Es gibt Fälle, in denen die übliche Kombination aus Buchsen, Steckern und Kabeln möglicherweise nicht die ideale Verbindung bietet. Zum Beispiel, wenn die elektrischen Verbindungen fest und auch lösbar sein müssen; wenn die Verbindungsstellen so starken Vibrationen ausgesetzt sind, dass sie sich lösen könnten oder wenn auf der gesamten Leiterplatte Verbindungen auf einmal hergestellt oder unterbrochen werden müssen. In diesen Fällen kommen Stifte und Steckverbinder mit Federkontakten in Frage. Die Technik ist bekannt als Pogo Pins, eine Marke von Everett Charles Technologies.
Federkontakte in Stiften und Steckverbindern bieten folgenden Eigenschaften für die elektrischen Verbindungen:
- Durch Druck können mehrere Verbindungen auf einer großen Fläche ungefähr gleichzeitig hergestellt oder unterbrochen werden; das ist von Vorteil bei Prüfvorrichtungen wie z.B. Nagelbettadaptern in In-Circuit-Testern.
- Sie erfordern gelötete Komponenten nur auf einer der beiden Leiterplatten. Normalerweise benötigt die Gegenseite des Federkontaktes nur eine kleine Kontaktfläche (Pad) an derselben Stelle. Das spart Platz, Entflechtungsfläche und Kosten.
- Wenn sie gut gewählt und gestaltet sind, funktionieren sie auch bei Vibrationen.
- Die platzsparende Verbindung kann vertikal kompakt sein; die Leiterplatten können recht dicht nebeneinander gestapelt werden.
- Die Federn ermöglichen eine gewisse Flexibilität in der Höhe; das ist hilfreich bei Unebenheiten und versetzten Leiterplattenstapeln.
Federkontakte gibt es in unzähligen Varianten von Höhe, Durchmesser, Geometrie der Kontaktspitze, Material, Beschichtung, Hub, Kraft, Gehäuse und viele andere mehr.
Wir konzentrieren uns hier auf die Eigenschaften der Federkontakte, die für die automatische Leiterplattenbestückung relevant sind. Mit diesem Wissen vermeiden Entwickler Federkontakte einzuplanen, die zum Zeitpunkt des Entwurfs zwar gut erscheinen, sich aber bei der Fertigung der elektronischen Baugruppe als kompliziert, unzuverlässig oder kostspielig erweisen.
Anforderungen an Federkontaktstifte
Die Grafik zeigt zwei Haupttypen von Federkontaktstiften, links für die THT- und rechts für die SMT-Montage. Der Zapfen der THT-Version sorgt für eine robuste senkrechte Positionierung; am unteren Abschluss lassen sich Kabel befestigen. Nicht abgebildet sind Randstifte, die senkrecht zum Rand der Leiterplatte und nicht zur Oberfläche angebracht werden.
Elektrische Verbindungen müssen robust und zuverlässig sein. Dazu muss der Federkontakt im idealen Winkel platziert sein. Er muss gut zur Mitte des Kontakts auf der anderen Seite ausgerichtet sein und darf sich durch den ausgeübten Druck nicht verbiegen. Die gegenüberliegende Anschlussfläche für den Federkontakt muss flach und groß genug sein, um Ausrichtungsfehler und Vibrationen auszugleichen. Außerdem muss die Kontaktfläche so beschichtet sein, dass sich der Federkontakt nicht mit der Zeit abnutzt. Manchmal handelt es sich bei diesem Kontakt nicht um ein Pad, sondern um ein anderes Bauteil. In diesem Fall müssen möglicherweise die Eigenschaften des Federkontaktes geändert werden.
Federkontakte werden in der Regel mit einem Gehäuse oder einer Halterung zum Löten und Ausrichten geliefert. Viele, aber nicht alle, werden mit einer Kappe geliefert, damit der Bestückkopf das Bauteil greifen kann. Einzelne Pins werden manchmal nicht mit einem Gehäuse oder einer Kappe geliefert; für die Bestückung ist das unpraktisch.
Bauteile werden mit einem Bestückautomaten oder von Hand auf der Leiterplatte montiert. Die automatische Bestückung ist in der Regel billiger, wenn die Anzahl der Bauteile hoch ist oder wenn mehr als ein paar davon bestückt werden. Idealerweise sollte man also immer versuchen, Komponenten zu wählen, die sich mit diesem Verfahren verarbeiten lassen.
Bei Federkontaktstiften ist es wichtig, dass sie eine “Kappe” haben, die auf jedem einzelnen Stift oder auf einer Teilmenge der Stifte in einem “gehäusten” Steckverbinder sitzt. Diese Kappe braucht der Bestückkopf zum Ansaugen. Zudem sollten sie in einer automatengerechten Verpackung geliefert werden, z.B. Tube, Tray, Reel oder Tray. Wenn sie lose oder als Schüttgut geliefert werden, muss der Baugruppenfertiger sie manuell in eine Pick-&-Place-Zuführung einlegen oder von Hand löten. Diese zusätzliche Arbeit ist teurer.
Verschiedene Federkontakte: die beiden linken Versionen sind einzelne Stifte mit einer Kappe als Bestückhilfe; die anderen Varianten sind fest angeordnete Federkontaktstecker.
Für der Ausrichtung und Stabilität gibt es diese wichtigen Kriterien:
SMD, Oberflächenmontage oder THT, Durchsteckmontage:. Die Durchgangsbohrung, die bei Federkontaktstiften auch als Zapfen bezeichnet wird, bietet eine zuverlässige Lötstelle und mechanische Stabilität.
Einzelkontakt oder Steckverbinder: Einzelne Stifte, insbesondere ohne Gehäuse, können bei der Montage falsch ausgerichtet sein und bei der Benutzung Stabilitätsprobleme verursachen.
Die Anordnung der Steckerkontake: Bei einer einzelnen Reihe (1-mal-n) kann es beim Löten ebenfalls zu Ausrichtungsfehlern kommen. Darum empfiehlt sich eine 2-mal-2-Reihe oder bei mehr Kontakten eine größere. Wenn also die Wahl zwischen einer 1×6- oder 2×3-Anordnung besteht, ist die letztere die bessere.
Verhältnis der Grundfläche zur Länge: Je länger ein Stift ist bzw. je kleiner seine Grundfläche ist, desto größer ist die Gefahr einer Fehlausrichtung und Unzuverlässigkeit. Es ist schwierig zu definieren, wie lang “lang” ist. Auf jeden Fall sollten Entwickler gerade bei SMD-Federkontakten auf die Länge achten.
Die ideale Federkontakt aus der Sicht der Leiterplattenbestückung
Der beste Federkontaktstift für die Montage ist daher im Hinblick auf Ausrichtung und Stabilität: THT-Montage mit Zapfen, so kurz wie möglich, angeordnet in einer 2×2 oder größeren Konfiguration. Wenn der Stift, den Sie verwenden wollen, “lang” oder oberflächenmontiert ist, insbesondere bei Einzelstiften, sollte man sich unbedingt im Vorfeld mit der Leiterplattenbestückung abstimmen, um spätere Probleme oder Mehrkosten beim Verarbeitungsprozess zu vermeiden.
Einzelne Federkontakte bieten die Möglichkeit, das gegenüberliegende Kontaktfeld direkt neben dem Signal zu platzieren. Das spart wertvollen Platz beim Entflechten. Doch Vorsicht; hier kann es Probleme bei der Montage geben. Einzelne Federkontakte werden nicht immer mit Abdeckkappen geliefert, lassen sich beim Löten nur schwer ausrichten, können unter Druck wegen der fehlenden Abstützung leichter verrutschen und erfordern spezielle Montagevorrichtungen, die für jedes Design maßgeschneidert werden müssen. Das bedeutet Mehrkosten.
Schließlich sollten Sie immer die Montageanweisungen des Herstellers befolgen und ihn bei der Wahl der besten Variante für die jeweilige Anwendung konsultieren. Der Baugruppenfertiger wird Ihnen bei der Menge an Optionen und Parametern behilflich sein.
Federkontakte in Eurocircuits Leiterplattenbestückung
Der ideale Federkontaktstift für unsere Leiterplattenbestückung hat folgende Eigenschaften:
- untergebracht in einem Gehäuse; idealerweise zweireihig, 2×2 oder mehr, um eine optimale vertikale Ausrichtung und Stabilität sicherzustellen,
- Für die Durchsteckmontage haben die Federkontakte entweder einen Zapfen oder ein Gehäuse mit Zentrierstiften,
- Die Länge ist kurz im Verhältnis zur Grundfläche,
- Geliefert mit einer Kappe; wenn keine Kappe vorhanden ist, wird immer von Hand gelötet,
- Geliefert in Tape- oder Reel-Verpackung; wenn möglich und effizient, können wir sie umspulen oder von Hand bestücken.
Manchmal ist es nicht möglich, den idealen Federkontaktstift wie oben beschrieben zu verwenden oder zu beschaffen. Selbstverständlich sind wir gern bereit, alle anderen Varianten zu berücksichtigen. Allerdings bedeutet das in der Regel zusätzliche Kosten für die manuelle Bestückung, spezielle Vorrichtungen, Umspulen usw. Wie immer empfehlen wir im Zweifelsfall eine frühzeitige Kontaktaufnahme, um zu besprechen, wie wir die Bauteile verarbeiten können, damit die Bestückung der Leiterplatte effizient und kostengünstig erfolgen kann.
Für die Montage einzelner Federkontaktstifte benutzen wir eine spezielle Vorrichtung für das exakte Positionieren.
Bitte beachten Sie, dass Bauteilanschlüsse, die durchkontaktierte Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,45 mm oder weniger benötigen, besondere Überlegungen erfordern. In unserem Fertigungsprozess wird eine Bohrung, die nicht als Bauteilbohrung gekennzeichnet ist und einen Endlochdurchmesser gleich oder kleiner als eine bestimmte Größe hat als Durchkontaktierung behandelt. Unsere Standardvorgabe ist 0,45 mm. Für Durchkontaktierungen erlauben wir im Vergleich zu Bauteilbohrungen eine höhere “negative Toleranz”. Das bedeutet, dass die resultierenden Bohrungen kleiner als die angegebene Größe sein können, um einen besseren Restring unterzubringen oder die Anzahl der Bohrdurchmesser zu optimieren usw.
Der sicherste Weg, um zu verhindern, dass THT-Anschlüsse als Vias behandelt werden, ist, den Schwellenwert für die Klassifizierung von Vias herabzusetzen. Dies geschieht über die Option ‘Bohrungen <= [kleiner oder gleich] können reduziert werden' (siehe Bild unten). Wählen Sie den Durchmesser, der kleiner ist, als der für den THT-Anschluss erforderliche Endlochdurchmesser. Zum Beispiel: wenn die Bohrung 0,4 mm beträgt, wählen Sie 0,35 mm.
Wenn die THT-Anschlüsse für Bauteile 0,4 mm sein müssen, wählen Sie 0,35 mm für die angegebene Option. Andernfalls kann es sein, dass sie als Via ohne “negative Toleranz” erkannt werden.
Wenn wir die Leiterplatte bestücken und Sie uns die vollständigen Bestückungsinformationen liefern, können wir feststellen, welche Bohrungen mit Bauteilen verbunden sind, und diese dann nicht als Via behandeln. Diese Informationen können über die von Ihnen hochgeladenen Daten, z.B. Gerber X2 oder höher, zur Verfügung gestellt oder über unseren Visualizer angegeben oder überprüft werden.
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