9-2022

Elektromechanik

Elektromechanik Steckverbinder, die was wegstecken Wie Board-to-Board-Steckverbinder Robustheit erlangen Ob in der Luft- und Raumfahrt, in der industriellen Automation, im Transport- oder im Gesundheitswesen: Steckverbinder müssen stets eine zuverlässige Signalübertragung gewährleisten und dürfen dabei unter keinen Umständen ausfallen. Gleichzeitig sind sie dabei einer Reihe von Belastungen durch ihre Umgebung ausgesetzt: Mechanische Einwirkungen wie Schock, Vibration und Schwingungen gefährden die Stabilität der Datenübertragung ebenso wie thermische und chemische Umwelteinflüsse durch Extremtemperaturen, starke Temperaturschwankungen, Schadgase, Feuchtigkeit und Schmutz. Hersteller qualitativ hochwertiger Steckverbinder ziehen daher ein ganzes Register an Möglichkeiten, um ihre Stecker gegen diese Belastungen zu wappnen. Grund hierfür sind Weiterentwicklungen in der Materialzusammensetzung sowie im Produkt design, beispielsweise in der Isolierkörpergeometrie (Bild 1). Einflussfaktor Oberfläche Eine Vielzahl von Faktoren wirkt sich auf die Robustheit eines Steckverbinders aus. Einer davon ist die Kontaktoberfläche. Diese bestimmt maßgeblich die Lebensdauer des Steckers, die in der Regel in Steckzyklen gemessen wird. Beim Feldeinsatz ist der Steckverbinder gewissen Mikrobewegungen ausgesetzt. Diese führen zu Oberflächenabrieb und infolgedessen zu Oxidbildung (Bild 2). Die Konsequenz ist ein erhöhter Übergangswiderstand und damit eine schlechtere Qualität in der Signal übertragung. Daher gilt es, mithilfe einer qualitativ hochwertigen und haltbaren Kontaktbeschichtung den Oberflächenabrieb beim Steckvorgang sowie im Betrieb auf ein Minimum zu reduzieren. Dafür müssen sowohl Messer- als auch Federkontakt eine entsprechend glatte Oberfläche aufweisen. Trotz steigender Preise benutzt man Gold aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit und hervorragenden Leit fähigkeit noch heute gerne für Oberflächenbeschichtungen. Da reines Gold weich ist, wird es mit einem Anteil von 0,2 bis 0,3 Prozent Kobalt oder Nickel legiert und so Hartgold gewonnen. Wer jedoch eine preisstabilere Alternative zu diesem Schichtaufbau sucht, kann beispielsweise auf eine Legierung aus Nickel und Phosphor mit Goldflash Autoren: Martin Adamczyk, Laura Mitlewski ept GmbH www.ept.de Robustheit trotz Miniaturisierung Die moderne Elektrotechnik unterliegt einem Trend mehr denn je: der Miniaturisierung. Baugruppen und ihre Komponenten müssen dabei nicht nur immer leistungsfähiger, sondern auch immer kleiner werden. Dennoch kommen sie häufig unter rauen Realbedingungen zum Einsatz. Bauteile wie auch Steckverbinder werden daher bei gleichbleibender Belastung immer filigraner. Ein wertiger Steckverbinder trotzt diesem Stress jedoch nicht nur ebenso gut wie sein älterer und größerer Bruder, sondern sogar besser. Bild 1: Ein alter DIN-Stecker der Reihe D im Raster 5,08 mm und darunter der neue Zero8 im Raster 0,8 mm 132 PC & Industrie 9/2022

Elektromechanik Bild 2: Abrieb und Korrosion der Kontaktoberfläche Bild 3: Federtulpe des One27 nach dem Stanzbiegeprozess zurückgreifen. In ganz bestimmten Anteilen kombiniert zeigen diese beiden Werkstoffe die positiven Eigenschaften, die auch Gold mit sich bringt: hohe Korrosionsbeständigkeit, ausgeprägte Verschleißfestigkeit und hervorragende Leitfähigkeit. Um Diffusionen zwischen Kontakt material und Oberflächenbeschichtung zu verhindern, wird oftmals eine sogenannte Nickel-Sperrschicht eingesetzt. Mithilfe dieser Barriere können Korrosionen vermieden werden. Einflussfaktor Kontaktdesign Die Kontakte eines Steckverbinders werden gestanzt oder gedreht. Beim Stanzen entsteht auf der Unterseite des Stanzbandes jedoch eine unter dem Mikroskop sichtbare in homogene, scharfkantige Oberfläche. Herkömmliche Systeme kontaktieren auf dieser Stanzkante, was mit einem verstärkten Ober flächenabrieb und daher mit höherem Übergangswiderstand einhergeht. Dies kann umgangen werden, wenn man die Federtulpe im sogenannten Stanzbiegeprozess um 90 Grad biegt, sodass sie mit der glatten, gewalzten Fläche auf den Messerkontakt trifft (Bild 3). Doch nicht nur das Design der Federleiste, sondern auch das der Messerleiste sind ausschlaggebend für die Langlebigkeit des Steckverbinders. Denn auch letztere müssen sauber gestanzt und weiterverarbeitet werden, um schadhafte, scharfe Geometrien zu vermeiden. Einflussfaktor Kontaktsystem Bild 4: Schematische Darstellung: doppelseitiger Federkontakt des One27 ohne (links) und mit Schockeinwirkung (rechts) Klassische zweiteilige Steckverbinder verfügen über einen Messer- und einen Federkontakt. Im Falle starker Schockeinwirkung kann die Messerleiste jedoch von der Federleiste abheben. Damit es nicht zu einer solchen Kontaktunterbrechung kommt, kann mithilfe einer doppelseitigen Federleiste für Redundanz und somit für Kontaktsicherheit gesorgt werden, denn durch die zweite Feder ist die Signalübertragung zu jeder Zeit mindestens über einen Kontaktpunkt sichergestellt (Bild 4). Noch robuster sind dagegen Steckverbinder mit sogenanntem „genderneutralem“ Kontaktsystem. Die Besonderheit besteht dabei in den identischen Kontaktgeometrien von den Steckerhälften, Plug und Socket. Beide verfügen demnach sowohl über eine Feder, als auch ein Messer. So wird jeder Pin von zwei Federn kontaktiert, Plug und Socket sind dabei ineinander verschränkt und können nicht voneinander abheben. Während eine doppelseitige Federleiste unter mechanischer Belastung immer mindestens einen Kontaktpunkt sicherstellt, gewährleisten die verschränkten Geometrien bei genderneutralen Kontaktsystemen, dass die Signalübertragung immer über zwei Kontaktpunkte läuft. Diese hohe Redundanz ermöglicht somit maximale Kontaktsicherheit (Bild 5). Hinsichtlich seiner Robustheitseigenschaften wird das genderneutrale Kontaktsystem nur von einteiligen Steckverbindern übertroffen. Diese verzichten dabei gänzlich auf das klassische zweiteilige Kontaktprinzip aus Messer- und Federleiste. Durch den Wegfall des vulnerablen Kontaktbereichs haben einteilige Steckverbinder nicht nur die höchste Widerstandsfähigkeit gegen Schock, Vibration, Feuchtigkeit, Staub und atmosphärische Bedingungen, sondern eignen sich auch für den Verguss und andere Komponentenschutzverfahren. In Kombination mit der Einpresstechnik stellen sie die sicherste mechanische und elektrische Verbindung zweier Leiterplatten dar (Bild 6). Einflussfaktor Anschlusstechnik Es gibt verschiedenen Möglichkeiten, Steckverbinder auf den Leiterplatten anzubringen. Eine davon ist die bereits erwähnte Einpresstechnik. Sie hat zum Ziel, unter möglichst geringer Einpresskraft möglichst hohe Haltekräfte zwischen Steckverbinder und Leiterplatte zu realisieren. Die Haltekräfte entscheiden über die mechanische Verbindung, die wiederum Schock und Vibration trotzen muss. Diese Anschlusstechnik ist ein milliardenfach bewährtes Verfahren, bei dem ein Einpressstift in ein durchkontaktiertes Loch in der Leiterplatte gepresst wird (Bild 7). Dabei hat der Einpressstift eine größere Diagonale als der Lochdurchmesser der Leiterplatte. Der Steckverbinderstift ist in der Ein- Bild 5: Ein Schnitt durch den Zero8-Steckverbinder zeigt das genderneutrale Kontaktsystem PC & Industrie 9/2022 133