Kontakttechnik SKEDD – Die Evolution der Einpressverbindung

Autor / Redakteur: Albrecht Faber * / Kristin Rinortner

Eine weitergedachte Einpressverbindung setzt Maßstäbe für die Kontaktierung auf der Leiterplatte und könnte das Potenzial haben, die Steckverbinder-Branche nachhaltig zu verändern.

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SKEDD: Ein Beispiel für eine Wire-to-Board-Verbindung mit der neuen Steckverbinder-Lösung.
SKEDD: Ein Beispiel für eine Wire-to-Board-Verbindung mit der neuen Steckverbinder-Lösung.
(Bild: Würth ICS)

Leiterplatten sind aus der modernen Elektronik-Welt nicht mehr wegzudenken. Nahezu jedes elektronische Gerät enthält eine oder mehrere Leiterplatten. Sie leisten Schwerstarbeit, indem sie elektronische und elektromechanische Bauteile wie Sicherungen oder Relais tragen und für elektrische Verbindungen sorgen.

Für die Verbindung zwischen Leiterlatte und Bauteil gibt es unterschiedliche Technologien. Vor allem die Löttechnologien (SMD, THT) und die Einpresstechnik haben sich breit etabliert. Beide bieten solide Ergebnisse, haben jedoch auch ihre Grenzen, wenn es darum geht, elektromechanische Komponenten und Leiterplatte möglichst einfach und schlank miteinander zu verbinden. Denn dafür sind stets Adapter-Sockel auf der Leiterplatte erforderlich, die eingelötet oder eingepresst werden müssen, um die entsprechenden Bauelemente oder Steckverbinder aufzunehmen.

Seit Kurzem gibt es von Würth Elektronik ICS eine völlig andere Verbindungslösung mit dem Namen SKEDD. Sie bietet eine einfache und zuverlässige Alternative, indem Stecker und Komponenten nunmehr von Hand und reversibel in eine Leiterplatte gesteckt werden können. Bei einer solch drastischen Vereinfachung des Bestückungsprozesses stellt sich natürlich sofort die Frage nach der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit einer SKEDD-Verbindung: Gibt es technische Risiken? Wo liegen die Grenzen der Technologie? Hat SKEDD das Potenzial, sich neben der Löt- und Einpresstechnik auf dem Markt zu etablieren oder sie sogar zu verdrängen? Mit diesen Fragen beschäftigt sich dieser Beitrag.

Einpressverbindung versus Steckverbindung

SKEDD setzt konsequent auf einer Technik auf, die seit mehr als 40 Jahren auf dem Markt bekannt ist: die Einpresstechnik und stellt demnach eine natürliche Evolution der Einpressverbindung dar. Bei der Einpresstechnik wird eine Verbindung zwischen der durchkontaktierten Hülse einer Leiterplatte und dem Kontaktstift, zum Beispiel eines Steckverbinders, hergestellt.

Dabei entsteht eine leistungsfähige, gasdichte elektrische Verbindung. Entscheidend für die Qualität dieser Verbindung ist der elektrische Übergangswiderstand. Je höher er ist, desto schlechter ist die Verbindung, denn ein Widerstand erzeugt einen Spannungsabfall und damit Wärme, was v.a. bei der Übertragung höherer Ströme problematisch ist.

Um den Übergangswiderstand gering zu halten, muss – abgesehen von der richtigen Auswahl der Materialien – der Strom eine der Eintrittsfläche in die Verbindungszone mindestens vergleichbare Austrittsfläche haben (Austrittsfläche ≥ Eintrittsfläche).

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Ist diese Bedingung erfüllt, entsteht kein Engpass. Damit diese Bedingung bei einer typischen Einpressverbindung erfüllt und somit eine funktionsfähige elektrische Verbindung hergestellt ist, muss der Anbindungswinkel einer Ecke des Kontaktstiftes typischerweise mindestens 3° betragen. Wie das Bild 1 deutlich zeigt, verfügt die reale Einpressverbindung über sehr viele Reserven. Das ist der Grund dafür, warum die Einpressverbindungen so gut funktionieren (Bild 1).

An diesem Punkt stellt sich folgende berechtigte Frage: Wenn dieses Kontaktierungsprinzip mit einer Einpressverbindung funktioniert, warum sollte es nicht auch mit einer Steckverbindung funktionieren, zumal die geometrischen Anbindungsverhältnisse sehr ähnlich sind? Sind die vorhandenen Reserven ausreichend, um durch einfaches Stecken eines geeigneten Kontaktelements eine gute und robuste elektrische Verbindung herzustellen?

Betrachten wir den wesentlichen Unterschied zwischen einer Einpress- und einer Steckverbindung: Bei einer Einpressverbindung wird durch die hohen Kräfte während des Verbindungsprozesses eine gasdichte Verbindung zwischen den Kontaktpartnern geschaffen.

Bei einer Steckverbindung drückt man die Kontaktpartner mit einer ausreichend großen Kraft (Kontakt-Normalkraft) gegeneinander, ohne dass eine intermetallische Verbindung entsteht. Neben der ausreichenden Anbindungsfläche kommt es in punkto Qualität der Steckverbindung also ganz wesentlich auf die Kontakt-Normalkraft und die Oberflächenpaarungen der Kontaktpartner an.

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Die aus der Literatur der Steckverbinder bekannten Mindest-Normalkräfte der Kontaktpartner sind über die SKEDD-Kontaktgeometrie sowie die richtige Wahl des Basismaterials einfach realisierbar. Die Auswahl der Kontaktoberfläche richtet sich, wie bei üblichen Steckverbindern auch, nach den Umweltanforderungen.

Die Oberflächenempfehlungen für Steckverbindungen gelten in gleicher Weise für SKEDD. Wichtig dabei ist, dass alle gängigen Oberflächen, wie Zinn, Silber, Gold auch für die Leiterplatte als Kontaktpartner zur Verfügung stehen, so dass es bei der Direktverbindung zwischen Kontaktelement und Leiterplatte oberflächenseitig keine Einschränkungen gibt.

Die Kontaktgeometrie des Steckverbinders im Detail

Sehen wir uns die spezielle Kontaktgeometrie im Detail an, da die dafür sorgen muss, dass vergleichbar gute Anbindungsverhältnisse zwischen Pin und Leiterplatte realisiert werden, wie bei einer Einpressverbindung. Der Hochstromkontakt besteht aus vier Schenkeln bzw. zwei Schenkelpaaren, die sich als unabhängige Federn immer an den Durchmesser der Leiterplatten-Kontakthülse anpassen können.

Die dabei realisierte Kontakt-Normalkraft ist so hoch, dass eine sichere elektrische Verbindung vorliegt, aber auf der anderen Seite so niedrig, dass sich auch höherpolige Steckverbinder ohne weiteres reversibel von Hand stecken und wieder lösen lassen. So gesehen funktioniert ein SKEDD-Steckverbinder wie ein ganz gewöhnlicher Stecker – mit der Leiterplatte als Steckdose.

SKEDD managed Freiheitsgrade

Bei einer Steckverbindung mit der Leiterplatte als Kontaktpartner gibt es Herausforderungen, die man zuvor bedenken muss. Eine Leiterplatte, die z.B. Temperaturwechseln ausgesetzt ist, wird ein thermisches Ausdehnungsverhalten zeigen. Physikalisch gesprochen sind es Freiheitsgrade, die man im Griff haben muss. Ebenso ist man stets mit prozessbedingten Toleranzen der Kontaktpartner konfrontiert, die über das Konstruktionsprinzip der Verbindungstechnologie abzufangen sind. Bei Steckverbindern sind dies z.B. Rastertoleranzen, bei der Leiterplatte Toleranzen der Enddurchmesser der Durchkontaktierungen oder ebenfalls Rastertoleranzen bei Lochbildern.

Die genannten Freiheitsgrade werden von SKEDD zuverlässig beherrscht. Dass dies so ist, liegt am Konstruktionsprinzip des Kontakts (Bild 2).

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Der Kontakt wird stanztechnisch am Band hergestellt. Seine doppelschenklige Konstruktion wird mittels eines hochpräzisen Biegeprozesses realisiert, der zwei einzeln ausgestaltete Schenkel-Paare exakt zueinander positioniert. Dieses kombinierte Stanz- und Biegekonzept hat noch den weiteren Vorteil, dass die Crimpzone des elektrischen Kontakts und seine Kontaktierungszone in der Leiterplatte in zwei unterschiedlichen Materialstärken realisiert werden können – und das, obwohl der Gesamt-Kontakt aus nur einem Teil gestanzt ist.

Dies trägt Anforderung Rechnung, dass die Materialstärke eines Kontakts im Crimpzonen-Bereich nicht zu groß sein darf, während man sich im Kontaktzonenbereich im Sinne einer guten elektrischen Anbindung (durch die Faltung) die doppelte Materialstärke realisieren lässt. Auf diese Weise verbinden sich beim SKEDD-Design zwei Aspekte in hervorragender Weise: Unterschiedliche Designansprüche an einzelne Kontaktzonen werden mit einem schlanken, materialsparenden Herstellungsverfahren verbunden. Die Kontaktgabeln können sich im Sinne einer möglichst flexiblen Anpassung an die Geometrie des Kontaktpartners mechanisch entkoppelt ausrichten, bleiben dabei aber im Sinne einer optimalen Stromverteilung elektrisch immer gekoppelt (Bild 3).

SKEDD ist eine reversible Steckverbindung

Der Stecker realisiert ein reversibles Verbindungskonzept. Das heißt, dass Komponenten oder Steckverbinder, die mittels einer SKEDD-Verbindung an eine Leiterplatte angebunden werden, auch über viele Steckzyklen hinweg wieder reversibel lösbar sind. Dies bedeutet drei Herausforderungen für die Verbindungslösung:

  • Die Steckkraft, und damit (über den Reibungskoeffizienten) die Kontakt-Normalkraft muss groß genug sein, um einen hinreichend kleinen Übergangswiderstand (im Falle von SKEDD ca. 200 bis 250 µΩ) zu realisieren.
  • Die Steckkraft muss jedoch klein genug sein, um von Hand auch höherpolige Stecker noch gut montieren zu können.
  • Kontaktmaterial und Kontaktgeometrie müssen so zusammenspielen, dass neben einer möglichst hohen Leitfähigkeit des Materials und einer ausreichend hohen Restelastizität die Materialspannungen während des Steckvorgangs und im gesteckten Zustand niemals in einem Bereich sind, der das Basismaterial des Kontakts irreversibel verformt. Nur so ist sichergestellt, dass der Kontakt über viele Steckzyklen hinweg sicher und zuverlässig funktioniert. Der Kontakt wurde diesbezüglich für 50 Steckzyklen qualifiziert.

Die Gabel hat zwei Drehpunkte (Bild 4). Der erste Drehpunkt befindet sich im Scheitel der beiden Schenkel. In diesem Designpunkt des Kontaktes wird die Federkraft, d. h. die Federkonstante, beim Steckprozess eingesteckt. Beim Steckprozess ist die Gabel offen und die Elastizität kommt nur über den Scheitelbereich. Dieser Bereich ist genau so ausgelegt, dass einerseits moderate Steckkräfte, andererseits ausreichende Kontakt-Normalkräfte vorhanden sind.

Im gesteckten Zustand ist der Kontakt so konzipiert, dass die Gabel exakt geschlossen ist. Mechanisch bedeutet das, dass sich das Verhalten der Feder, d.h. ihre Steifigkeit, sprunghaft verändert. Damit wird die Feder wesentlich robuster gegenüber Erschütterungen oder Vibrationsbewegungen. Das ist wiederum wichtig, weil man im gesteckten Zustand vermeiden muss, dass es unter mechanischer Belastung zu einer Kontaktunterbrechung kommt. Dies wird über das beschriebene Federprinzip realisiert.

Die Qualifizierung der Technologie

Das System ist neu auf dem Markt. Dementsprechend sind noch nicht alle denkbaren Grenzen ausgelotet worden. Bis dato erfolgte die Qualifikation des Systems anhand der einschlägigen Automotive-Normen. Die dort verankerten Anforderungen, etwa im Hinblick auf Temperaturzyklen, Lagerung in warmer und kalter Atmosphäre, Lagerung in Feuchtigkeit, Industriegas-Tauglichkeit, Vibrationsfestigkeit, sind so hoch, dass damit auch die Eignung in vielen anderen Branchen gewährleistet ist.

In Zusammenarbeit mit der SGS Germany GmbH CQE, einem unabhängigen und von DAkkS (Deutsche Akkreditierungsstelle GmbH) akkreditierten Prüf- und Labordienstleistungsunternehmen wurde die SKEDD Technologie verifiziert und validiert.

Folgende Test wurden erfolgreich absolviert: IEC 60512-2-1: 2002-02, Steckverbinder für elektronische Einrichtungen, Prüfungen des elektrischen Durchgangs und Durchgangswiderstandes; Prüfung 2a: Millivoltmethode; IEC 60068-2-14: 2009-01 Umweltprüfungen: Temperaturwechsel; IEC 60068-2-30: 2005-08, Umweltprüfungen: Feuchte Wärme, zyklisch (12 + 12-Stunden-Zyklus); IEC 60068-2-60: 1995-12 Umweltprüfungen: Korrosionsprüfung mit strömendem Mischgas; IEC 60068-2-2: 2007-07, Umweltprüfungen: Trockene Wärme; IEC 60512-9-1: 2010-03, Umweltprüfungen: Steckzyklen und Stromtragfähigkeit; IEC 60068-2-6, -2-27, -2-57, Schock & Vibration.

Etwas detaillierter sollen de Ergebnisse der Korrosionsprüfung mit strömendem Mischgas nach IEC 60068-20-60: 1995-12 und die Ausdauertests nach IEC 60512-9-1: 2010-03 dargestellt werden.

Bei diesem Test wurde die Veränderung des Übergangswiderstandes Rc nach einem Aufenthalt im Schadgas über eine Periode von 10 Tagen infolge von aufgetretenen Veränderungen der Kontaktoberfläche getestet.

Das Ergebnis war: Über alle Kombinationen aus Kontaktmaterial (CuSn6, CuFe2P), Kontaktoberflächen (Ag, Au) und Enddurchmesser der Leiterplatten (Ø 2,35/2,40/2,45/2,50 mm) waren keine Veränderungen messbar (Tabelle 1, nur online).

Die Steckzyklen und die Stromtragfähigkeit

Bei diesem Test wurden die Veränderung des Übergangswiderstandes Rc nach 50 Steckzyklen und anschließender Einwirkung von feuchter Wärme (10 Zyklen, 25 bis 55°C bei 95%) sowie die Veränderung der Steck- und Ziehkräfte nach 50 Steckzyklen untersucht. Anschließend wurde eine visuelle Prüfung der Steckpartner (Pin und Hülse) durchgeführt. Untersucht wurden Kombinationen aus unterschiedlichen Kontaktmaterialien (CuSn6, CuFe2P), Kontaktoberflächen (Sn, Ag, Au) beim Durchmesser der Leiterplatte von 2,35 mm.

Wie die Tabelle 2 (nur online) am Beispiel des Kontaktes CuFe2P zeigt, erhöht sich nach dem Testdurchlauf der Übergangswiderstand bei den mit Sn beschichteten Kontakten im Durchschnitt um 0,18 mΩ. Ebenfalls zeigen die Ergebnisse der Untersuchung, dass sich die Steck- und Ziehkräfte nur geringfügig verändern (Bild 5).

Die visuelle Prüfung der Steckpartner hat ergeben, dass nach 50 Steckzyklen ein leichter Oberflächenabtrag festzustellen war. Dabei reagierten die Gold- und Silber-Kontaktoberflächen unempfindlicher als Blei.

Die Einsatzmöglichkeiten von SKEDD erstrecken sich über viele Branchen.

Marktchancen und Kunden-Feedback

Die Lösung bietet Substitutionspotenzial für viele gängige Verbindungslösungen verschiedener Anwendungskategorien wie

  • Hochstrom-Steckverbinder (Automotive/ Non-Automotive),
  • Signal-Steckverbinder (niedrigpolig / hochpolig),
  • Board-to-Board-Verbinder (vertikal / horizontal / gewinkelt),
  • Stecker für Flachbandkabel,
  • Direktes Stecken von Komponenten auf Leiterplatten (zum Beispiel Sicherungen, Relais, LEDs).

In allen bisherigen Projekten waren die Kunden von der Schlankheit und Einfachheit der Technologie beeindruckt. Der wahrgenommene Kundennutzen liegt neben den konkreten Kostenvorteilen vor allem in der Vereinfachung von Herstellungsprozessen – so etwa können Löt- oder Konfektionierungsprozesse komplett entfallen.

Vorteilhaft ist zudem, dass der Einsatz der alternativen Verbindungslösung keinerlei technische Zusatzanforderungen an die Leiterplatte oder die Kabelkonfektionierung (Crimpen, Schneid-Klemm-Prozess etc.) stellt. Der Anwender der Verbindungslösung muss also keine Kompromisse an anderer Stelle eingehen.

Die bisherigen Erfolge und Erfahrungen fließen gegenwärtig in die Entwicklung von Standard-Steckverbinder-Familien ein, um so in den Massenmarkt einzusteigen.

* Albrecht Faber ist Geschäftsführer der Würth Elektronik ICS in Niedernhall.

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