Wie Board-to-Board-Steckverbinder
Robustheit erlangen
Whitepaper: Wie Board-to-Board-Steckverbinder Robustheit erlangen und welche Einflussfaktoren auf den Connector einwirken
Ob in der Luft- und Raumfahrt, in der industriellen Automation, im Transport- oder im Gesundheitswesen: Board-to-Board-Steckverbinder müssen stets eine zuverlässige Signalübertragung gewährleisten und dürfen dabei unter keinen Umständen ausfallen. Gleichzeitig sind sie dabei einer Reihe von Belastungen durch ihre Umgebung ausgesetzt: Mechanische Einwirkungen wie Schock, Vibration und Schwingungen gefährden die Stabilität der Datenübertragung ebenso wie thermische und chemische Umwelteinflüsse durch Extremtemperaturen, starke Temperaturschwankungen, Schadgase, Feuchtigkeit und Schmutz. Hersteller qualitativ hochwertiger Leiterplatten-Steckverbinder ziehen daher ein ganzes Register an Möglichkeiten, um ihre Board-to-Board-Stecker gegen diese Belastungen zu wappnen.
Robustheit von Board-to-Board Verbindern trotz Miniaturisierung
Die moderne Elektrotechnik unterliegt einem Trend mehr denn je: der Miniaturisierung. Baugruppen und ihre Komponenten müssen dabei nicht nur immer leistungsfähiger, sondern auch immer kleiner werden. Dennoch kommen sie häufig unter rauen Realbedingungen zum Einsatz. Bauteile wie auch Steckverbinder werden daher bei gleichbleibender Belastung immer filigraner. Ein wertiger Steckverbinder trotzt diesem Stress jedoch nicht nur ebenso gut wie sein älterer und größerer Bruder, sondern sogar besser. Grund hierfür sind Weiterentwicklungen in der Materialzusammensetzung sowie im Produktdesign, beispielsweise in der Isolierkörpergeometrie.
Verschiedenste Einflussfaktoren wirken sich dabei auf die Robustheit eines Board-to-Board-Steckverbinders aus:
Verschiedenste Einflussfaktoren wirken sich dabei auf die Robustheit eines Board-to-Board-Steckverbinders aus:
- Oberfläche
- Kontaktdesign
- Kontaktsystem
- Anschlusstechnik
- Isolierkörperdesign
- Toleranzbereich
Einflussfaktor Oberfläche
Ein Einflussfaktor ist die Kontaktoberfläche. Diese bestimmt maßgeblich die Lebensdauer des Steckers, die in der Regel in Steckzyklen gemessen wird. Beim Feldeinsatz ist der Steckverbinder gewissen Mikrobewegungen ausgesetzt. Diese führen zu Oberflächenabrieb und infolgedessen zu Oxidbildung. Die Konsequenz ist ein erhöhter Übergangswiderstand und damit eine schlechtere Qualität in der Signalübertragung.
Eine qualitativ hochwertige und haltbare Kontaktbeschichtung ist daher maßgeblich für den Oberflächenabrieb.
Lesen sie in unserem kostenlosen Whitepaper worauf bei der Wahl der Kontaktoberfläche zu achten ist.
Eine qualitativ hochwertige und haltbare Kontaktbeschichtung ist daher maßgeblich für den Oberflächenabrieb.
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Einflussfaktor Kontaktdesign
Die Kontakte eines Leiterplatten-Steckverbinders werden gestanzt oder gedreht. Beim Stanzen entsteht auf der Unterseite des Stanzbandes jedoch eine unter dem Mikroskop sichtbare inhomogene, scharfkantige Oberfläche. Herkömmliche Systeme kontaktieren auf dieser Stanzkante, was mit einem verstärkten Oberflächenabrieb und daher mit höherem Übergangswiderstand einhergeht.
Kostenloses Whitepaper zum Thema Robustheit eines Steckverbinders
Im kostenlosen Whitepaper erfahren Sie beispielsweise, wie sie mit der Wahl des richtigen Kontaktdesigns einen möglichst geringen Übergangswiederstand hervorrufen. Außerdem erklären wir ihnen anhand verschiedener Einflussfaktoren, wie Board-to-Board Steckverbinder Robustheit erlangen und was genau beachtet werden muss.
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Einflussfaktor Kontaktsystem
Klassische zweiteilige Steckverbinder verfügen über einen Messer- und einen Federkontakt. Im Falle starker Schockeinwirkung kann die Messerleiste jedoch von der Federleiste abheben. Damit es nicht zu einer solchen Kontaktunterbrechung kommt, kann mithilfe einer doppelseitigen Federleiste für Redundanz und somit für Kontaktsicherheit gesorgt werden, denn durch die zweite Feder ist die Signalübertragung zu jeder Zeit mindestens über einen Kontaktpunkt sichergestellt.
Noch robuster sind dagegen Steckverbinder mit sogenanntem „genderneutralem“ Kontaktsystem. Die Besonderheit besteht dabei in den identischen Kontaktgeometrien der Steckerhälften.
Noch robuster sind dagegen Steckverbinder mit sogenanntem „genderneutralem“ Kontaktsystem. Die Besonderheit besteht dabei in den identischen Kontaktgeometrien der Steckerhälften.
Einflussfaktor Anschlusstechnik
Es gibt verschiedenen Möglichkeiten, Steckverbinder auf den Leiterplatten anzubringen.
Eine davon ist die bereits erwähnte Einpresstechnik. Sie hat zum Ziel, unter möglichst geringer Einpresskraft möglichst hohe Haltekräfte zwischen Steckverbinder und Leiterplatte zu realisieren. Die Haltekräfte entscheiden über die mechanische Verbindung, die wiederum Schock und Vibration trotzen muss.
Doch nicht immer ist die Einpresstechnik geeignet, beispielsweise, wenn Leiterplatten beidseitig bestückt werden sollen oder der Mindestabstand zu Bauteilen in Kraftrichtung nicht eingehalten werden kann. Eine weitere Möglichkeit, eine zuverlässige und haltbare Verbindung zwischen Steckverbinder und Leiterplatte herzustellen, ist dann die Surface-Mount-Technologie (SMT). Mittels Lotpaste werden dabei die Steckverbinder auf definierte Anschlussflächen der Leiterplatte, den Lötpads, gelötet.
Eine davon ist die bereits erwähnte Einpresstechnik. Sie hat zum Ziel, unter möglichst geringer Einpresskraft möglichst hohe Haltekräfte zwischen Steckverbinder und Leiterplatte zu realisieren. Die Haltekräfte entscheiden über die mechanische Verbindung, die wiederum Schock und Vibration trotzen muss.
Doch nicht immer ist die Einpresstechnik geeignet, beispielsweise, wenn Leiterplatten beidseitig bestückt werden sollen oder der Mindestabstand zu Bauteilen in Kraftrichtung nicht eingehalten werden kann. Eine weitere Möglichkeit, eine zuverlässige und haltbare Verbindung zwischen Steckverbinder und Leiterplatte herzustellen, ist dann die Surface-Mount-Technologie (SMT). Mittels Lotpaste werden dabei die Steckverbinder auf definierte Anschlussflächen der Leiterplatte, den Lötpads, gelötet.
Einflussfaktor Isolierkörperdesign
Die Isolierkörpergeometrie eines Board-to-Board-Steckverbinders hilft darüber hinaus, die Kontakte davor zu schützen, im Betrieb oder bei der Installation Schaden zu nehmen. Sie sollte dabei so beschaffen sein, dass die vulnerablen Kontakte im Inneren des Steckverbinders geschützt liegen.
Durch Einführschrägen können außerdem Beschädigungen bei der Montage vermieden werden. Sie helfen, einen Versatz der Leiterplatten beim Stecken in jede Richtung auszugleichen. Mithilfe eines zusätzlichen Fangbereichs können die beiden Steckerhälften auch im Falle eines Mitten- oder Winkelversatzes ohne Beschädigung zusammengesteckt werden.
Durch Einführschrägen können außerdem Beschädigungen bei der Montage vermieden werden. Sie helfen, einen Versatz der Leiterplatten beim Stecken in jede Richtung auszugleichen. Mithilfe eines zusätzlichen Fangbereichs können die beiden Steckerhälften auch im Falle eines Mitten- oder Winkelversatzes ohne Beschädigung zusammengesteckt werden.
Einflussfaktor Toleranzbereich
Der Toleranzbereich eines Steckverbinders spielt für die Beurteilung seiner Robustheit eine entscheidende Rolle. Kann der Stecker gegebene Toleranzen nicht ausgleichen, führen mechanische Bewegungen zum Verschleiß oder gar zur Beschädigung der Steckverbindung.
Im Feld entstehen beispielsweise Belastungen nicht nur in x- und y-, sondern auch in z-Richtung. Hier stellt sich die Frage nach der Überstecksicherheit eines Steckverbinders. Sie beschreibt den Überlappungsbereich von Messer- und Federleiste und ermöglicht damit nicht nur unterschiedliche Leiterplattenabstände, sondern – je nach Größe dieses Bereichs – auch Toleranzbereiche.
Lesen sie im kostenlosen Whitepaper, welche weiteren Faktoren den Toleranzbereich beeinflussen und wie sie diese ausgleichen.
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Im Feld entstehen beispielsweise Belastungen nicht nur in x- und y-, sondern auch in z-Richtung. Hier stellt sich die Frage nach der Überstecksicherheit eines Steckverbinders. Sie beschreibt den Überlappungsbereich von Messer- und Federleiste und ermöglicht damit nicht nur unterschiedliche Leiterplattenabstände, sondern – je nach Größe dieses Bereichs – auch Toleranzbereiche.
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Prüfverfahren
Um Board-to-Board-Stecker hinsichtlich ihrer Robustheitseigenschaften auf Herz und Nieren zu testen, gibt es verschiedene Prüfverfahren. Dabei werden Variablen wie die Spannungsfestigkeit und der Übergangswiderstand jeweils vor und nach einem Belastungstest betrachtet und der Zustand der Kontakte optisch inspiziert. So können beispielsweise die Auswirkungen von 500 Steckzyklen auf die Spannungsfestigkeit überprüft oder im klimatischen Test festgestellt werden, ob sich mehrere Stunden bei zunächst -55°C und anschließend 125°C negativ auf den Übergangswiderstand des Steckverbinders auswirken. Beim Temperatur-Schock-Test muss der Stecker den schnellen Wechsel zwischen diesen Extremtemperaturen 100-mal für je 30 Minuten aushalten. Und auch der Mitten- und Winkelversatz beim Stecken, ebenso wie der Toleranzbereich im gesteckten Zustand, sollten nicht nur am CAD-Modell in der Theorie überprüft, sondern in der Praxis ausgiebig getestet und die Belastbarkeit empirisch bestätigt werden. Ebenso wichtig ist es, dass verschiedene Prüfungen, die für die Kontaktoberfläche kritisch sind, auch kombiniert durchgeführt werden, um Realbedingungen zu simulieren. So könnte beispielsweise Steckzyklen- und Schadgastests in Kombination erfolgen, um sicherzustellen, dass sich die Leistung des Steckverbinders hinsichtlich Übergangswiderstand und Spannungsfestigkeit nicht verschlechtert hat und die Kontakte keinen Schaden genommen haben
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Ihr Design – Ihre Wahl
Je nach Anforderung der Anwendung fallen unterschiedliche Robustheitskriterien an, die ein Board-to-Board-Verbinder erfüllen muss. Muss er beispielsweise hohe Toleranzen ausgleichen? Ist er großen Schockbelastungen oder Vibrationen ausgesetzt? Kommt er unter der Einwirkung von starker Hitze- oder Kältezufuhr zum Einsatz? Oder muss die Anschlusslösung vor Feuchtigkeit, Schadgasen oder Schmutz geschützt sein? Orientiert sich ein Anwender bei der Wahl seiner Anschlusslösung an diesen Fragen, kann er sich sicher sein, dass sein Steckverbinder für den Feldeinsatz bestens gewappnet ist.
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