Schneid-Crimp-Anschluss für die SMD-Montage

Platzsparende und robuste Methode zum Anschluss von Leitungen an SMD-Baugruppen

10.08.2010 | Autor / Redakteur: Janos Legardy, Zierick und Karmen Papic, Werner Wirth / Claudia Mallok

Der SMD-fähige Schneid-Crimp-Anschluss - Crimp IPC (Insulation Piercing Connector) - ist prädestiniert für Beleuchtungssysteme mit LEDs

Crimp IPC (IPC: Insulation Piercing Connecor) bezeichnet eine neuartige Methode zum Anschluss von Leitungen an SMD-Baugruppen. Die neue Wire-to-Board-Verbindung des US-amerikanischen Steckverbinderspezialisten Zierick ist kostengünstiger als alle bisher bekannten Methoden und benötigt minimalen Platz auf der Leiterplatte. Der Schneid-Crimp-Anschluss für die SMD-Montage ist außerdem robust, wie Zuverlässigkeitstests bestätigen.

Um das Prinzip und die Möglichkeiten der neuen Anschlussmöglichkeit von Leitern an die Leiterplatte zu veranschaulichen, ist es sinnvoll, die konventionelle Methoden zum Anschließen von Leitungen zu betrachten. Die drei üblichen Wire-to-Board-Verbindungssysteme sind:

1. Stift und Steckbuchse oder Tab und Anschlussbuchse

Diese Leitungsanschlussmethode besteht aus einem System mit zwei trennbaren Einzelteilen: Ein Teil wird auf der Platine montiert, das entsprechende Gegenstück ist auf der Leitungsseite – normalerweise durch Crimpen - befestigt.

Dies ist die am häufigsten verwendete Methode. Sofern sie korrekt ausgeführt ist, ist sie durchaus zuverlässig, trotz ihrer drei Kontaktflächen: Eine ist die gelötete Kontaktfläche zwischen der Platine und dem Kontaktstift und der Anschlussbuchse. Die zweite ist die Kontaktfläche der trennbaren Verbindung zwischen dem Stift und dem Anschlussstecker. Die dritte ist die Kontaktfläche zwischen den Leitungsadern und dem Stift.

Der klassische Anschluss von Leitern auf der Leiterplatte aus Stift und Steckbuche lässt sich bei Bedarf trennen
Der klassische Anschluss von Leitern auf der Leiterplatte aus Stift und Steckbuche lässt sich bei Bedarf trennen

Der Hauptvorteil dieses Systems besteht darin, dass es sich dabei um eine trennbare Verbindung handelt, die ein häufiges Trennen und Zusammenstecken aushält. Der Nachteil dieser Art von Leitungsanschluss sind seine Kosten. Dies ist die teuerste aller Methoden, weil sie zwei Verbindungskomponenten erfordert, zwei separate Montagen - eine auf der Platine und eine an der Leitung - und schließlich eine letzte Verbindung, um beide Teile zusammenzustecken.

2. Leitung direkt an die Platine löten

Diese Variante benötigt wenig Platz auf der Platine und hat eine einzelne angelötete Kontaktschnittstelle. Der Nachteil ist, dass diese Verbindung in der Regel handgelötet und daher teuer ist. Außerdem hängt die Qualität der Lötverbindung vom jeweiligen Arbeiter ab. Auch gibt es keine Prozesssicherheit und Nachverfolgbarkeit.

Das Anlöten einer Leitung an eine durchkontaktierte Platine ist relativ einfach, da die Leitung im Loch fixiert wird, bei einer SMT-Platine ist es jedoch schwieriger. Die Leitung muss ruhig gehalten werden, bis das Lötzinn fest ist, um die Intaktheit der Lötverbindung sicherzustellen.

3. Schneidklemmanschluss (IDC)

Torsions-Schneidklemmanschluss (IDC Insultaion Displacement Connector)
Torsions-Schneidklemmanschluss (IDC Insultaion Displacement Connector)

Hier wird eine Leitung mit Hilfe eines Schneidklemmanschlusses an einer SMT-Platine angeschlossen. Der Vorteil von IDCs ist, dass sie eine preiswerte Möglichkeit für den Leitungsanschluss bieten. Dieses Verbindungssystem braucht nur eine Komponente, im Unterschied zu der Methode mit Kontaktstift, die zwei Komponenten benötigt. Weitere Vor- und Nachteile hängen von der Art des Schneidklemmanschlusses ab.

Der konventionelle IDC
Der konventionelle IDC

Der konventionelle Schneidklemmanschluss, wie ihn die nebenstehende Abbildung zeigt, funktioniert gut mit einem ganz bestimmten Leitungsdurchmesser in einer „verbindungsfreundlichen“ Umgebung, hält aber keinen rauen Bedingungen stand, wie sie typisch sind für Anwendungen in der Industrie und in Autos.

Außerdem benötigt er ein separates Kunststoffgehäuse als Zugentlastung für die Leitung, so dass ein Teil des Kostenvorteils einer Verbindung mit nur einer Komponente wieder verloren geht.

Der Torsions-IDC zeigt eine Verbesserung gegenüber einem konventionellen Schneidklemmanschluss. Ein einzelner Anschluss kann zuverlässig einen großen Bereich von Leitungsdurchmessern aufnehmen. Er widersteht auch rauesten Umgebungen, wie Erschütterungen, Vibrationen und hohen Temperaturen, wie sie bei Automotivanwendungen vorkommen. Der Anschluss kann mehrere Male getrennt und neu verbunden werden, im Unterschied zum konventionellen Schneidklemmanschluss. Er kann auch für eine teilweise Zugentlastung sorgen.

Der Nachteil des Torsions-Schneidklemmanschlusses ist sein großer Platzbedarf wegen seines klassischen Torsionskanal-Designs sowie der Tatsache, dass er nur eine teilweise Zugentlastung bietet.

Schneidklemm-Crimpanschluss für die Oberflächenmontage: Die neue Methode zum Anschluss von Leitungen an SMD-Leiterplatten

Crimp IPC (Insulation Piercing Connector): Schneid-Crimpanschluss für die Oberflächenmontage (Festmodell ehe er auf der Platine montiert wird
Crimp IPC (Insulation Piercing Connector): Schneid-Crimpanschluss für die Oberflächenmontage (Festmodell ehe er auf der Platine montiert wird

Der neue SMT-Schneid-Crimp-Anschluss wurde 2009 mit dem Higgins-Caditz-Award ausgezeichnet. Der SMT-Anschluss hat eine flache Basis, die für die Oberflächenmontage geeignet ist. Zwei Kontaktdornen für die elektrische Verbindung stehen aus der flachen Basis hervor.

Die flache Basis des Anschlussteils lässt sich mit SMD-Bestückautomaten auf die Leiterplatte setzen
Die flache Basis des Anschlussteils lässt sich mit SMD-Bestückautomaten auf die Leiterplatte setzen

Der Anschluss hat zwei Seitenwände, die im rechten Winkel zur Basis angebracht sind. An jeder Seitenwand liegt eine tief eingekerbte Rinne in der Nähe der Basis, parallel zur Anschlussbasis. Innerhalb des Anschlusses, zwischen den beiden Kontaktdornen, gibt es einen flachen Bereich, um die Nozzle-Aufnahme des Anschlusses durch SMT-Bestückautomaten problemlos zu ermöglichen.

Crimp IPC-Anschluss nach dem Reflowlöten
Crimp IPC-Anschluss nach dem Reflowlöten

Nach der Platzierung des Anschlusses sowie aller weiterer Komponenten auf der Platine wird die Baugruppe durch einen Reflowofen geschickt, wo alle Komponenten auf der Platine gelötet werden. Das Lot hat sich um die gesamte Basis sowie auch im Innern des Anschlusses in den beiden dreieckigen Löchern ausgebreitet. Diese mehrfach gelöteten Oberflächen halten den Anschluss sicher auf der Platine fest. Die zwei dreieckigen Öffnungen sind beim Stanzen der Kontaktdornen aus dem Basismaterial entstanden.

Diese Öffnungen sorgen nicht nur für zusätzliche Lötzinnbahnen, sondern ermöglichen auch das Entweichen von Gasen. Es ist eine bekannte Tatsache, dass es beim Aufschmelzen der Lötzinnpaste zum Ausgasen kommt. Eingeschlossene Gase wirken sich negativ auf die Integrität von SMT-Lötverbindungen aus, da sie Hohlräume erzeugen. Diese eingeschlossenen Gase treten besonders häufig auf, wenn große flache Oberflächen wie eine Anschlussbasis gelötet werden. Die dreieckigen „Lüftungslöcher“ ermöglichen das Entweichen des Gases, was die Bildung von Hohlräumen minimiert.

Das Ergebnis ist eine stärkere Verbindung, die widerstandsfähiger gegenüber Temperaturschocks und thermischer Wechselbeanspruchung ist.

Keine echte Crimp-Verbindung

Obwohl der Schneidklemm-Crimpanschluss für die Oberflächenmontage dem konventionellen Crimpverfahren ähnelt, handelt es sich hierbei nicht um eine echte Crimp-Verbindung. Bei einer echten Crimpverbindung wird die Isolierung von den Leitungsadern entfernt. Das Anschluss-Crimpen erfolgt mit einem zweiteiligen Crimp-Werkzeug, das aus Dorn und Amboss besteht. Die daraus resultierende Hochdruckverbindung ist sehr empfindlich in Bezug auf Form, Abmessungen und Kraft beim Crimpen.

Crimpen des Anschlusses
Crimpen des Anschlusses

Eine echte Crimp-Verbindung ist für SMD-Fertigung nicht besonders gut geeignet. Es wäre schwierig, einheitliche Crimp-Vorrichtungen zu haben, weil die Dicke von Platine und Lötzinn stark variiert. Darüber hinaus würde die für die Hochdruckverbindung erforderliche Crimp-Kraft die Platine beim Anschließen der Leitung unerwünschten Komprimierungskräften aussetzen.

Der hier vorgestellte Anschluss bietet eine Schneid-Crimp-Verbindung. Den Querschnitt der angeschlossenen Leitung zeigt das nebenstehende Bild. Die Leitung muss vor dem Anschließen nicht abisoliert werden. Die Verbindung wird durch die 2 Kontaktdornen hergestellt, die in die Leitungsadern gepresst werden. Die gebogenen „Crimp-Laschen“ am Anschluss halten die Spitzen in der Leitung und sorgen für eine Zugentlastung des Leiters.

Weniger Kraft als beim konventionellen Crimpen erforderlich

Das neue Schneid-Crimp-Verfahren erfordert deutlich weniger Kraft zum Anschließen einer Leitung als konventionelles Crimpen. Daher wird die Stoßbeanspruchung der Platinenbaugruppe minimiert. Dieses Verfahren bietet eine zuverlässige Verbindung über einen großen Bereich von Crim-Kräften hinweg, sodass es nicht empfindlich hinsichtlich der Crimp-Kraft ist. Es kann bei unterschiedlichsten Stärken von Leiterplatte und Lötzinn zum Einsatz kommen.

Während der Produktion ist kein separater Schritt erforderlich, um die Leitung in den Anschluss einzulegen. Vielmehr drückt die Anschlusspresse die Leitung automatisch im Anschluss fest.

Diese Methode ist zwar eine hervorragende und preiswerte Lösung für alle Anwendungen, wo es um eine permanente Leitungsverbindung zu einem SMT-Board, doch das größte Interesse kommt von Seiten der LED-Beleuchtungsbranche. Diese Methode ist besonders gut geeignet, wenn die Leitung durch den Anschluss geführt wird und zahlreiche serielle Verbindungen zu einer einzelnen Leitung hergestellt werden, wie beispielsweise bei Leuchtbuchstaben

Auf Seite 2: Der Schneidklemm-Crimpanschluss für die Oberflächenmontage im Test

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