Ein Leiterplattensteckverbinder ist eine Baugruppe mit vergleichsweise geringer Anzahl an Komponenten. Das macht den Einfluss der verwendeten Materialien der einzelnen Teile aber umso einflussreicher und ausschlaggebender. Selbstverständlich besteht die Option, ausschließlich Materialien zu wählen, welche die höchste Performance und langlebige Qualität bieten. Letztendlich wirkt sich diese Entscheidung aber negativ auf die Preisgestaltung des Produktes aus und schließt es letztendlich aus einer ökonomischen Lieferkette aus. Wie die benötigten Anforderungen durch die Materialauswahl zu erreichen sind und sich gleichzeitig das finanzielle Projektvolumen gering halten lässt, wird in den folgenden Abschnitten näher erörtert.
Kupfer ist nicht gleich Kupfer – die Legierung macht den Kontakt
In einem Großteil der Anwendungen besteht der Kontakt von Stift- und Buchsenleisten aus einer Kupferlegierung. Dafür sprechen eine gute elektrische und somit auch thermische Leitfähigkeit, eine überdurchschnittliche Widerstandsfähig gegenüber Derating und die Möglichkeit auf hervorragende mechanische Bearbeitung.
Die verschiedenen Kupferlegierungen haben jeweils ihre eigenen besonderen Vorteile. Die Stärke von CuSn (Bronze) besteht darin, dass das Material sich sehr gut kaltumformen und bearbeiten lässt. Demnach ist die Bronze prädestiniert dafür, die Stiftkontakte prägend aus dem Rohdraht herauszutrennen. Zwar handelt es sich hierbei auch um ein Trennverfahren, die Prägung der Kontaktstiftenden fällt aber in den Bereich der Kaltumformung. Ebenso ist eine gute Stanzbarkeit gegeben, weshalb gestanzte Gabelkontakte für Buchsenleisten häufig aus Bronze hergestellt werden. Der Vorteil der exzellenten Kaltumformbarkeit zeigt sich erneut, nachdem der Kontakt mit dem Isolierkörper verbunden wurde. Insbesondere für die Verwendung abgewinkelter und oberflächenbestückter Steckverbinder, lassen sich die Kontakte mithilfe des korrekten Werkzeugeinsatzes auch weit über den rechten Winkel hinwegbiegen. Der Endanwender muss hierbei keinen Ausfall des Steckverbinders durch Gefügeschäden oder einen Bruch des Kontaktes fürchten. Materialien wie CuSn6 sind für solche Anwendungen ideal und brechen mit der richtigen Wärmevorbehandlung auch unter extremen Bedingungen nicht. Auch wenn Bronze aufgrund des Kupfergrundwerkstoffes eine passable Leitfähigkeit aufweist, befindet sie sich damit nur in der unteren Hälfte der Möglichkeiten, die durch Kupferlegierungen gegeben sind. Mit einer Messinglegierung erreicht man eine doppelt so hohe Leitfähigkeit von bis zu 18 MS/m.
Diese kommt vorrangig zum Einsatz, sobald dem Steckverbinder hohe Ströme auf einem geringen Kontaktquerschnitt abverlangt werden. Hierdurch wird einerseits die Miniaturisierung des PCB-Footprints durch den Einsatz kleinerer Kontakte gefördert, andererseits erlaubt ein geringerer Querschnitt bedeutende Materialeinsparungen. Zudem ist die Zerspanbarkeit der meisten Messinglegierungen sehr gut. Einen Vorteil tragen die runden Kontakte von Präzisionsstift- und buchsenleisten davon. Die qualitative Fertigung dieser feingedrehten Komponenten ist ohne eine entsprechende Spanbildung nicht realisierbar. Um die beste Zerspanbarkeit zu garantieren, wird die Messinglegierung noch mit einem geringen Bleianteil versehen.
Übergangswiderstände mit der richtigen Beschichtung reduzieren
Beschichtungen und Veredelungen haben Einfluss auf viele Faktoren, die eine optimale Steckverbindung definieren. Hierzu gehören mitunter die Anzahl maximal erreichbarer Steckzyklen, ein geringer Übergangswiderstand für eine gute Leitfähigkeit auch unter hohen Strömen und Temperaturen, aber überwiegend die Beständigkeit gegen ungewünschte Reaktionen mit dem Sauerstoff der Luft oder anderen Kontaktmaterialien. Im Bereich der Leiterplattensteckverbinder sind Gold und Zinn wohl die gängigsten Beschichtungen. Es benötigt keine starke Beschichtungsstärke, um von der hervorragenden Leitfähigkeit, der guten Lötbarkeit und dem Korrosionsschutz des Goldes zu profitieren. Unter Berücksichtigung des stetig steigenden Goldpreises wird diese Schichtstärke dennoch häufig bis auf Hauchvergoldungen herabgesenkt. Diese besitzen dann nur noch einen Bruchteil der Eigenschaften einer standardmäßigen Goldschicht. Die Konsequenz daraus ist ein erhöhter Überganswiderstand und in sehr dünnen Fällen eine rissige Goldschicht, welche sich bereits nach wenigen Steckzyklen abreibt. Sogar mithilfe eines Spektrometers ist die Goldschichtstärke von flashvergoldeten Low-Cost-Steckverbindern in Extremfällen kaum messbar und liegt unter 0,01 μm.
Alternative Kontakt- und Beschichtungswerkstoffe
Als Diffusionssperre zwischen Kontaktmaterial und Veredelungswerkstoff, wird in der Regel eine Diffusionssperre aus Nickel aufgetragen. Diese sorgt dafür, dass beispielsweise Gold nicht in den Kupfergrundwerkstoff hineindiffundiert und das an der Oberfläche liegende Kupfer oxidiert. Es gibt hingegen auch Anwendungen, in denen Nickel aufgrund seines Ferromagnetismus nicht eingesetzt werden darf. Wird der Steckverbinder in einem starken Magnetfeld (Beispiel: Medizintechnik, MRT) eingesetzt, so ist eine sichere Verbindung auf der Platine aufgrund von magnetischen Feldern und starker Hitzeentwicklung nicht mehr gewährleistet. Eine gute Alternative für einen solchen Fall ist etwa Titan.
Wie im Bild zu erkennen, besitzt Silber die unangefochten beste Leitfähigkeit unter allen Metallen, weshalb es ebenfalls Anwendung als Beschichtungswerkstoff von Kontakten findet. Der Nachteil einer Silberbeschichtung besteht in der Bildung einer Passivschicht, welche den Stromfluss zwischen zwei Kontrahenten hemmt. Abhilfe schafft hier eine zusätzliche Passivierung des Silbers. Dieser zusätzliche Fertigungsschritt und die hohen Kosten des Silbers sind der Grund für den eher seltenen Einsatzes des Silbers als Veredelungswerkstoff.
Vorteile eines Isolierkörpers aus hochwertigem Kunststoff
Sind die korrekt dimensionierten Kontakte gewählt, müssen diese noch über einen Isolierkörper in die Form einer Stift- oder Buchsenleiste gebracht werden. Obwohl Isolierkörper keine hochkomplexen Geometrien aufweisen, ist der Anspruch an diese Komponente mit Hinsicht auf die Endanwendung enorm.
Der Marktanteil reflowlötfähiger Steckverbinder ist seit Jahren im rasanten Wachstum. Dabei ist es für einen Isolierkörper unabdinglich den Temperaturen des Reflowprozesses von bis zu 260 °C über mehrere Minuten standzuhalten. Es reicht nicht aus lediglich die Haltekräfte der Kontakte beizubehalten; die Formstabilität des Isolierkörpers muss auch unter extremen Umgebungsbedingungen gegeben sein. Ansonsten besteht bei hochpoligen SMT-Steckverbindern die Gefahr, dass die Durchbiegung des Isolierkörpers das Abheben der Kontakte vom Lötpad verursacht. Mit einer misslungenen Kontaktierung hätte der gesamte Steckverbinder seine Anwendung verfehlt. Daher muss die Geradheit des Isolierkörpers durch den Kunststoff garantiert sein. Insbesondere für SMT-Bauteile eignen sich Polyamide sehr gut, da sie eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Nylon (Polyamid 46) versetzt mit 40 Prozent Glasfaser hat eine exzellente Formstabilität und garantiert beim adäquaten Spritzgießvorgang eine Geradheit, die auch bei langen Stiftleisten jeglichen Kontakt auf der Platine gewährt. Diese Festigkeit und Zähigkeit erlauben dem Konstrukteur, Kunststoffisolierkörper deutlich dünnwandiger und folglich materialsparender zu designen. Ein weiterer Vorteil des Polyamids liegt in der Wiederverwendung. Polyamide lassen sich sehr gut recyceln und regranulieren. Hochwertig regranuliertes Polyamid hat keinen qualitativ auffälligen Unterschied zur Neuware und trägt zu einer nachhaltigen und preisschonenden Produktgestaltung bei. Ersatzweise zu einem PA 46 lässt sich ein PBT einsetzen. Die mechanischen Eigenschaften und die Temperaturbeständigkeit sind zwar geringer als beim PA 46, sollte die Anwendung jedoch nicht nach der hohen Performance verlangen, lassen sich mit PBT auch qualitativ hochwertige Applikationen realisieren.
Sollte der Steckverbinder einer anspruchsvollen Temperaturumgebung ausgesetzt sein, in welcher dauerhaft Temperaturen von weit über 200 °C herrschen, empfiehlt es sich ein LCP zu verwenden. Dieses ist zwar in Bezug auf die mechanischen Kennwerte einigen technischen Polyamiden gegenüber im Nachteil, ist jedoch Temperaturen von über 240 °C dauerhaft resistent und hat ebenfalls einen deutlich höheren Isolationswiderstand. Ökonomisch gesehen sollte LCP nur eingesetzt werden, wenn es tatsächlich vonnöten ist. Ansonsten ist das Material in der Beschaffung deutlich teurer als vergleichbare Polyamide.
Fazit
Die Materialauswahl bei Leiterplattensteckverbindern ist außerordentlich wichtig. Bei den Kontakten kann ein falsches Material aufgrund zu geringer Leitfähigkeit zu starker Hitzeentwicklung und unzureichender Übertragung oder gar dem Ausfall der Elektronik führen. Auch das Material der Isolierkörper muss auf die Umgebungstemperatur und die Geometrie der Endanwendung abgestimmt sein. Ansonsten kann es auch hier zu mangelnder Kontaktierung oder zur Trennung von Isolierkörper und Kontakt kommen. Kostensparende Materialien mit qualitativ nachteiligen Kennwerten sollten nur eingesetzt werden, wenn der Anspruch an den Steckverbinder im expliziten Anwendungsfall ausreicht.
