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Bewegliche Anschlussklemmen für mehr Flexibilität

Autor / Redakteur: Petra Adamik * / Kristin Rinortner

SMD-Klemmen, deren Kontaktelemente in alle Richtungen frei beweglich sind und zuverlässig auf der Leiterplattenoberfläche bzw. der Lötstelle aufsetzen, optimieren die Leiterplattenbestückung.

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SMT optimiert die Leiterplattenbestückung: 
Bei der Oberflächenmontage werden elektrische 
Komponenten direkt auf der Oberfläche einer Leiterplatte montiert und schaffen somit mehr Fläche für weitere Komponenten. Bewegliche Anschlussklemmen sorgen für mehr Flexibilität bei der Bestückung.
SMT optimiert die Leiterplattenbestückung: 
Bei der Oberflächenmontage werden elektrische 
Komponenten direkt auf der Oberfläche einer Leiterplatte montiert und schaffen somit mehr Fläche für weitere Komponenten. Bewegliche Anschlussklemmen sorgen für mehr Flexibilität bei der Bestückung.
(Bild: Weco)

Auch in der Elektronikfertigung zeigt sich der allgemeine Trend zu immer kleineren Komponenten. Durch das „Internet of Things“ (IoT) sowie den Siegeszug von Industrie 4.0 steigt der Bedarf an platzsparenden Lösungen.

Bei der Leiterplattenbestückung ist daher neben Leistungsstärke auch Anpassungsfähigkeit gefragt. Die Surface Mounted Technology (SMT) setzt sich deshalb im Bereich der Leiterplattenbestückung auch bei Lösungen für Industrieanwendungen zunehmend durch.

Ihren Siegeszug begann die Oberflächenbestückung im Bereich der Unterhaltungselektronik. Mittlerweile ist diese Technik auch in anderen Bereichen, beispielsweise der Industrie-Elektronik, der Büro- und Datentechnik, der Nachrichtentechnik, der Kfz-Elektronik sowie der Steuerungs- und Messtechnik angekommen. Gründe dafür sind die Wirtschaftlichkeit, aber auch die technischen Vorteile von SMT.

Leiterplatten sollen heute auf beiden Seiten mit allen notwendigen aktiven und passiven Komponenten bestückt sein. Das ist besonders für Anwendungen entscheidend, bei denen nur ein geringer Einbauraum zur Verfügung steht. Hier bietet sich die Oberflächenmontage als ideale Alternativlösung an.

Bei SMT werden kleinste Bauelemente verwendet, die nicht mehr mit Pins ausgestattet sind, sondern direkt auf die Leiterplatte gelötet werden. Dadurch entfallen Bohrungen für die Montage der notwendigen Komponenten. Die Leiterplattengestaltung wird für Entwickler aufgrund dessen deutlich flexibler, da somit auch die rückseitige Belegung der Leiterplatte mit zusätzlichen Komponenten möglich wird.

Das macht SMT auch für die Herstellung kleinerer Baugruppen oder als Lösung für spezifische Applikationen interessant. Darüber hinaus wird die Palette der verwend­baren Trägermedien größer. So können beispielsweise auch Glasträger verwendet werden, bei denen eine Bohrung nicht möglich ist. Stattdessen werden die Leiterbahnen auf diese Grundfläche aufgedampft.

Einschränkungen werden obsolet

Allerdings stieß der Einsatz von SMD-Bauteilen bislang auch an seine Grenzen. Betroffen davon waren Steckverbinder ab einer gewissen Baugröße sowie einem Rastermaß von mehr als 2,54 mm. Hier war nach wie vor die Durchsteckmontage (THR) notwendig, um die Komponenten auf der Leiterplatte zu befestigen. Der Grund dafür ist, dass der Leiteranschluss und die Stromversorgung bei höheren Strömen und Spannungen entsprechend größere Abmessungen benötigen.

Leiterplattenklemmen sind zudem größeren mechanischen Belastungen ausgesetzt als andere passive oder aktive Elektronikbauteile. Bei der Montage kommt es zu einer enormen Kräfteentwicklung, sei es durch das Anschließen von elektrischen Leitern oder das Aufbringen einer korrespondierenden Steckerleiste. Vermutungen legen nahe, dass die Haltekräfte der Klemme den Installationsanforderungen nicht immer standhalten. Aus diesem Grund lösten sich die Bauteile häufig von der Leiterplatte.

Bild 1: Die Floating Pin-Technologie stellt die Koplanarität der Kontaktflächen zur Leiterplatte sicher (Prinzipdarstellung).
Bild 1: Die Floating Pin-Technologie stellt die Koplanarität der Kontaktflächen zur Leiterplatte sicher (Prinzipdarstellung).
(Bild: Weco)

Weco hat jahrelang Grundlagenforschung betrieben, um diese Problematik in den Griff zu bekommen und eine adäquate Lösung auf den Markt zu bringen. Im Zuge der Forschungsarbeit stellte sich heraus, dass eine zuverlässige Haltekraft der Klemme nur dann gewährleistet ist, wenn die Lötstellen zuverlässig auf der Leiterplatte kontaktieren. Das gilt ausnahmslos für alle Lötstellen. Bei größeren Bauteilen oder großpoligen Anschlussklemmen wird gerade das allerdings zum Problem.

Schwimmende Kontakte bieten neue Optionen

Mit so genannten schwimmenden Kontakten wurde eine Lösung entwickelt, die ein breites Anwendungsspektrum bietet. Diese Kontaktelemente sind – je nach Bauart in alle Richtungen frei beweglich und setzen zuverlässig auf der Leiterplattenoberfläche beziehungsweise der Lötstelle auf. „Bei SMD-Bauelementen erzielen wir so eine hundertprozentige Koplanarität“, sagt Detlef Fritsch, Geschäftsführer von Weco Contact. „Die Größe der Bauteile oder die Polzahl haben keinen Einfluss mehr auf das Endergebnis.“

Bild 2: Die Stiftleiste 110-M-221-SMD zeichnet sich durch die sogenannten „Floating Pins“ aus, welche in Vertikalrichtung beweglich sind und eine 100%ige Koplanarität erzielen. Gut zu sehen in der Schnittdarstellung.
Bild 2: Die Stiftleiste 110-M-221-SMD zeichnet sich durch die sogenannten „Floating Pins“ aus, welche in Vertikalrichtung beweglich sind und eine 100%ige Koplanarität erzielen. Gut zu sehen in der Schnittdarstellung.
(Bild: Weco)

Aufgrund der letzten Forschungsergebnisse konnte das verfügbare Produktspektrum deutlich erweitert werden. Aktuell stehen kleine Ausführungen im Raster 3,5 mm zur Verfügung, aber auch Modelle im Raster von 5 mm. Die Anschlussklemme 930-D-SMD-DS im Raster von 3,5 mm beispielsweise ist für einen Leiterquerschnitt von 1 mm² geeignet. Der Klemmkörper ist beweglich im Gehäuse angebracht. Eine Besonderheit bei dieser Variante ist, dass keine seitlichen Lötflansche zur Vergrößerung der Lötoberfläche notwendig sind. Dennoch bietet bereits die zweipolige Ausführung eine Platinenabreißkraft von über 100 N.

Auch Bauteile mit einem Raster von 5 mm stehen mittlerweile in SMD-Technik zur Verfügung. Dazu gehört die Leiterplattenklemme 140-A-126-SMD. Bei dieser Klemme ist der Klemmbügel mit der Lötfahne aus einem Stück hergestellt und fest im Gehäuse inte­griert. Die Lötfahnen, die nach dem Reflow-Löten eine koplanare Verbindung erzeugen, werden parallel zur Leiterplatte ausgerichtet.

Bild 3: Detaildarstellung der Stiftleiste 110-M-221-SMD. Dabei handelt es sich um eine reflowfähige Stiftleiste in vertikaler Ausführung mit dem Rastermaß 3,5 mm, die in 2- bis 12-poligen Versionen erhältlich ist.
Bild 3: Detaildarstellung der Stiftleiste 110-M-221-SMD. Dabei handelt es sich um eine reflowfähige Stiftleiste in vertikaler Ausführung mit dem Rastermaß 3,5 mm, die in 2- bis 12-poligen Versionen erhältlich ist.
(Bild: Weco)

Die Gehäuse haben zwei seitliche Befestigungsflansche, in denen sich Lötelemente befinden, die in vertikaler Richtung geringfügig beweglich sind. Das ermöglicht einerseits den Ausgleich von Höhenunterschieden, die sich ergeben können, wenn die Lötpaste ungleichmäßig auf die Leiterplatte aufgebracht wird. Andererseits werden seitliche Scherkräfte vollständig aufgefangen, wodurch Belastungen der elektrischen Lötkontakten vermieden werden.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Elektromechanik III der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

Die optimale Anpassung an die Lötpastendicke gewährleistet bei dieser Version eine sichere mechanische Fixierung auf der Leiterplatte, was bei Prüfvorgängen mit der gängigen Zahl von sechs Polen verifiziert worden sei, so der Hersteller. Demnach hält die Leiterplattenklemme Abreißkräften bis zu 320 N stand. Zusätzliche Bohrungen, durchkontaktierte Lötverbindungen oder Verschraubungen sind nicht nötig.

* Petra Adamik ist freie Autorin in München.

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