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Steckverbinder in der Elektronik: Stift- und Buchsenleisten als lösbare Verbindung

Uwe Böttcher | Vertrieb | Ratioplast Electronics GmbH
Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH

Unterschiedliche Märkte und Branchen wie

  • Automobilindustrie
  • Bahntechnik
  • Erneuerbare Energien
  • Industrie
  • Medizin
  • Telekommunikation

benutzen Steckverbinder, um Leitungen zwischen unterschiedlichen Baugruppen elektrotechnisch zu verbinden. In der Regel werden lösbare Verbindungen bevorzugt, um z.B. bei der Assemblierung und für Wartungzwecke der Baugruppen oder deren Austausch flexibel zu sein.

Eine gute, dauerhafte und zuverlässige Verbindung entsteht dann, wenn bei der Auswahl von Steckverbinder-Paarungen die Kenndaten der Komponenten mit den Spezifikationen der Anwendung abgeglichen werden.

Die Herausforderung: Auf dem Steckverbinder-Markt werden eine Vielzahl unterschiedlicher Steckverbinder mit einer sehr großen Auswahl angeboten. Umfassendes Wissen ist daher erforderlich, um für die gewünschte Anwendung einen Überblick zu erlangen und die passende Auswahl bei der Vorgabe der Kenndaten treffen zu können. Eine optimale Auswahl eines Produktes für einen speziellen Anwendungsfall ist wichtig, um eine kostengünstige Lösung für das vorhandene Steckverbinder-Problem zu finden.

Lösbare Steckverbindungen dienen als Schnittstelle von Elektronikeinheiten zu Platinen und Schaltungsperipherien und müssen besonders zuverlässig sein. In der Regel bestehen Sie aus einer Buchse (weiblich/female) und einem Stift (männlich/male). Diese werden miteinander gesteckt, umd eine Verbindung zu erstellen. Eine der Voraussetzungen für eine gute Zuverlässigkeit einer lösbaren Steckverbindung ist, dass die Bauformen zusammenpassen.

Buchsenleiste (links) als weiblicher Teil und Stiftleiste als männlicher Teil einer möglichen lösbaren Verbindung

Lösbare Steckverbindungen dienen als Schnittstelle von Elektronikeinheiten zu Platinen und Schaltungsperipherien und müssen besonders zuverlässig sein. In der Regel bestehen Sie aus einer Buchse (weiblich/female) und einem Stift (männlich/male). Diese werden miteinander gesteckt, um eine Verbindung zu erstellen. Eine Voraussetzungen für eine gute Zuverlässigkeit einer lösbaren Steckverbindung ist, dass die Bauformen zusammenpassen.

Grundlagen

Bestandteile der Stift und Buchsenleisten

Eine Stiftleiste besteht aus zwei Bauteilen. Das ist der Stiftkontakt und der Isolierkörper. Der Stiftkontakt ist von dem Isolierkörper umhüllt bzw. in diesem eingepresst oder umspritzt. Mit dem Isolierkörper wird ein definierter Abstand der Stifte hergestellt, auch Rastermaß genannt, so dass eine Anzahl von 2 und mehreren Stiftkontakten möglich ist. Bei der Anzahl spricht man auch von Polen oder der Polzahl.

Die Buchsenleiste besteht aus einem Federkontakt, der in vielen Ausführungen und Wertigkeiten erhältlich ist (siehe unten). An den Federkontakt schließt sich eine Anschlusstechnik an. In untenstehendem Bild werden die Buchsenkontakte in die Platine eingelötet. Daneben gibt es auch noch SMD-Versionen für die Oberflächenmontage. Der Federkontakt und die Verbindung zur Anschlusstechnik werden mit einem Isolierkörper umschlossen.

Die Bestandteile einer Stift- und Buchsenleiste

Das Kontaktmaterial

An die Kontaktbasismaterialien der Stift- und Buchsenleisten werden elektrische und mechanische und Lebensdauer-Anforderungen gestellt. Das ist vorrangig:

  • Ein geringer Durchgangswiderstand
  • Eine gute elektrische Leitfähigkeit
  • Eine geringe Relaxation bei federnden Elementen

Letzteres bedeutet, dass die Federelemente wieder in die Ausgangsposition zurückkehren sobald die Stiftleiste aus der Buchsenleiste gezogen wird.

Das Material der Kontakte ist in der Regel auf Kupfer basierend. Kupfer ist das preiswerteste Basismaterial im Verhältnis zur der Leitfähigkeit. Reines Kupfer ist jedoch weich und deshalb schlecht als Kontaktmaterial geeignet. Aus diesen Gründen werden bei Steckverbindern Legierungen verwendet, um die Eigenschaften der Basismaterialien für die Anwendung zu verbessern und an die Anforderungen anzupassen.
 

Kupferabbau

Kupfer mit 6% Zinn (Bronze)

Kupfer mit 30% Zink (Messing)

CuSn6 ist eine Kupferlegierung mit 6% Zinn, bekannt auch als Bronze. Sie zeichnet sich durch hohe Festigkeits- und gute Federeigenschaften bei hinreichender Leitfähigkeit aus. CuZn30 ist eine Kupferlegierung mit 30% Zink (Messing). Die Legierung besitzt eine hervorragende Kaltumformbarkeit und Festigkeit. Sie eignet sich gut für aufwendige Tiefziehteile von Bauteile der Elektrotechnik bis hin zu Steckverbindern und deren Lötprozesse. Messing hat geringe Federeigenschaften und ist deshalb vorrangig für nicht federnde Kontaktteile vorgesehen. Mit bestimmten Legierungen ist Messing auch für Buchsenkontakte geeignet.

Der Kontaktaufbau

Die richtige Oberflächenbeschichtung hat einen wesentlichen Einfluss auf eine dauerhaft gute Steckverbinder-Paarung. In der Regel wird bei den häufig verwendeten Buntmetalllegierungen als erstes eine sogenannte Sperrschicht aufgetragen. Diese Sperrschicht soll verhindern, dass Elemente aus dem Grundwerkstoff in die Oberflächenbeschichtung gelangen (Diffusion). Ebenso wird damit verhindert, dass zum Beispiel bei einer Vergoldung das Gold in den Grundwerkstoff wandert und so die positive Wirkung des Goldes mit der Zeit entfällt. Als Sperrschicht wird vielfach Nickel eingesetzt. Das gleiche gilt für Zinnbeschichtungen. Bei diesen Beschichtungen steht jedoch eine langfristig gute Lötbarkeit im Vordergrund. Darüber hinaus kann von einigen Anwendern eine zusätzliche Kupferbeschichtung vor dem Vernickeln verlangt werden. Diese Schicht soll die Haftfestigkeit der kompletten Beschichtung auf dem Grundwerkstoff erhöhen.

Der Kontaktaufbau

Der Hintergrund für die Unternickelung als Sperrschicht ist die brownschee Molekularbewegung. Durch thermische Einflüsse bewegen sich Atome innerhalb von Kristallgittern in Metallen. An den Grenzflächen unterschiedlicher Metalle können Atome in das Gitter des Nachbarmetalls wandern.

Die Veredelung

Die abschließende Oberflächenbehandlung von Kontakten sind Vergoldung oder eine RoHS-konforme Verzinnung. Die Veredelung von Kontaktoberflächen richtet sich nach der voraussichtlichen Beanspruchung in Abwägung mit den Kosten. Die Beanspruchung wird hauptsächlich durch die Häufigkeit der Steckzyklen und den Umgebungsbedingungen bestimmt.

Zinn ermöglicht eine ausgezeichnete Lötbarkeit und Leitfähigkeit, ist kostengünstig, jedoch nicht sehr beständig. Mit einem zu häufigen Stecken wird das Zinn leicht abgetragen, da es ein recht weiches Material ist. Gold bietet eine ausgezeichnete Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Strapazierfähigkeit und einen niedrigen Widerstand, aber zu hohen Kosten. Eine Hauchvergoldung (Flash) mit einigen µm Auftrag kann einen guten Kompromiss mit den Vorteilen von Gold und den niedrigeren Kosten von Zinn bieten. Kontakte mit Hauchvergoldung werden gerne eingesetzt wenn nur einige Steckzyklen im Produktzyklus zu erwarten sind. Eine sogenannte gerne genommene selektive Veredelung ist eine Mischung aus Zinn und Gold. So gewährleistet die Vergoldung im Steckbereich eine entsprechende Korrosionsbeständigkeit und die Verzinnung im Lötbereich eine sehr gut Lötbarkeit.
 

Verzinnte Kontakte

Vergoldete Kontakte

Selektiv vergoldete Kontakte

Übliche Oberflächenveredelungen Empfohlen für Steckhäufigkeit, ca. 
verzinnt, 3-6µm 10
hauchvergoldet, ca. 0,1µm 10
vergoldet, 0,15µm 150
vergoldet, 0,25µm 200
vergoldet, 0,75µm 500
Palladium, 0,7µm über 0,1µm Gold 500

Die Sperrschicht aus Nickel beträgt in der Regel 1-3µm.

Die Kontaktpaarung zwischen zwei unterschiedlichen Kontaktoberflächen sollte vermieden werden. Kontaktoberflächen sollten nach Möglichkeit identisch sein und sind je nach Einsatzfall abzuwägen. Vergoldete Kontakte sind immer die beste Lösung. Preiswertere verzinnte Oberflächen bieten sich ggf. dann an, wenn Mikrobewegungen vermieden werden und die Anzahl der zu erwartenden Steckzyklen gering ist. Wissenswert ist auch, dass sich in der Kombination von Zinn und Gold höhere Steck- und Ziehkräfte zeigen, was akzeptabel sein muss. Gold mit Zinn erzeugt unter Einfluss von Feuchte gemäß der elektrochemischen Spannungsreihe eine Spannung von 1,56V. Das kann in analogen Systemen zu Spannungsverfälschungen führen und und digitale Systeme bei der Signalerkennung irritieren. Bei der Kombination von Silber und Zinn ist die Spannung 0,94 Volt.

Die Stiftspitzen

Es gibt unterschiedliche Verfahren die Stiftspitzen herzustellen. Die thermisch gerissene Stiftspitze hat keine scharfen Kanten an den Flanken und keine Gratbildung an den Stiftspitzen, so dass ein sauberes Einlaufen in den Buchsenkontakt gewährleistet ist. Gleiches gilt für die geprägte Stiftspitze (mehr zu Vor-Nachteile ggü. thermisch gerissen?). Das günstigste Verfahren ist die gestanzte Stiftspitze, allerdings dann mit scharfen Kanten an den Flanken und Gratbildungen an den gestanzten Flächen, was mehr zum Verschleiß beiträgt als die vorgenannten Verfahren.
 

Spitzen thermisch gerissen

Spitzen geprägt

Spitzen gestanzt

Vor- und nachverzinnte Kontakte

Bei vorverzinnten Kontakten sind die Enden der Kontaktstifte offen und nicht veredelt. Der verzinnte Draht wird entsprechend der gewünschten Länge der Kontakte mit einem thermischen Riss abgelängt. An der durch den thermischen Riss entstandenen Spitze fehlt dann die Veredelung. Bei nachverzinnten Kontakten sind die Enden der Kontaktstifte komplett veredelt. Zur Herstellung der Kontakte erfolgt der thermische Riss bei dem blanken Draht. Anschließend durchlaufen die Kontakte den Galvanikprozess und sind so durchgehend veredelt. Letzteres bedeutet jedoch einen kostenintensiveren Arbeitsschritt.

Kunststoffe

Isolierkörper aus Kunststoff haben den Zweck die Kontakte und Steckverbinder akkurat auszurichten und zu positionieren. Die Kontakte erhalten einen genau definierten Abstand und werden durch den Kunststoff von einander isoliert. In der Regel ist der definierte Abstand von Kontakt zu Kontakt gleich. Der Abstand nennt sich Rastermaß. Gängige Abstände sind beispielsweise metrisch 0,5mm; 0,8mm; 1,0mm; 2,0mm oder auch 4,0mm. Zöllisch findet sich häufig 0,635mm; 1,27mm; 2,54mm und 5,08mm.

Isolierkörper einreihig (links) und zweireihig

Die Produktion von Steckverbindergehäusen (Isolierkörper) findet in Spritzgussmaschinen statt, deren Werkzeuge je nach Ausbringungsmenge, mit zwei-, vier-, acht- oder 16-fachen Kavitäten (Vertiefungen) ausgelegt sind. Die Kavitäten entsprechen der Form des Gehäuses. Mit hohem Druck wird bei geschlossenem Werkzeug der Kunststoff heiß eingespritzt und anschließend ausgeworfen. Durch diese Mehrfachwerkzeuge werden die Herstellungskosten gesenkt, weil in jedem Spritzzyklus (ca. 25 Sekunden) die entsprechende Anzahl von Steckverbindergehäusen gefertigt wird. Die Kavitäten sind mit sogenannten Nestnummern gekennzeichnet, so dass im Fehlerfall eine Rückverfolgung der Produkte möglich ist. Anschließend werden die Steckverbindergehäuse als Schüttgut an Fertigungsautomaten zugeführt, die dann die Kontaktbestückung übernehmen.
 

Beispielhaftes 8-fach Spritzwerkzeug mit Kavitäten

Kontaktarten

Steckverbinder Fertigung

Kameraüberwachte Bestückung von Isolierkörper mit Kontakten

Einfacher Federkontakt

Federkontakt

Gestanzte Feder, die in der Regel aus einem Federwerkstoff (Bronze/Zinn) gefertigt wird. Die Ausführung ist kostengünstig herzustellen und eignet sich für Einsatzfälle mit geringer Steckhäufigkeit. Die Gabelfeder ist aufgrund Ihres Aufbaus nur für die Aufnahme von Vierkant oder Flachkontakten geeignet. Das Stanzwerkzeug muss im Kontaktbereich der Feder, dem inneren Bereich, eine hohe Genauigkeit aufweisen, um dort den Kontakt äußerst gratfrei zu produzieren. Bei zu rauen Stellen an diesen Kontaktflächen würde sonst sehr leicht – insbesondere bei verzinnten Kontakten – die Oberfläche des Stiftkontaktes aufgerissen. Wird die Kontaktfeder am Stanzstreifen hängend gefertigt und nicht als Schüttgut, kann eine Vergoldung recht sparsam und leicht im Kontaktierungsbereich der Feder in einer Bandgalvanik mittels Tauch oder Brush-Verfahren aufgebracht werden. Im Standard ist die Veredelung hauchvergoldet oder verzinnt. Für ca. 10 Steckzyklen verwendbar.

Flachkontaktfeder

Flachkontaktfeder

In der Regel sind Flachkontaktfedern für quadratische und rechteckige Stiftkontakte ausgelegt.  Auch Rundstifte sind möglich. Es gibt Ausführungen mit einseitiger und zweiseitiger Kontaktierung. Die Herstellung der Federkontakte erfolgt mittels Stanztechnik und die Beschichtung durch eine Bandgalvanik. Federkontakte mit Flachfedern sind interessant für einen Einsatz bis 200 Kontaktzyklen.

Präzisionskontakt

Präzisionskontakte

Präzisionskontakte sind eine spezielle Form von Federkontakten. Dieser Kontakt besteht aus zwei Teilen: eine galvanisierte Kontakthülse und ein galvanisierter Federkontakt, „Clip“ genannt. Die Kontakthülse beinhaltet auf der einen Seite einen Lötanschluss und eine Bohrung auf der anderen Seite. Diese Bohrung dient dann zur Aufnahme des Federteiles, dem Clip. Die Präzisionsbuchsenkontakte sind lötdicht, das bedeutet, beim Lötprozess kann von der Lötwelle oder dem SMT-Lötprozess her kein Lot in den Kontaktierungsbereich gelangen. Durch diese Eigenschaft eignet sich der Kontakt auch sehr gut wenn Elektronikmodule vergossen werden. 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 Fingerkontakte können einzeln ausweichen und gewährleisten für die Kontaktierung eine große Anzahl von Kontaktberührungspunkten und damit permanent eine gute Stromübertragung. Für die Eignung über 200 Steckzyklen.

Neben den vorgenannten Kontaktarten sind viele weitere Varianten im Markt erhältlich.

Stift- und Messerkontakte

Als Gegenstecker für die zuvor genannten Kontaktfederformen werden Stift- und auch Messerkontakte verwendet. Je nach Federkontakttyp können diese Gegenstecker eine quadratische, rechteckige oder zylindrische Form aufweisen. Es besteht die Möglichkeit mehrere oder sogar alle Formen miteinander zu kombinieren. So können unterschiedliche Buchsenleisten auf einer Stiftleiste kontaktiert werden.

Stiftleiste mit Rundstiften

Stiftleiste mit Vierkantstiften

Stiftleiste mit Flachkontaktstiften

Stiftleiste mit unterschiedlichen Kontakten

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