Artikel Elektronik Praxis

Steckverbinder
Hochstrom-Einpresstechnik
im Quadrat
Hohe mechanische Stabilität und gute elektrische
Parameter für Kfz-Anwendungen
In der Kraftfahrzeugtechnik ergeben
sich aus dem verstärkten
Einsatz von Leistungselektronikkomponenten
in 12-V-Stromversorgungen
neue Anforderungen an
Einpressverbindungen. Für diese
Ansprüche wurde der patentierte
Einpresskontakt BIZON entwickelt
und geprüft. Er zeichnet sich durch
eine sehr gute Schwingfestigkeit,
einen geringen Übergangswiderstand
und sehr kleine Widerstandsänderungen
aus.
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Andreas Veigel*
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
■Bild
1:
Die Symmetrie anforderungen werden am besten
durch ein Quadrat in einem Kreis erfüllt
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.
*Dipl.-Ing. (FH) Andreas Veigel ist Inhaber des Ingenieurbüros
für Normfragen der Elektrotechnik in Lenningen
und Obmann des deutschen Komitees K 662
Bauweisen.

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
Eigenschaft
Welche Eigenschaften ein Einpresskontakt
im Idealfall aufweisen sollte, ist im
Kasten zusammengefasst. 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 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:
Steckverbinder
■Bild
2:
Schliffbild eines BIZON-Kontaktes
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 3
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
3:
Querschnittsgewinn durch einen fast quadratischen Kontakt: links: gestanzter Kontakt
(Nadelöhr), rechts: BIZON-Kontakt
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Steckverbinder
▶
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 Qualitätsund
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 Ein-
■Bild
4: BIZON-Kontakt mit einem Querschnitt
von 1,5 mm × 1,5 mm aus vorverzinntem
Messingband für 2-mm-Löcher
presskräfte 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 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
■Bild
6: Der Kontakt erzeugt beim Einpressen an der Spitze keine Gegenkraft,
das Nadelöhr kann nicht nach innen einknicken und versagen
■Bild
5:
FEM-Simulation
des
Kontaktes

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 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 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 Einpresskontakten
Die 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 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,
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. ▶
Steckverbinder
■Bild
7: Querschliff der vier definierten,
gasdichten Kontaktzonen
Eigenschaften
Einpresskontakt
■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.
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Steckverbinder
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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
Merkmale BIZON Nutzen
größtmöglicher, fast quadratischer Querschnitt
im Loch, vier symmetrische, radiale
Kontaktkräfte, hoher Strom (Kontakt 1,5 ×
1,5 mm über 40 A bei 85 °C im 2-mm-Loch)
keine Feinstanz- und Präzisions-Prägetechnik,
geringe Materialverformung ohne Pressung,
keine Kaltverfestigung
großzügige, überwiegend plastische
Rückformung beim Einpressen, vollständige
Nutzung des E-Moduls
großer Toleranzbereich des Loches von
±0,1 mm moderate Einpresskräfte (230 N),
hohe Haltekräfte (150 N)
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■Bild
8: Beim Einpressen
verläuft die Einpresskraft
sehr gleichmäßig,
bis die Endposition
erreicht ist. Die
max. Kraft liegt typisch
bei 220 N.
■Bild
9: Diagramm
der Ausdrückkraft
24 Stunden nach dem
Einpressen. Die Spitze
markiert eine sichere
Kaltverschweißung
der Kontaktzonen.
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 Leiterplatte
Angesichts 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
hohe Stromtragfähigkeit bei geringstem
Platzbedarf, hohe mechanische Stabilität, hohe
Wärmeleitfähigkeit, geringe mechanische
Belastung der Leiterplatte
schnelle Entwicklung, unkritische Werkzeuge,
höhere Grundfestigkeit des Werkstoffes möglich
preiswertes Standard-Grundmaterial (CuZn37),
gute elektrische Leitfähigkeit, geringe
Toleranzanforderungen
geringere Leiterplattenkosten, leichte
Verarbeitbarkeit, hohe Kontaktsicherheit
herstellerunabhängige Lizenzierung patentrechtlich abgesicherte, neue Technologie
ohne Abhängigkeit von Wettbewerbsinteressen
Norm lässt hier eine Änderung von
0,5 mΩ zu. Der maximale Wert für die
gemessene Widerstandsänderung nach
den vorgenannten scharfen Prüfungen
betrug bei BIZON 4 μΩ, 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. (kr)
Ingenieurbüro Andreas Veigel
Tel. +49(0)7026 3004
www.elektronikpraxis.de
■ Mehr zum Verfahren und Hinweis zur
Normung
■ Deutsche Kommission Elektrotechnik,
Elektronik, Informationstechnik im DIN
und VDE
■ Internationale Elektrotechnische
Kommission IEC
177507