Steckverbinder Hochstrom-Einpresstechnik im Quadrat

Redakteur: Kristin Rinortner

In der Kraftfahrzeugtechnik ergeben sich aus dem verstärkten Einsatz von Leistungselektronikkomponenten in 12-V-Stromversorgungen neue Anforderungen an Einpressverbindungen. Für diese Ansprüche wurde...

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( Archiv: Vogel Business Media )

Entwickelt hat sich die Einpresstechnik aus der lötfreien Rückplattentechnik mit zusätzlichen Wire-wrap-Anschlüssen für Rangier- und Änderungsverdrahtungen. Gerade für hochpolige Steckverbinder war dies die ideale Anschlusstechnologie. Ursprünglich wurde der massive Kontakt eingesetzt. Es stellte sich jedoch heraus, dass bei vielen Kontakten in Reihe die Dehnung der Leiterplatte so groß war, dass bei längs verlaufenden Leiterbahnen Mikrorisse und damit Unterbrechungen auftraten. Man erkannte, dass der wesentliche Teil der für eine gute elektrische Verbindung notwendigen Verformungsarbeit in den Einpresskontakt verlegt werden muss, um die Leiterplatte zu schonen. In kurzer Zeit kamen zahlreiche geometrische Kontaktformen (Buchstabenformen) auf den Markt, die zum großen Teil aus der vorgegebenen Kontaktgeometrie des 0,6-mm-Wire-wrap-Pfostens herausgeformt wurden. Da dieser Wire-wrap-Pfosten ungehindert durch das Loch in der Leiterplatte passen musste, war an dieser Stelle ohne Normung keine Weiterentwicklung möglich. Hier spielte die deutsche Normenarbeit für lötfreie Einpressverbindungen, die sich in der DIN 41611, Teil 5 niederschlug, eine wegbereitende Rolle. Diese Norm trug wesentlich zum weltweiten Durchbruch der Einpresstechnik bei. Im Zuge der Internationalisierung ist daraus heute die IEC 60352-5 geworden, die dann wieder mit der DIN EN 60352-5 im deutschen Normenwerk Eingang fand.Aus dieser Historie wird verständlich, unter welchen Rahmenbedingungen die bekannten Kontaktgeometrien und Einpresszonen entstanden sind und dass z.B. die erhöhte Stromtragfähigkeit für die Massenanwendungen zunächst keine wesentliche Rolle spielte. Selbstverständlich gibt es auch im Auto viele Einpressverbindungen, die der Informationsverarbeitung dienen und sich kaum von den Anforderungen der sonstigen Elektronik unterscheiden und bereits in hohen Stückzahlen eingesetzt werden.Bei Leistungsanwendungen erfordert das 12-V-Netz jedoch Ströme im zwei- und dreistelligen Ampèrebereich. Zusätzlich sind die mechanischen, thermischen und chemischen Umweltbedingungen verschärft. Dieser besondere Mix rechtfer­tigt auch die besondere Vorsicht, mit der ganz allgemein Änderungen und Neuerungen im Automotive-Bereich eingeführt werden.

Symmetrie als maßgebliche EigenschaftWelche Eigenschaften ein Einpresskon­takt im Idealfall aufweisen sollte, ist hier zusammengefasst:
- Seine Geometrie ergibt eine symmetrische Krafteinleitung in die Leiterplatte und eine symmetrische Abstützung im Loch. - Er erzeugt beim Einpressen kein Drehmoment und keine Achsverlagerung.- Er hat klar begrenzte und definierte Kontaktflächen mit angrenzendem Freiraum für Materialverdrängung, Fremdschichten und Korrosionsprodukte.- Es ergeben sich gasdichte Kontaktflächen mit einer Gesamtfläche entsprechend dem Kontaktquerschnitt, zur vollen Nutzung des Kontaktquerschnittes als Stromleiter.- Ein möglichst großer Leiterquerschnitt im Loch ergibt bei gleichem Strom ein kleineres Loch und damit weniger Platzbedarf auf der Leiterplatte.- Ein weicher, sanfter Einlaufbereich schont die Kupferhülse und die Leiterplatte. Der Kraftverlauf entspricht einem schlanken Konus.- Der Kontakt toleriert einen großen Toleranzbereich des Loches bei möglichst konstanter Einpresskraft.- Die plastische Verformung von Kupferhülse und Kontakt ergeben eine gute Anpassung der Kontaktflächen an das Loch.- Eine hohe Haltekraft gibt elektrische und mechanische Sicherheit.
Auf der Basis der hohen Anforderungen der Automobilindustrie wurde der patentierte BIZON-Kontakt entwickelt. Wesentlich ist dabei die Symmetrie. Diese Anforderung wird am besten durch ein Quadrat im Kreis erfüllt. Durch eine derartige Kombination ergeben sich vier symmetrisch verteilte, weit auseinander liegende, definierte Kontaktflächen. Das Bild 2 (siehe ELEKTRONIKPRAXIS Heft 15) zeigt einen Querschliff des BIZON-Kontaktes. Der reale Kontakt kommt dem o.g. quadratischen Ideal recht nahe und zeigt vier gleiche radiale Kontaktkräfte, die zu einer sehr guten Selbstzentrierung des Kontaktes im Loch führen und eine symmetrische Abstützung bewirken. Das Verformen des Kontaktes beim Einpressen ergibt kein Drehmoment und keine Achsverlagerung. Die im Winkel von ca. 90° wirkenden Kontaktkräfte verteilen die Druckspannungen gleichmäßig in die Leiterplatte, sodass sich bei vielen Kontakten in Reihe die Kräfte nicht summieren und das Basismaterial nicht unzulässig gedehnt wird. Eine weitere, sehr positive Wirkung ergibt sich durch die um 90° gespreizten Kräfte: Die Summe der vier wirksamen Normalkräfte liegt sehr viel höher als die Verformungskraft, die auf den Kontakt zurückwirkt. Fast die Hälfte der Krafteinwirkungen wird von den massiven Schenkeln aufgenommen dies schont den plastisch/elastischen Teil. Dadurch kann als Kontaktwerkstoff das gut leitende und billigere Messing verwendet werden.Der Querschnittsgewinn durch einen fast quadratischen Kontakt wird im Bild 1 deutlich, wo ein herkömmlicher, gestanzter Kontakt (Nadelöhr) einem BIZON-Kontakt gegenübergestellt ist. Es ist deutlich weniger Luft im Loch. Dies bedeutet, dass bei gleicher Stromstärke ein wesentlich kleineres Loch gewählt werden kann. Die Rasterabstände können verringert und dadurch kompaktere Anordnungen erzielt werden. Dadurch wird ein hohes Verhältnis von Stromstärke pro Leiterplattenfläche (A/cm²) erzielt, was den Trend zur verstärkten Miniaturisierung unterstützt. Bild 4 zeigt Kontakte mit einem Querschnitt von 1,5 mm × 1,5 mm aus vorverzinntem Messingband für 2-mm-Löcher in einer 1,6 mm starken Leiterplatte. An diesen Kontakten wurden die Qualitäts- und Zulassungsprüfungen durchgeführt. Durch die vollkommen getrennten Schenkel des Kontaktes ergeben sich positive mechanische und dynamische Eigenschaften, die auch durch die Finite-Elemente-Simulation (Bild 5) bestätigt wurden.

Der größte Kraftanteil wird in eine plastische Verformung des Kontaktes umgesetzt, dadurch überbrückt er auch größere Lochtoleranzen, ohne dass sich die Einpresskräfte zu sehr ändern. Der Lochdurchmesser kann mit ±0,1 mm toleriert werden. Da beim Herstellen des Kontaktes der Grundwerkstoff Messing nur geringfügig verformt und nicht kaltverfestigt wird, können die Materialeigenschaften von vornherein festgelegt werden und verändern sich nicht. Dies ist für viele Anwendungen ein großer Vorteil.Im Bild 6 (siehe ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 15) ist zu erkennen, dass der Kontakt beim Einpressen an der Spitze keine Gegenkraft erzeugt, da er sich öffnen kann. Die Kräfte sind in der Mitte und im hinteren Anbindungsbereich am größten. Dies garantiert eine schonende Einführung und eine hohe Haltekraft des Kontaktes im Loch. Die Trennung der Schenkel im Anbindungsbereich halbiert das Widerstandsmoment des ansonsten sehr steifen Pfostens, sodass Rastertoleranzen leicht ausgeglichen werden, ohne dass es bei einer 1,6-mm-Leiterplatte zu ungleichen und einseitigen Kontakt­drücken kommt. Bei seitlichem Versatz verschieben sich die Kontaktschenkel gegeneinander, ohne dass sich Form und Eigenschaften verändern.Bild 6 (siehe ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 15) zeigt ebenfalls, warum bei diesem Kontakt das Nadelöhr nicht nach innen einknicken und unbemerkt versagen kann. Sollte einmal ein Loch zu klein sein, werden die Schenkel maximal bis zur gegenseitigen Anlage zusammengedrückt, weiter passiert nichts.Im Querschliff in Bild 7 (siehe ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 15) sind die vier definierten, gasdichten Kontaktzonen erkennbar. Alle vier Radien drücken sich gleichmäßig in die Kupferhülse ein, ohne dass die Kupferhülse erkennbar ausgebeult wird. Dies zeigt, dass der Kontakt die Kupferhülse und die Leiterplatte sehr schont, ohne Haltekraft einzubüßen. Eine Delaminierung der Leiterplatte und inneres Reißen der Kupferhülse durch Kerbwirkung bei scharfen Kanten ist ausgeschlossen. Kein Problem mehr: Reparatur von EinpresskontaktenDie selten benötigte, aber oft betonte Reparaturmöglichkeit einer Einpressverbindung stellt kein Problem dar. Der neue Kontakt benutzt das alte Kontaktbett, ohne dass wesentliche Änderungen bemerkbar sind.Durch die besondere Geometrie ist die Bildung von Zinnspänen praktisch ausgeschlossen. Der Kontakt benötigt keine Zinnschicht zur Schmierung. Er funktioniert auch ohne Zinnauflage. Für erhöhte Temperaturanforderungen ist bei Messing jedoch immer ein Verzinnen empfehlenswert. Beim Einpressvorgang verläuft die Einpresskraft entsprechend Bild 8 (siehe ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 15) sehr gleichmäßig, bis der Kontakt in seine Endposition gleitet. Die maximale Einpresskraft von ca. 220 N liegt für einen stabilen Kontakt in erträglichen Dimensionen.Im Diagramm der Ausdrückkraft in Bild 9 (siehe ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 15), das 24 Stunden nach dem Einpressen aufgenommen wurde, ist in der markant ausgebildeten Spitze deutlich der Beweis für eine sichere Kaltverschweißung der Kontaktzonen erkennbar. Bemerkenswert ist auch die dadurch erreichte Höhe der Haltekraft von mehr als 150 N bei einer Einpresskraft von ca. 220 N.Der aus gängigem Messingblech kostengünstig gefertigte Kontakt wurde durch die Firma catem in Anlehnung an DIN EN 60352-5 unter den verschärften Bedingungen für kritische Anwendungen im Kfz (elektrische Zuheizsysteme) geprüft und hat alle Tests mit sehr guten Ergebnissen bestanden. So wurde beispielsweise für die obere Prüftemperatur bei den Wärmeprüfungen 125 °C gewählt, während die Norm 85 °C fordert. Die zulässige Umgebungstemperatur wurde auf 110 °C festgesetzt. Die Schwingprüfungen bei 5 bis 200 Hz erfolgten in 990 Zyklen unter Strombelastung und Temperaturwechsel von 40/85 °C sowie Schock 30 g. Durch die gleichmäßige Abstützung der vier Kontaktflächen im Loch ergibt sich automatisch eine sehr gute Schwingfestigkeit in allen Richtungen. Die Stromprüfungen ergaben, dass trotz spezieller Prüfleiterplatten der Engpass die Leiterbahnen auf der Leiterplatte waren, d.h. die Erwärmung der Prüflinge rührte überwiegend von den Strompfaden der Leiterplatte. Engpass für die Erwärmung nur noch die LeiterplatteAngesichts der gemessenen, sehr niedrigen Übergangswiderstände ist dies allerdings nicht verwunderlich. Bei neuen, sauberen Kontakten ist der reine Übergangswiderstand selten ein Problem. Aussagefähiger für den Praxiseinsatz ist eher die Änderung des Widerstandes nach den Belastungsprüfungen. Die Norm lässt hier eine Änderung von 0,5 m zu. Der maximale Wert für die gemessene Widerstandsänderung nach den vorgenannten scharfen Prüfungen betrug bei BIZON 4 µ, das ist 100-mal weniger. Unter optimalen Bedingungen und entsprechend leitfähigem Werkstoff trägt der neue Kontakt dieser Größe (Lochdurchmesser 2 mm) einen Strom von bis zu 50 A bei einer Temperatur von 85 °C. Wegen des großen Querschnittes im Loch kann der Kontakt bei richtiger Gestaltung des Kontaktträgers Wärme aus der Leiterplatte heraus transportieren und nebenbei als Kühlkörper fungieren. Der BIZON-Kontakt steht allen potenziellen Anwendern zur Verfügung. Der Autor des Beitrags ist an Linzenzver­gaben interessiert.Ingenieurbüro Andreas VeigelTel. +49(0)7026 3004
(Anm.: Den kompletten Beitrag mit allen Bildern finden Sie in der Ausgabe 15 der ELEKTRONIKPRAXIS vom 11. August 2006)
 

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