Leiterplatten-Steckverbinder Kontakte: Welche Beschichtung passt für welche Anwendung?

Autor / Redakteur: Stefan Suchan * / Kristin Rinortner

Die Beschichtung der Kontakte spielt für die sichere Anwendung eines Gerätes eine maßgebliche Rolle. Am Beispiel von Leiterplatten-Steckverbindern erläutern wir die verschiedenen Varianten und Auswahlkriterien.

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Kontaktbeschichtung bei Stiftleisten: Bei der Auswahl der Leiterplattensteckverbinder ist die richtige Beschichtung essentiell. Die Werkstoffe, der Aufbau und die Schichtdicke müssen an die Anwendungen und die Steckzyklen angepasst sein.
Kontaktbeschichtung bei Stiftleisten: Bei der Auswahl der Leiterplattensteckverbinder ist die richtige Beschichtung essentiell. Die Werkstoffe, der Aufbau und die Schichtdicke müssen an die Anwendungen und die Steckzyklen angepasst sein.
(Bild: © Fischer Elektronik)

Die Auswahl der passenden Kontaktbeschichtung bei Leiterkartensteckverbindern klingt zunächst trivial. Jedoch müssen Sie dabei zahlreiche Aspekte beachten. Denn nicht jede Kontaktbeschichtung ist gleichermaßen geeignet für die unterschiedlichen Einsatzfälle. Neben der Auswahl der Beschichtung am Kontaktübergang sind die Schichtstärken und Legierungen der weiteren Kontaktbeschichtungen wichtig.

Gerade bei messtechnischen Anwendungen dürfen keine Standard-Nickellegierungen als Sperrschicht zwischen dem unedlen Kontaktwerkstoff und der meist edlen Kontaktbeschichtung vorhanden sein. Nickel als ferromagnetisches Element würde die elektromagnetischen Felder während der Messung stören und somit die Messergebnisse verfälschen. Dies kann vermieden werden, wenn die Nickellegierung einen erhöhten Phosphoranteil enthält.

Steckverbinder: Unterschiede zwischen den Kontaktbeschichtungen

Die am häufigsten verwendeten Kontaktbeschichtungen sind Gold, Silber und Zinn. Diese haben sich im Laufe der Zeit etabliert, da sie neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit auch über gute bis sehr gute Löteigenschaften verfügen. Für Anwendungen im Niedrigpreis-Sektor haben sich als Beschichtungsmaterialien Zinn und Flash-Gold eta­bliert. Zinn ist deutlich kostengünstiger als Silber oder Gold und besitzt außerdem sehr gute Löteigenschaften.

Flash-Gold bezeichnet eine Goldauflage von 0,1 µm, welche fast ausschließlich dem Korrosionsschutz des Kontaktmaterials dient. Als Kontaktmaterialien werden Kupferlegierungen wie Messing (CuZn), Bronze (CuSn) oder auch Berylliumkupfer (CuBe) verwendet. Diese Materialien besitzen neben der guten elektrischen Leitfähigkeit gute mechanische Eigenschaften.

Zusätzlich zur Beschichtung wird in den meisten Fällen eine Nickelschicht zwischen dem Kontaktwerkstoff und der Beschichtung aufgetragen. Diese Nickelschicht dient als Diffusionssperrschicht zwischen der meist edlen Kontaktbeschichtung und dem un­edlen Kontaktwerkstoff. Ohne diese Nickelsperrschicht würde die edle Kontaktbeschichtung von der Kontaktoberfläche in den Kontaktwerkstoff hineindiffundieren.

Dadurch würde sich im Laufe der Zeit eine Korrosionsschicht auf der Kontaktoberfläche bilden. Durch diese Korrosionsschicht erhöht sich der Kontaktübergangswiderstand massiv und es entstehen in den meisten Fällen Probleme bei der Signal- und Stromübertragung. Ein weiterer Vorteil der Nickelsperrschicht liegt der geringeren Whiskerneigung verzinnter Kontakte, sowohl nach dem Einpressen der Kontaktstifte als auch nach einigen Steckzyklen.

Galvanotechnisch beschichtete Steckverbinder-Kontakte

Bild 1: Varianten unterschiedlicher Kontaktbeschichtungen bei Buchsenleisten.
Bild 1: Varianten unterschiedlicher Kontaktbeschichtungen bei Buchsenleisten.
(Bild: © Fischer Elektronik)

Neben dem stromlosen chemischen Aufbringen der Kontaktbeschichtungen wird in den meisten Fällen für das Beschichten der Kontakte ein galvanotechnisches Verfahren verwendet. Bei den galvanotechnischen Verfahren unterscheidet man zwischen einer Trommelgalvanik und einer Bandgalvanik.

Eine Galvanik-Anlage besteht aus Anode, Kathode, Gleichstromquelle, Elektrolytflüssigkeit und Behälter. Sowohl die Elektroden (Anode, Kathode) als auch die Elektrolytflüssigkeit befinden sich in dem Galvanikbehälter. An die Kathode, die bei der Verzinnung aus löslichen Zinnplatten bestehen und bei der Vergoldung aus beständigen Titanplatten, wird der positive Anschluss der Gleichstromquelle angeschlossen. An der Anode, die mit dem Werkstück verbunden ist, wird der negative Pol der Gleichstromquelle angeschlossen.

Bei Einschalten des Stroms werden Elek­tronen in die Anode gepumpt. Sie gibt Elektronen an die Elektrolytflüssigkeit ab. In dieser Flüssigkeit verbinden sich die Elektronen mit den positiv geladenen Metall­ionen des Elektrolysebades. Damit schließt die Ionenleitung den Stromkreis zur Kathode.

Aufgrund des geschlossenen Stromkreises werden die Elektronen der Kathode, in diesem Fall Zinn oder Nickel, zur Anode (Werkstoff) transportiert und lagern sich auf der Anode ab. Die Schichtstärke wird durch die anliegende Stromstärke und die Zeit, in der der Strom fließt, bestimmt.

Neben der Bandgalvanik wird bei losen Kontakten häufig auf eine Trommelgalvanik zurückgegriffen. Dabei werden die zu beschichtenden Kontakte in eine Trommel geschüttet und mit Elektrolytflüssigkeit geflutet. Das Prinzip der Beschichtung ist identisch, jedoch ist die Kathode ein isoliertes Kupferkabel mit vergoldeter Messingspitze, welches eine permanente Verbindung mit den Stift- oder Buchsenkontakten herstellt.

Bild 2: 
Unterschiedlich beschichtete Stift- und Buchsenleisten.
Bild 2: 
Unterschiedlich beschichtete Stift- und Buchsenleisten.
(Bild: © Fischer Elektronik)

Zusätzlich zur kompletten Beschichtung der Kontakte mit Zinn oder Gold gibt es eine Mischung aus beiden, das Selektiv-Vergolden. Dabei wird der Steckbereich in einer Bandgalvanik vergoldet und anschließend der Lötbereich verzinnt. Dieses Verfahren reduziert bzw. erspart den kostenintensive Goldauftrag, da das Gold nur auf den Kontaktsteckbereich aufgebracht wird.

Steckzyklen bei Stift- und Buchsenkontakten

Je nach Hersteller variieren die Angaben zu den entsprechenden Steckzyklen der Stift- und Buchsenkontakte. Die wenigsten Steckzyklen werden mit einer Standard Zinnbeschichtung von 4 bis 6 µm erreicht. Die Hersteller empfehlen hier unter zehn Steck­zyklen zu bleiben, da Zinn ein sehr weiches Material ist und bereits bei ca. zehn Steckzyklen die Zinnschicht so weit aufgerieben ist, dass die Nickelsperrschicht sichtbar ist.

Bei Flash-Gold liegt die empfohlene Anzahl der Steckzyklen ebenfalls bei ca. zehn, da die Goldschichtdicke mit 0,1 µm sehr gering ist. Sobald eine Goldschicht von 0,2 µm auf die Nickelsperrschicht aufgetragen wird, werden bis zu 50 Steckzyklen erreicht, ohne dass der Anwender mit einer Erhöhung des Kontaktübergangswiderstandes rechnen muss.

Die Güteklassen bei D-Sub-Steckverbindern

Eine Gliederung bzw. Unterteilung der einzelnen Steckzyklen in Güteklassen wird lediglich bei D-Sub Steckverbindern vorgenommen. Die Gliederung ist dabei in drei Güteklassen aufgeteilt. In der Güteklasse 3 werden mindestens 50 Steckzyklen garantiert. Bei der Güteklasse 2 werden schon mindestens 200 Steckzyklen erreicht und in der Güteklasse 1 sind mindestens 500 Steck­zyklen von den Herstellern vorgegeben.

Um die einzelnen Güteklassen zu erreichen, ist eine nicht unerheblich dicke Goldbeschichtung notwendig. 50 Steckzyklen werden mit einer Gold-Schichtdicke von mindestens 0,2 µm Gold bewältigt. Für 200 bzw. 500 Steckzyklen ist eine 0,5 respektive 0,8 µm dicke Goldbeschichtung auf den Stift- und Buchsenkontakten der D-Sub Steckverbinder notwendig.

Kontaktbeschichtung: Abwägen zwischen Technik und Kosten

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass Sie bei der Auswahl der passenden Kontaktbeschichtung bewusst zwischen der ökonomischen und technischen Seite der jeweiligen Applikation abwägen müssen. So können Sie beispielsweise bei kostenkritischen Projekten mit geringen Steckzyklen ausschließlich auf verzinnte oder mit Flash-Gold überzogene Kontakte zurückgreifen.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 8/2021 (Download PDF)

Sobald die Applikation über einen längeren Zeitraum genutzt oder für mehr als zehn Steckzyklen spezifiziert ist, kommen Sie nicht umhin, einen vollständig vergoldeten Kontakt mit einer Goldauflage von mindestens 0,2 µm zu verwenden.

Des Weiteren sollten Sie gerade bei messtechnischen Anwendungen darauf achten, dass für die Nickelsperrschicht keine Standard Nickellegierung verwendet wird, damit es durch die ferromagnetischen Eigenschaften des Nickels nicht zu verfälschten Messergebnissen kommt.

* Stefan Suchan ist als Konstruktions- und Entwicklungsingenieur von Steckverbindern bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

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