Wie man hohe Ströme auf die Leiterplatte bringt

Autor / Redakteur: Andreas Aigner * / Kristin Rinortner

Kompakte Hochstromanschlüsse auf der Leiterplatte zeichnen sich unter anderem durch Übergangswiderstände aus, die eine minimale Eigenerwärmung garantieren. Im Beitrag zeigen wir praktische Umsetzungen.

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Wenn die Nennströme steigen: Leistungssteckverbinder mit THR-Anschlüssen lassen sich gemeinsam mit SMT-Komponenten im selben Reflow-Prozess verarbeiten. Dazu müssen allerdings Steckverbinder und Stiftkontakte angepasst werden.
Wenn die Nennströme steigen: Leistungssteckverbinder mit THR-Anschlüssen lassen sich gemeinsam mit SMT-Komponenten im selben Reflow-Prozess verarbeiten. Dazu müssen allerdings Steckverbinder und Stiftkontakte angepasst werden.
(Bild: Würth Elektronik eiSos)

Entwickler nutzen in der Regel zwei Varianten, um Leistungssteckverbinder mit der Leiterplatte zu verbinden: die klassische, automatisierte SMT-Bestückung und die manuelle THT-Bestückung. Dass die Oberflächenmontage (Surface Mount Technology) und die Durchsteckmontage (Through-Hole-Technology) so bekannt sind, hat gute Gründe.

Bei Anschlüssen im Kleinspannungs- und mA-Bereich ist und bleibt die SMT-Bestückung die effektivste und kostengünstige Methode. Die Bauteile werden im vollautomatischen Bestückungsprozess per Pick-and-Place auf die bereits mit Lötpaste versehende Leiterplatte gebracht.

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Im anschließenden Reflow-Prozess wird das Lot verflüssigt – daher auch der Name Reflow –, um die Komponenten mit der Leiterplatte zu verbinden. Das Besondere an diesem Verfahren ist, dass sich beide Seiten der Leiterplatte in ein und demselben Prozess verarbeiten lassen.

War die SMT-Bestückung lange Zeit dem Bereich niedriger Ströme vorbehalten, hat sie sich inzwischen auch im Mittelfeld etabliert. So sind Wire-to-Board-Steckverbinder, ausgelegt auf Nennströme von 5 A, mittlerweile Standard. Auch bei Terminal-Blocks bis 10 A sind SMT-Anschlüsse auf dem Vormarsch.

Was ist kabelseitig bei Stromstärken über 10 A zu beachten? Eine höhere Stromstärke bedeutet eine größere Wärmeentwicklung, der man mit einem größeren Leitungsquerschnitt begegnen muss. Das wiederum heißt, dass die mechanische Belastung am Leiterkartenanschluss steigt. Und dieser kann die SMT-Verbindung nur bedingt standhalten.

Ein weiter Aspekt ist die Stromverteilung auf die unterschiedlichen Layer in der Leiterkarte, welche durch zusätzliche Layer, die wiederum einen erhöhten Platzbedarf aufweisen, realisiert werden muss. Deshalb steigen hier viele Anwender auf die Durchsteckmontage um.

THT-Steckverbinder sind bedrahtete Bauteile, haben also kleine Anschlussbeinchen, die später per Handbestückung durch eine Durchgangsbohrung in der Leiterplatte gesteckt und mittels Wellenlöten mit der Platine verbunden werden.

Das Eckige muss in das Runde

Die THT-Bestückung erfolgt nach der SMT-Fertigung. Somit sind meist beide Seiten der Platine bereits bestückt und die Gefahr bereits aufgelötete Bauteile bei der Wellenlötung zu beschädigen, ist sehr groß. Daher muss hier sehr oft auf Handlötung bzw. Selektivlötung zurückgegriffen werden.

Diese zusätzlichen Fertigungsschritte verursachen zusätzliche Kosten in der Produktion. Doch muss man diesen Zeit- und Kostenfaktor tatsächlich immer in Kauf nehmen, wenn die Stromstärken steigen?

Ingenieure, die bis zu 50 A (bei Temperaturen von 20°C) auf die Leiterplatte bringen möchten, können mit der Produktfamilie Redcube SMD Einzelleitungen an die Leiterkarte mit der klassischen SMT-Bestückung anschließen. Diejenigen, die für kleine und mittlere Ströme nicht auf die mechanische Belastbarkeit von THT-Bauteilen verzichten möchten, müssen nicht vom Reflow-Prozess abweichen.

Leistungssteckverbinder mit THR-Anschlüssen lassen sich gemeinsam mit den SMT-Komponenten im selben Reflow-Prozess verarbeiten. Da beim Reflow-Löten die Bauteile im Vergleich zum Wellenlöwen höheren Temperaturen ausgesetzt sind, müssen sowohl Steckverbinder als auch Stiftkontakte an die THR-Bestückung angepasst werden.

Abstandsstifte schaffen Platz für Lötpaste

Die konstruktiven Anpassungen sind auf der Gehäuseunterseite zu finden: Abstandsstifte schaffen Platz für die Lötpaste und fördern den Luftfluss unter dem Gehäuse. So kann die Wärmemenge beim Löten gleichmäßig in der Leiterplatte verteilen.

Die Kontaktstifte müssen für die THR-Technik die richtige Länge aufweisen, damit weder die Stabilität des Kontaktstifts in der Durchstecköffnung beeinträchtigt noch Lötpaste durch die Durchgangsbohrung gedrückt wird und Lötperlen verursacht.

Diese Anpassungen und auch die Zusatzkosten für die Tape-and-Reel-Verpackung führen zu einem höheren Preis der THR-Elemente. Wenn es sich nur vereinzelt um THT-Komponenten handelt, ist der THR-Prozess in der Gesamtkalkulation merklich günstiger. Darüber hinaus lassen sich mit diesem Verfahren deutliche Platzeinsparungen auf der Platine erreichen.

Hohe Vibrationsbeständigkeit bei Leistungssteckverbindern

Ob Stapler, Aufzug oder einfach nur der Ladeanschluss einer Batterie – eine hohe Vibrationsbeständigkeit ist bei Leistungssteckverbindern in Anwendungen, bei denen sie regelmäßig Bewegungen oder vielen Steckzyklen ausgesetzt sind, ein Muss.

Die Leistungsanschlüsse Redcube THR eignen sich besonders für derartige Anwendungen, weil ihre Kontaktstifte im Vergleich zu denen anderer Leistungsteckverbinder nicht flexibel sondern starr ausgeführt sind.

Die Stiftgeometrie muss beim THR-Vorgang bei den Berechnungen des Lötpastenvolumens berücksichtigt werden. Zur Ermittlung des benötigten Lötpastenvolumens gibt es eine einfache Formel:

(Volumen der Durchgangsbohrung – Pin-Volumen im Via) x 2

Der Faktor 2 ist notwendig, da lediglich 50% der Lötpaste metallisch ist und Zusätze wie z.B. Flussmittel im Prozess verschwinden. Optimal ist ein Füllgrad von 100% – nach IPC-A-610D ist eine zu mehr als 75% gefüllte Lötstelle akzeptabel.

Einpresstechnik für eine gasdichte und stabile Verbindung

Doch wie bringt man Anschlüsse auf eine Leiterplatte, von denen eine noch höhere Stromtragfähigkeit gefordert wird und deren Verbindung mechanisch viel stabiler und über lange Zeit zuverlässig sein muss, als es eine Lötverbindung jemals leisten kann?

Hier gesellt sich mit der Einpresstechnik ein weiteres Verfahren dazu. Mit der Einpresstechnik lässt sich gleichzeitig eine gasdichte elektrische und mechanisch stabile Verbindung herstellen – ohne jegliche thermische Prozesse.

Dabei werden die Durchkontaktierungen grundsätzlich auf dieselbe Weise hergestellt wie die Löcher zur Aufnahme von THT-Bauelementen. Eine Umstellung bei der Leiterplattenherstellung ist daher nicht notwendig. Der entscheidende Unterschied zur THT-Bestückung besteht darin, dass beim Löten nicht gewährleistet ist, dass das in die Löcher eingebrachte Lot auch die komplette Hülse hochsteigt.

Um die höchste „Gütestufe“ zu erreichen, muss die Hülse nach IPC-A-610D mindestens zu 75% gefüllt sein. Ist sie es nicht, wirkt sich das nicht nur auf die mechanische Stabilität und die Langzeitzuverlässigkeit aus. Es entstehen auch viel höhere Übergangswiderstände.

Wenn ein massiver Einpress-Pin bei einer 2,4 mm dicken Leiterplatte nach dem Einpressvorgang an jeder Ecke mit mehr als 3° an die Hülse gebunden ist, hat die Einpresszone einen geringeren elektrischen Widerstand als der Messing-Pin selbst und stellt somit keinen elektrischen oder thermischen Engpass dar. Das ist der Fall beim Einpressen der Redcube Press-Fit Terminals.

Im Normalfall ist der Anbindungswinkel um ein Vielfaches höher, was einen hohen Sicherheitspuffer der elektrischen Anbindung darstellt. Ein weiterer Vorteil gegenüber der Löttechnik ist, dass sich Leiterplatten mit einer Dicke von bis zu 3,2 mm und hoher Kupferbelegung einfach verarbeiten lassen.

Verbindungen in Einpresstechnik für unterschiedliche Anwendungen

Um die Vorzüge der Verbindung durch Einpresstechnik einer Vielzahl von Anwendungen zugänglich zu machen, bietet Würth Elektronik die Press-Fit Terminals des Typs Redcube aus Messing mit verzinnter Oberfläche in verschiedenen Varianten an: Innengewinde (zweireihig, um-laufend oder vollflächig), Außengewinde vollflächig, 90° zweireihig oder vollflächig sowie zweiteilig als Grund- und Support-Element.

Redcube Plug ist der jüngste Zugang der Serie und für die schnelle und einfache Wire-to-Board-Hochstromverbindung gedacht. Auch dieser Anschluss kommt ohne Unterlegscheiben und Muttern/Schrauben aus. Der kleine rote Würfel aus glasfaserverstärktem Kunststoff nimmt vier unterschiedliche Steckanschlüsse für Nennströme von 50 bis 120 A auf.

Die schraublose Verbindung wird hergestellt, indem das Gehäuse von oben manuell betätigt und der zugehörige Steckverbinder eingeführt wird. Mittels Federkraft wird der Steckverbinder automatisch im Gehäuse verriegelt.

Auf diese Weise lässt sich die Verbindung auch wieder lösen. Das Einpressen der Typen Redcube Plug erfolgt nach demselben Prinzip wie bei den Typen Redcube Press-Fit. Kabelseitig werden Buchse und Kabel mit Querschnitten von 4, 6, 10 oder 16 mm2 über einen Hexagonal-Crimp miteinander verbunden.

Fazit: Diese lösbare, mehrfach steckbare Wire-to-Board- und Board-to-Board-Verbindung eignet sich besonders für die Montage auf kleinem Raum oder an schwer zugänglichen Stellen, da kein Werkzeug benötigt wird. Für den Einsatz in Ladegeräten können die Redcube Plugs in anderen Farben zur leichteren Unterscheidbarkeit geliefert werden.

* Andreas Aigner arbeitet als Business Development Manager für Steckverbinder bei Würth Elektronik eiSos in Waldenburg.

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