtechnischen Thermoplastes überdimensioniert. Doch bereits im Reflow-Lötprozess wird der Kunststoff hohen Temperaturen ausgesetzt. Der Schmelzpunkt eines einfachen Polyethylens, welches ebenfalls oft Anwendung als Isolator in der Elektronik findet, wird beim Reflow-Lötprozess weit überschritten. Nicht zuletzt gilt es bei der Wahl des Isolierkörpers auf eine gute Flammschutzklasse des Materials achten. Falls es im schlimmsten Fall bedingt durch schlechte Kontaktierung oder Fremdeinwirkungen zum Brand auf der Platine kommt, so ist es zwingend notwendig einen flammhemmenden Kunststoff zu verwenden.
Schlussendlich ist es beim Isolierkörper nicht empfehlenswert auf eine günstigere und minderwertige Variante zu setzten, insbesondere wenn Faktoren wie die Ausfallsicherheit der Elektronik miteinspielen. Daher wird bei Fischer Elektronik für alle Isolierkörper ein qualitativ hochwertiger, technischer Kunststoff eingesetzt, welcher einen hohen Glasfaseranteil aufweist und nach UL94 V-0 bewertet ist.
Unterschied in der Anschlusstechnik
Sobald die richtigen Parameter der Qualitätsstufe für die Paarung aus Stift- und Buchsenleiste gewählt wurden, ist es essenziell, die dazu passende Anschlusstechnik auf der Leiterplatte zu wählen. Liegt der Fokus auf einer möglichst einfachen Automatisierbarkeit, so ist die Surface Mount Technology (SMT) oftmals zu empfehlen. Die Platzierung via Ansaugung auf vormontierten Lötpads ermöglicht hohe Positionierungstoleranzen bei der Verarbeitung.
Dem gegenüber steht die Through Hole Technology (THT), welche im Vergleich zur SMT eine stabilere Verbindung zur Leiterplatte ermöglicht. Grund dafür ist, dass zur Verlötung zusätzlich die Kombination aus dem Loch in der Leiterplatte und dem Kontakt zusätzliche Robustheit gibt. Nachteilig zu betrachten ist die erschwerte Automatisierbarkeit der Verlötung, da diese nicht im Reflow Lötofen erfolgt, sondern mithilfe der “klassischen” Lötwelle. Zudem ist die automatisierte Platzierung aufgrund von der zusätzlichen Passung bestehend aus Loch in der Platine und Kontaktstift erschwert. Für eine Kombination aus den Vorteilen beider Anschlusstechniken, wählt man Steckverbinder, die für die Through Hole Reflow Löttechnik geeignet sind. Als Ergebnis erhält man eine zuverlässige Verbindung, die durch die Reflow-Lötfähigkeit gut zu automatisieren ist. Der Nachteil gegenüber der SMT ist die erschwerte Positionierung, welche mit einem modernen
Bestückungsautomaten und mit maßgenauen Steckverbindern auch möglich ist und daher Marktbeliebtheit gewinnt.
Fazit
Insgesamt gibt es zahlreiche Möglichkeiten die vielseitigen Qualitäten eines Steckverbinders auszuschöpfen. Auch wenn ein Steckverbinder für eine spezielle Anwendung nicht geeignet ist, gibt es durchaus Applikationen, in welchen der Einsatz des Bauteils sinnvoll ist und zu einem qualitativ hochwertigen Gesamtergebnis führt.
