Der Steckverbinderbereich teilt sich in lösbare und nicht lösbare Verbindungstechnik auf. Bei den nichtlösbaren Verbindungen handelt es sich in der Regel um Verlötungen oder Crimptechniken. Lösbare Steckverbindungen, die hier im Mittelpunkt stehen, dienen als Schnittstelle von Elektronikeinheiten zu Schaltungsperipherien und müssen besonders zuverlässig sein. Sie bestehen in der Regel aus einem Stiftteil und einem Buchsenteil, welche zur Erstellung einer Verbindung gesteckt werden. Eine Grundvoraussetzung für gute Zuverlässigkeit einer lösbaren Steckverbindung ist, dass die entsprechenden Bauformen zusammenpassen. Neben der Form des Stiftkontaktes - zylindrisch, vierkant, rechteckig - ist auch der Typ der Kontaktfeder - Blattfeder, Gabelfeder, Clip - von herausragender Bedeutung. Diese grundlegenden Ausführungstypen müssen aufeinander abgestimmt sein. Die technischen Daten der jeweiligen Hersteller geben im Zweifel hierüber Auskunft.
Elektrische Belastbarkeit
Die elektrische Belastbarkeit ist eine weitere wichtige Voraussetzung zur Auswahl von Steckverbindungen. Die gängigen Typen mit einem Kontaktabstandsmaß - auch Raster genannt - reichen bis zu einem Strombelastungswert von 3 A je Kontaktpaar. Höhere Belastungswünsche werden bei Leiterkartensteckverbinder oft durch Zusammenfassung von zwei oder mehreren Kontakten erzielt. Hierdurch kann der Anwender im Standardleistenbereich bleiben und muss nicht extra eine spezifische Steckverbindung entwickeln lassen. Die Strombelastbarkeit reduziert sich bei kleineren Rastern, zum Beispiel 2mm und 1,27 mm, bedingt durch die geringeren Kontaktquerschnitte und den geringeren Kontaktabstand. Variationsmöglichkeiten ergeben sich auch durch den Einsatz unterschiedlicher Kontaktwerkstoffe. Während der elektrische Leitwert von Zinn/Bronze (CuSn) bei circa 9 S/m liegt, kommt man bei Messing (CuZn) auf etwa 15 S/m. Die mechanische Beanspruchung bekommt an dieser Stelle eine nicht zu unterschätzende Bedeutung. Zinn/Bronze-Legierungen sind durch ihre guten Federeigenschaften wesentlich stabiler gegenüber Biegebeanspruchungen als Messinglegierungen. In den meisten Fällen reichen diese Möglichkeiten der elektrischen Belastbarkeit für den Massenmarkt der Leiterplattensteckverbinder vollkommen aus.
Mechanische Bedingungen
Durch den anhaltenden Wunsch der Elektronikentwickler nach immer kleiner werdenden Bauteilen ist auch der Leiterplattensteckverbinderbereich gefordert, dementsprechend Rechnung zu tragen. Für den Leiterplattenentwickler steht an erster Stelle das gewünschte Kontaktabstandsmaß auszuwählen. Dies ist dann sowohl für die Stiftkontaktleiste als auch für die dazugehörige Federkontaktleiste gültig. Ein weiterer wichtiger Punkt, der beachtet werden muss, ist der gewünschte Abstand der beiden Leiterplatten zu einander, vielfach auch als „lichtes Leiterplattenabstandmaß“ bezeichnet. Die Kontakt-, Stift- und Buchsenleisten, müssen hierfür zueinander in der Länge des Stiftkontaktes abgestimmt werden. Berücksichtigen muss man zum einen das minimale und das maximale Einsteckmaß des Stiftkontaktes in die Feder, um eine sichere Kontaktierung auch bei leichten Maßschwankungen der beiden Leiterplatten zueinander zu erzielen. Dieses Einsteckmaß muss bei der Länge der Steckseite des Stiftkontaktes Berücksichtigung finden. Zur grundlegenden Betrachtung zählt weiters die Querschnittsgröße und Querschnittsform der Stiftkontakte. Diese müssen zur ausgewählten Federkontaktleiste passen. Die Präzisionskontaktbuchsen sind in diesem Bezug die am flexibelsten verwendbaren Federkontakte (Clip). Sie können sowohl zylindrische, quadratische als auch rechteckige Formen ohne Nachteile der Kontaktierung aufnehmen. Dies liegt an der relativ hohen Anzahl an federnden Kontaktelementen. Die Flachkontaktfeder wie auch die Gabelkontaktfeder können dagegen keine zylindrische Kontaktformen aufnehmen, jedoch quadratisch und rechteckige.
Kontaktfederformen
FlachkontaktfederIn der Regel sind Federkontakte, die eine Grundform ähnlich einer Blattfeder haben, für quadratische und rechteckige Stiftkontakte ausgelegt. Die verwendbare Nennmaße und Formen werden von den Herstellern in den zugehörigen Datenblätter ausgewiesen. Es gibt Ausführungen mit einseitiger Kontaktierung und auch doppelseitiger Kontaktierung. Ebenso werden auf der Lötseite Formen angeboten, die einen Lötanschluss für jede Kontaktfeder aufweisen oder für beide Kontaktfedern nur einen Lötanschluss. Auch hier ist wichtig, dass der Entwickler dies in seinem Layout berücksichtigt, um eine sichere Kontaktierung zu gewährleisten. Die Flachkontaktfeder gibt es in unterschiedlichsten Ausführungsformen und Größen (Abbildung 1).PräzisionskontaktfederEine andere Form von Federkontakte wird in den so genannten Präzisionsbuchsenkontakten eingesetzt. Dies ist ein gestanzter und anschließend galvanisierter Federkontakt, ein so genannter Clip, der in die galvanisierte Kontakthülse eingepresst wird. Ein Präzisionsbuchsenkontakt besteht von daher im Grunde aus zwei Teilen, der Kontakthülse und dem Clip, der Kontaktfeder. Die Kontakthülse ist in der Regel ein Drehteil, bestehend aus einem Lötanschluss auf der einen Seite und einer Bohrung auf der anderen Seite. Diese Bohrung dient zur Aufnahme des Federteiles, dem sogenannten Clip. Die Kontakthülse wird vor der Clipmontage galvanisch beschichtet, in der Regel vernickelt und verzinnt. Auch eine Vergoldung wird vielfach angeboten. Die Vergoldung wählt man dann, wenn die Hülse wiederum in eine vergoldete Kontaktfeder gesteckt wird. Auch im medizinischen und anderen Bereichen mit besonderer Anforderung wird überwiegend ein komplett vergoldeter Kontakt verwendet. Die Vernickelung dient als Sperrschicht zur Verhinderung von Diffusionen aus dem Grundwerkstoff in Oberflächenschichten und ebenso zur Vermeidung von Beschichtungsmaterialien in den Grundwerkstoff, speziell für Gold, da gerade Vergoldungen in der Regel nur in Schichtstärken von deutlich unter 1 µm aufgetragen werden. Die Präzisionsbuchsenkontakte sind lötdicht, das heißt, bei dem Lötprozess kann von der Lötwelle oder dem SMT-Lötprozess her kein Lot in den Buchsenbereich gelangen. Die spezielle Form des Clip-Kontaktes kann in ihrer Auslegung mit drei bis sechs Fingerkontakten, je nach Größe, sowohl zylindrische als auch viereckige Kontaktstifte aufnehmen. Die so genannten Fingerkontakte können einzeln ausweichen und gewährleisten für die Kontaktierung eine große Zahl von Kontaktberührungspunkten und damit einhergehend gute Stromübertragung (Abbildung 2).GabelkontaktfederDie Gabelkontaktfeder ist auch eine gestanzte Feder, die in der Form einer zweizinkigen Gabel, in der Regel aus Federmaterial Zinnbronze, gefertigt ist. Sie ist eine preiswerte Ausführung und eignet sich für Einsatzfälle mit geringer Steckhäufigkeit. Das Stanzwerkzeug muss im Kontaktbereich der Feder, im inneren Bereich, eine hohe Genauigkeit aufweisen, um dort den Kontakt äußerst gratfrei produzieren zu können. Bei zu spitzen Stellen an diesen Kontaktflächen würde sonst sehr leicht, gerade bei verzinnten Kontakten, die Oberfläche des Stiftkontaktes aufgerissen. Wird diese Kontaktfeder am Stanzstreifen hängend gefertigt, nicht als Schüttgut, so lässt sich eine Vergoldung recht sparsam und leicht im Kontaktierungsbereich der Feder in einer Bandgalvanik mittels Tauchverfahren aufbringen.StiftkontakteAls Gegenstecker für diese Kontaktfederformen werden Stift- und auch Messerkontakte verwendet. Je nach Federkontakttyp können diese Gegenstecker eine quadratische, rechteckige oder zylindrische Form, teilweise mehrere oder sogar alle Formen auch in Kombinationen, eingesetzt werden. Die Verwendung von unterschiedlichen Werkstoffen ist je nach Anforderung möglich. Neben den typischen Werkstoffen wie Messing (CuZn) und Zinn/Bronze (Cu Sn) sind auch Kupferwerkstoffe mit einem sehr hohen Kupferanteil im Einsatz (Abbildung 3).
Oberflächen
Einen wesentlichen Einfluss auf eine gute Steckverbinderpaarung wird durch die Oberflächenbeschichtung erreicht. In der Regel wird bei Buntmetalllegierungen als erstes eine Sperrschicht aufgetragen. Diese soll verhindern, dass irgendwelche Elemente aus dem Grundwerkstoff in die Oberflächenbeschichtung gelangen können. Ebenso wird damit verhindert, dass zum Beispiel bei einer Vergoldung das Gold in den Grundwerkstoff wandert und so die positive Wirkung des Goldes auf Dauer entfällt. Das gleiche gilt für Zinnbeschichtungen. Hier steht jedoch eine langfristige gute Lötbarkeit im Vordergrund. Zusätzlich wird von einigen Anwendern eine zusätzliche Kupferbeschichtung vor dem Vernickeln verlangt. Dies soll die Haftfähigkeit der kompletten Beschichtung auf dem Grundwerkstoff erhöhen.
Fazit
Zur gezielten Auswahl von Steckverbindungspaarungen ist es erforderlich, dass sich der Leiterplattenentwickler die geforderten Kenndaten wie Strombelastung, Platzbedarf, Steckhäufigkeit, Umfeld des Einsatzortes - trocken oder feucht, ruhend oder schwingend - und die Sicherheitsanforderung des Produktes bewusst macht. Danach lassen sich anhand der technischen Daten der Produkthersteller schon eine Vielzahl der Produktanforderungen bestimmen und auswählen. Wichtig ist auch, dass der Entwickler sich mit der technische Ausführung des angebotenen Produktes beschäftigt, damit es für seine Anwendung auch richtig eingesetzt wird.
