Hvidbog: Robusthed i stikforbindelser
Uanset om det er inden for luftfart og rumfart (luft- og rumfart), industriel automatisering, transport eller sundhedssektoren: Stikforbindelser (stik) skal altid sikre en pålidelig signaloverførsel og må under ingen omstændigheder svigte. Samtidig er de udsat for en række belastninger fra omgivelserne: Mekaniske påvirkninger som stød, vibrationer og svingninger truer stabiliteten i dataoverførslen lige så meget som termiske og kemiske miljøpåvirkninger i form af ekstreme temperaturer, kraftige temperatursvingninger, skadelige gasser, fugt og snavs. Producenter af højkvalitets stik udnytter derfor alle muligheder for at rustne deres stik mod disse belastninger.
Robusthed trods miniaturisering

Moderne elektroteknik er mere end nogensinde før præget af en tendens: miniaturisering. Moduler og deres komponenter skal ikke blot blive stadig mere ydeevne, men også stadig mindre. Alligevel anvendes de ofte under barske driftsforhold. Komponenter såvel som stikforbindelser (stik) bliver derfor stadig mere filigrane, selvom belastningen forbliver den samme. En kvalitetsstik modstår imidlertid denne belastning ikke blot lige så godt som sin ældre og større bror, men endda bedre. Årsagen hertil er videreudviklinger i materialesammensætningen samt i produktdesignet, for eksempel i isoleringslegemets geometri (fig. 1).
Overfladen som påvirkningsfaktor

En lang række faktorer påvirker et stiks robusthed. En af disse er kontaktfladen (kontaktoverflade). Denne har afgørende betydning for stikkets levetid, som normalt måles i stikcykler (stikcyklusser). Ved brug i felten udsættes stikket (stik) for visse mikrobevægelser. Disse fører til overfladeslid og dermed til dannelse af oxid (fig. 2).
Konsekvensen er en øget overkontaktmodstand og dermed en dårligere kvalitet i signaloverførslen. Derfor er det vigtigt ved hjælp af en højkvalitets og holdbar kontaktbelægning at reducere overfladeslid ved tilslutning samt under drift til et minimum. Til dette formål skal både kniv- og hunkontakt have en tilsvarende glat overflade. På trods af stigende priser anvendes guld stadig gerne til overfladebelægninger på grund af dets korrosionsbestandighed og fremragende ledningsevne. Da rent guld er blødt, legeres det med en andel på 0,2 til 0,3 procent kobolt eller nikkel, hvorved man fremstiller »hårdguld«. Men hvis man søger et prismæssigt mere stabilt alternativ til denne belægningsopbygning, kan man f.eks. anvende en nikkel-fosfor-legering med »guldflash«. Når disse to materialer kombineres i helt bestemte forhold, udviser de de samme positive egenskaber som guld: høj korrosionsbestandighed, udpræget slidstyrke og fremragende ledningsevne. For at forhindre diffusion mellem kontaktmaterialet og overfladebelægningen anvendes der ofte et såkaldt nikkel-spærrelag. Ved hjælp af denne barriere kan korrosion undgås.
Kontaktdesign som påvirkningsfaktor

Kontakterne i et stik udføres ved stansning eller drejning. Ved stansning opstår der imidlertid på undersiden af stansebåndet en uhomogen, skarpkantet overflade, der kan ses under mikroskopet. Traditionelle systemer skaber kontakt på denne stansstansekant, hvilket medfører øget overfladeslid og dermed højere kontaktmodstand. Dette kan undgås, hvis man i den såkaldte stans-bøjningsproces bøjer fjedertulpen 90 grader, så den møder hankontakt med den glatte, valsede overflade (fig. 3).
Men det er ikke kun udformningen af fjederstikket (hunstik), men også udformningen af knivstikket (hanstik), der er afgørende for stikketes holdbarhed. For også sidstnævnte skal gennemføres med præcision for at undgå skadelige, skarpe geometriske former.
Men det er ikke kun udformningen af fjederstikket (hunstik), men også udformningen af knivstikket (hanstik), der er afgørende for stikketes holdbarhed. For også sidstnævnte skal gennemføres med præcision for at undgå skadelige, skarpe geometriske former.
Faktor: Kontaktsystem

Klassiske todelte stikforbindelser (stik) har en knivkontakt og en fjederkontakt (hunkontakt). Ved kraftige stød kan knivkontakten (hanstik) dog løsne sig fra fjederkontakten (hunstik). For at undgå en sådan kontaktafbrydelse (kontaktafbrydelse) kan man ved hjælp af en dobbeltsidet fjederkontakt (hunstik) sikre redundans og dermed kontaktsikkerhed, da signaloverførslen takket være den anden fjeder til enhver tid er sikret via mindst ét kontaktpunkt (fig. 4).

stik med det såkaldte »hermafroditiske« kontaktsystem er derimod endnu mere robuste. Det særlige ved disse er de identiske kontaktgeometrier i stikhalvdelene, Plug og Socket. Begge har derfor både en fjeder og en kontakt. Hver pin kommer således i kontakt med to fjedre, og Plug og Socket er sammenflettede og kan ikke løsnes fra hinanden. Mens en dobbeltsidet hunstik under mekanisk belastning altid sikrer mindst ét kontaktpunkt, garanterer de sammenflettede geometrier i kønsneutrale kontaktsystemer, at signaloverførslen altid foregår via to kontaktpunkter. Denne høje redundans muliggør dermed maksimal kontaktsikkerhed (fig. 5).

Hvad angår robusthed, overgås hermafroditisk kontaktsystem kun af endelte stik. Disse undgår fuldstændigt det klassiske todelte kontaktprincip bestående af kniv- og hunstik. Da det sårbare kontaktområde er fjernet, har stik i ét stykke ikke blot den højeste modstandsdygtighed over for stød, vibrationer, fugt, støv og vejrforhold, men er også velegnede til indstøbning og andre metoder til beskyttelse af komponenter. I kombination med press-fit-teknologi udgør de den sikreste mekaniske og elektriske forbindelse mellem to printkort (fig. 6).
Indflydelsesfaktor: tilslutningsteknik

Der findes forskellige muligheder for at montere stikforbindelser (stik) på printpladerne. En af disse er den allerede nævnte indpressningsteknik (press-fit-teknologi). Formålet er at opnå så store holdekræfter som muligt mellem stikforbindelsen og printpladen ved hjælp af en så lav indpressningskraft (indpresningskraft) som muligt. Holdekrafterne er afgørende for den mekaniske forbindelse, som igen skal modstå stød og vibrationer. Denne tilslutningsteknik er en metode, der har bevist sit værd milliarder af gange, hvor en press-fit-stift (indpressningsstift) presses ind i et gennempletteret hul (gennemgående hul) i printpladen (fig. 7).

press-fit-stift har en større diagonal end hullet på printkortet. Stikbenet er fleksibelt i press-fit-zone, så printkortet ikke deformeres af de fysiske kræfter under indpressningsprocessen. Deformationer begrænser sig derfor til press-fit-zone (fig. 8). Der opstår en koldsvejsning mellem kontaktstift og det metalliserede hul i printkortet: en gastæt, korrosionsbestandig, lavohmisk og elektrisk godt ledende mekanisk forbindelse, der også er velegnet til indstøbning. Den er desuden specificeret i DIN EN 60352-5 og forbliver kontaktstabil selv under meget høje mekaniske og termiske belastninger, såsom vibrationer, bøjning og kraftige temperatursvingninger, og tåler endda stødbelastninger på op til 200 g.
På grund af dens fremragende robusthedsegenskaber og en fejlrate (FIT-rate), der er ti gange bedre end automatisk loddede stik, anvendes press-fit-teknologi ofte i højsikkerhedsapplikationer, hvor signaloverførslen under ingen omstændigheder må afbrydes, for eksempel i airbagsystemer eller ABS- og ESP-moduler.
På grund af dens fremragende robusthedsegenskaber og en fejlrate (FIT-rate), der er ti gange bedre end automatisk loddede stik, anvendes press-fit-teknologi ofte i højsikkerhedsapplikationer, hvor signaloverførslen under ingen omstændigheder må afbrydes, for eksempel i airbagsystemer eller ABS- og ESP-moduler.

Men press-fit-teknologi er ikke altid egnet, for eksempel når printkort skal bestykkes på begge sider, eller når minimumsafstanden til komponenter i kraftretningen ikke kan overholdes. En anden mulighed for at skabe en pålidelig og holdbar forbindelse mellem stik og printkort er da Surface-Mount-teknologien (SMT). Ved hjælp af lodloddepasta lodes stik fast på definerede loddeflader på printkortet, de såkaldte loddeøer. Først i en såkaldt reflowovn smeltes loddematerialet og hærdes derefter. SMT gør det muligt at opnå stabile forbindelser mellem stik og printplade. Her skal dog nogle kriterier være opfyldt: For det første skal det korrekte forhold mellem SMT-ben, loddeø og loddepasta overholdes for at opnå en loddested, der overholder standarden IPC-A-610. Kun på denne måde opnås en forbindelse af høj kvalitet, der muliggør en tilslutning i henhold til IPC-klasse 3 og dermed er egnet til brug i højtydende elektronik. I denne klasse skal svigt i signaloverførslen til enhver tid udelukkes. En optimal loddeforbindelse kan genkendes på den jævne meniskdannelse. Kontakten skal være omgivet af loddemenisken hele vejen rundt for at opnå den bedste holdekraft på printkortet. (Fig. 9).
Kontaktfødernes koplanaritet er en forudsætning for en fremragende forbindelse. Er alle disse forudsætninger opfyldt, kan SMT-stik påviseligt modstå mekaniske belastninger på op til 400 N.
Indflydelsesfaktor: Isolatorens udformning

Stikforbindelsens isoleringskropsgeometri bidrager desuden til at beskytte kontakterne mod skader under drift eller installation. Den bør være udformet således, at de sårbare kontakter inde i stikforbindelsen er beskyttet. Indføringsskråninger kan desuden forhindre
skader under montering. De hjælper med at udligne en forskydning af printkortene i alle retninger, når de sættes sammen. Ved hjælp af et ekstra fastgørelsesområde kan de to stikhalvdele også sættes sammen uden beskadigelse i tilfælde af en forskydning i midten eller vinklen (fig. 10).
skader under montering. De hjælper med at udligne en forskydning af printkortene i alle retninger, når de sættes sammen. Ved hjælp af et ekstra fastgørelsesområde kan de to stikhalvdele også sættes sammen uden beskadigelse i tilfælde af en forskydning i midten eller vinklen (fig. 10).

Nogle stik er desuden udstyret med Boardlocks. Hermed menes metalbøjler, der er fastgjort til isolationslegeme og ligeledes loddes fast på printkortet (fig. 11). På denne måde sikrer de yderligere stabilitet – også under ugunstige forhold som vibrationer og stød.
Påvirkningsfaktor Toleranceområde

Et stiks toleranceområde spiller en afgørende rolle for vurderingen af dets robusthed. Hvis stikket ikke kan udligne givne tolerancer, fører mekaniske bevægelser til slitage eller endda beskadigelse af stikforbindelsen. Ved installationen yder indføringsfaser her støtte for at muliggøre en skadesfri tilslutning af Messer- og hunstik. Men også i tilsluttet tilstand skal mikrobevægelser udlignes. Dette opnås gennem kontakt- og isoleringslegemets geometri. Hvis en stik har en floating-funktion, kan den også under drift udligne op til ±0,4 mm. Denne funktion vinder i stigende grad an, da den spiller en afgørende rolle ved bestykning af et printkort med flere stik. I praksis opstår der imidlertid belastninger ikke kun i x- og y-retningen, men også i z-retningen (fig. 12).

Her opstår spørgsmålet om stikket »effektiv indstikslængde«. Den beskriver overlapningsområdet mellem kniv- og hunstik og muliggør dermed ikke kun forskellige printkortafstande, men – afhængigt af størrelsen af dette område – også toleranceområder (fig. 13).
Maksimale toleranceudligninger opnås derimod ved hjælp af kabelforbindelser. Her er det kablets længde, der bestemmer toleranceområdet for stikket.
Maksimale toleranceudligninger opnås derimod ved hjælp af kabelforbindelser. Her er det kablets længde, der bestemmer toleranceområdet for stikket.
Prøvningsmetode

Der findes forskellige testmetoder til at sætte stikforbindelser (stik) på en grundig prøve med hensyn til deres robusthedsegenskaber. Her undersøges variabler som spændingsfasthed og kontaktmodstand henholdsvis før og efter en belastningstest, og kontaktens tilstand inspiceres visuelt. Således kan man f.eks. undersøge virkningerne af 500 stikcyklusser på spændingsfasthed eller i en klimatest fastslå, om flere timer ved først -55 °C og derefter 125 °C har en negativ indvirkning på stikets kontaktmodstand. Ved temperaturchoktesten skal stikket kunne modstå det hurtige skift mellem disse ekstreme temperaturer 100 gange i 30 minutter ad gangen. Også midter- og vinkelvinkelforskydning ved tilslutning samt toleranceområdet i tilsluttet tilstand bør ikke kun kontrolleres teoretisk på CAD-modellen, men også testes grundigt i praksis, og belastbarheden bør bekræftes empirisk. Det er ligeledes vigtigt, at forskellige prøvninger, der er afgørende for kontaktfladen (kontaktoverflade), også udføres i kombination for at simulere virkelige forhold. Således kunne der f.eks. gennemføres stikcyklus- og gaskorrosionstests i kombination for at sikre, at stikforbindelsens ydeevne med hensyn til overgangsmodstand (kontaktmodstand) og spændingsfasthed (spændingsfasthed) ikke er forringet, og at kontakterne ikke har taget skade (fig. 14).
Dit design – dit valg

Afhængigt af anvendelsens krav stilles der forskellige krav til robusthed, som en stik skal opfylde. Skal den for eksempel udligne store tolerancer? Er den udsat for store stødbelastninger eller vibrationer? Anvendes den under påvirkning af stærk varme eller kulde? Eller skal tilslutningsløsningen beskyttes mod fugt, skadelige gasser eller snavs? Hvis en bruger tager udgangspunkt i disse spørgsmål, når han vælger sin tilslutningsløsning, kan han være sikker på, at hans stik er optimalt rustet til brug i felten.

