Zuverlässigkeit von Steckverbindern Fehlerursachen, Prüfverfahren und Normen im Überblick

Autor / Redakteur: Lutz Bruderreck* / Kristin Rinortner

Die lösbaren Verbindungsstellen in technischen Systemen werden in der Regel über Steckverbinder realisiert. So breit wie die Palette der Steckverbinder ist, genauso vielfältig sind die Ursachen für Störungen. Der Beitrag gibt einen Überblick zu häufigen Fehlerursachen, gängigen Prüfverfahren und Normen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die Absicherung der Zuverlässigkeit von Verbindungen, die an der Schnittstelle einer Elektronikeinheit zur Schaltungsperipherie liegen, ist besonders wichtig. Häufige Fehlerursachen an Steckverbindern sind Belastungen durch Funktions- und Umwelteinflüsse, Kontaktstörungen durch Verschmutzung und Abrieb von Funktionsschichten und Anbindungsmängel zwischen Anschlusspin und Leiterplatte sowie temporäre Feinschlüsse durch Whisker.

Mit gezielten Simulationen von Alterungsprozessen und Extrembelastungen sowie anschließender Analyse bereits im Entwicklungsprozess eines Produkts lassen sich Konstruktions- und Fertigungsfehler rechtzeitig erkennen.

Massenmarkt-Steckverbinder müssen getestet werden

Viele Steckverbinder sind für einen Massenmarkt mit geringen Belastungen konzipiert. Für den Einsatzbereich mit erhöhten und speziellen Anforderungen sind Tests erforderlich. In vielen Fällen können diese nicht vom Zulieferer erbracht werden. Der Endanwender oder Modullieferant ist jedoch in der Pflicht, die Tauglichkeit für seine Systeme sicherzustellen und nachzuweisen. Nachfolgend werden wesentliche Prüfmethoden aufgezeigt.

Schadgastest – Dichtigkeit vor Feuchte und Gasen

Der Einfluss von Feuchte und korrosiven Gasen wie z.B. H2S, SO2, Cl2, NOx und O3 mit ihrer korrosiven Wirkung auf Kontaktwerkstoffe und Konstruktionsteile ist ausfallkritisch. Daneben werden die Oberflächen hinsichtlich Benetzungsfähigkeit, Haftfähigkeit und Oberflächenstruktur beeinflusst.

Der Schadgastest prüft die Dichtigkeit von galvanischen Aufbauten. Dies geschieht an Bereichen, in denen der Grundwerkstoff des Kontakts freiliegt oder der Kontaktwerkstoff nicht die geforderte Zusammensetzung aufweist (dünne, beschädigte Schichten).

Sinnvoll für Steckverbinder sind Vergleichstests in verschiedenen Zuständen: ungesteckt, gesteckt, mehrfach auseinander- und zusammengesteckt. Die letztendlich angewendete Prüforganisation ist abhängig von den Prüfobjekten, dem Einsatzort und -zweck und der speziellen Absprache mit dem Auftraggeber.

Daneben ist der Test wichtig, um die Verarbeitbarkeit in automatisierten Lötprozessen zu bewerten. Etwaige Störungen durch Schadgase können speziell auf Nickel- und Silber-Oberflächen den First Pass Yield entscheidend verschlechtern und die Langzeitqualität und damit die Zuverlässigkeit negativ beeinflussen.

Feuchte Wärme mit und ohne Betauung sowie Dichtigkeit

Feuchtigkeit in Verbindung mit Temperaturwechsel wirkt je nach Einsatzort mehr oder weniger schnell, leicht sichtbar oder kaum erkennbar, aber manchmal mit fatalen Folgen auf die verschiedenen Komponenten der Steckverbinder ein. Geprüft werden hierbei die Dichtigkeit von Gehäusen, die Qualität der Verarbeitung und die Eignung und Komposition der verwendeten Werkstoffe.

Die fortschreitende Miniaturisierung der eingesetzten Baugruppen aus Kostengründen führt zu einer Verkleinerung der Isolationsabstände und damit zu einer Gefahr für das Entstehen von Kriechwegen. Die Prüfung „Feuchte Wärme“ erfolgt nach IEC 60068-2-30 bzw. IEC 60068-2-56. Die Prüfung Dichtigkeit erfolgt nach IEC 60529 „Schutzarten durch Gehäuse“ (IP-Code).

Kombinierte Prüfungen, z.B. Whiskertest

Bild 1: Beispiel für Whiskerwachstum. Dabei handelt es sich um nadelförmige Einkristalle, die durch Spannungen bei den neuen Werkstoffen gemäß RoHS entstehen und Kurzschlüsse verursachen können. (Archiv: Vogel Business Media)

Für Steckverbinder stellen Whisker dann eine Gefahr dar, wenn bspw. durch Crimpen oder Clinchen das Material mechanisch verformt wird. Als Whisker bezeichnet man sehr feine Einkristalle mit einem Durchmesser von etwa 0,3 bis etwa 10 µm und einer Länge bis zu mehreren Millimetern. Problematisch sind das spontane Auftreten auf Oberflächen und das Wachstum über einen längeren Zeitraum (Bild 1).

Die Prüfung auf die Widerstandsfähigkeit von Halbzeugen oder kompletten Steckverbindern erfolgt zum Beispiel nach JESD-22-A121 „Measuring Whisker Growth on Tin and Tin Alloys“. Die Testprozedur umfasst die Lagerungen bei trockener Wärme, feuchter Wärme und Temperaturwechsel.

Daneben zählen zur Umweltsimulation Testprozeduren, die auf die Tauglichkeit bei der Verarbeitung der Steckverbinder hinzielen. Dazu gehören beispielsweise die Beständigkeit gegen Lötwärme nach EIA-JEDEC-22-B-106-C „Resistance to Soldering Temperature“ oder die Beständigkeit gegen Solder Wicking nach EIA-364-TP71B „Connector Solder Wicking Test“.

Analytik – Schadensmechanismen aufdecken

In der Analytik werden mittels zerstörungsfreier und zerstörender Prüfung unter Einsatz von visueller Inspektion, Röntgeninspektion, Metallografie, elektrischer Parametermessung und Elementeanalyse (Rasterelektronenmikroskopie [REM], energiedispersive oder Weitwinkel-Röntgenanalyse [EDX/WDX], Sekundärionen-Massenspektroskopie [SIMS]) Schadensmechanismen aufgedeckt und Empfehlungen zur Prävention und zur allgemeinen Zuverlässigkeitsoptimierung gegeben.

Eine Sonderstellung nehmen hier Steckverbinder ein, bei denen neben dem eigentlichen Kontaktsystem die Anbindung an den Schaltungsträger Leiterplatte bewertet werden soll. Diese Verbindung unterliegt höchsten Anforderungen hinsichtlich Höhe des Lotdurchstiegs und der Robustheit der Anbindung zwischen Lotfüllung und Leiterplatte. Für Leiterplatten mit höchsten Anforderungen ist das Finish chemisch Nickel Gold (ENIG) eine beliebte Endoberfläche.

Bild 2: Querschliff eines nicht korrekt abgeschiedenen Schichtverbundes. Deutlich sind die mechanischen Unterbrechungen zu sehen, die Ursache für Korrosion sein können. (Archiv: Vogel Business Media)

Diese bietet beste Voraussetzungen für langzeitstabile Lötverbindungen. Problematisch ist ENIG dann, wenn die Schichten nicht einwandfrei aufgebracht wurden (Bild 2). Nach Benetzen durch den Lotwerkstoff kann das zu Effekten führen, die unter dem Stichwort Black Pad bekannt sind. Die Bewertung der Lötverbindungen und Schichtsysteme der Leiterplatte zählen ebenfalls zu den typischen Fragestellungen der Analytik.

Theorie und Praxis – Knowhow des Prüflabors

Oft liegen der Anspruch auf eine angepasste technische Prüfung und der tatsächliche Belastungshorizont des technischen Systems weit auseinander. Das hat häufig zur Folge, dass die Ergebnisse der angewendeten Prüfverfahren nicht der späteren Realität entsprechen. Ziel muss es also sein, genau die richtigen und dem Anwendungszweck entsprechenden Test- und Approbationsverfahren auszuwählen und anzuwenden, wenn nötig zu modifizieren oder erst zu entwickeln. Hier bieten professionelle Prüflabors kompetente Beratung.

Bild 3: Beispiel für ein speziell zur Analytik von Steckverbindungen entwickeltes Inspektions-Endoskop (Archiv: Vogel Business Media)

So entwickelt und produziert z.B. TechnoLab u.a. Speziallösungen für die technische Analytik und Inspektion. Die Systeme reichen von flexiblen Mikroendoskopen über starre Spezialendoskope bis zu Videomikroskopen mit integriertem TFT-Monitor in HDTV-Auflösung (Bild 3). Außerdem werden Xenon-Kaltlichtquellen, IR-Kameras und Lötanlagen Messplatinen sowie Software zur Bildaufnahme, Be- und Verarbeitung und Archivierung angeboten.

*Lutz Bruderreck ist als Geschäftführer von TechnoLab in Berlin tätig.

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