Hvidbog: Robusthed i stikforbindelser
Uanset om det er inden for luftfart og rumfart, industriel automatisering, transport eller sundhedssektoren: Stikforbindelser skal altid sikre en pålidelig signaloverførsel og må under ingen omstændigheder svigte. Samtidig udsættes de for en række belastninger fra omgivelserne: Mekaniske påvirkninger som stød, vibrationer og svingninger truer stabiliteten i dataoverførslen, ligesom termiske og kemiske miljøpåvirkninger i form af ekstreme temperaturer, store temperatursvingninger, skadelige gasser, fugt og snavs. Producenter af højkvalitetsstik benytter derfor alle mulige midler for at rustne deres stik mod disse belastninger.
Robusthed trods miniaturisering

Moderne elektroteknik er mere end nogensinde præget af en tendens: miniaturisering. Moduler og deres komponenter skal ikke blot blive stadig mere effektive, men også stadig mindre. Alligevel anvendes de ofte under barske driftsforhold. Komponenter og stikforbindelser bliver derfor stadig mere filigrane, selvom belastningen forbliver den samme. Et kvalitetsstik modstår imidlertid denne belastning ikke kun 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 har indflydelse på et stikforbindelses robusthed. En af disse er kontaktfladen. Denne har afgørende betydning for stikkets levetid, som normalt måles i tilslutningscyklusser. Ved brug i felten udsættes stikforbindelsen for visse mikrobevægelser. Disse medfører slid på overfladen og dermed dannelse af oxid (fig. 2).
Konsekvensen er en øget overgangsmodstand og dermed en dårligere kvalitet i signaloverførslen. Det er derfor vigtigt at reducere overfladeslid ved tilslutning og under drift til et minimum ved hjælp af en kontaktbelægning af høj kvalitet, der er holdbar. Til dette formål skal både kniv- og fjederkontakten 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 der fremstilles hårdt guld. Men hvis man søger et prisstabilt alternativ til denne belægningsopbygning, kan man f.eks. ty til en legering af nikkel og fosfor med guldflash. I helt bestemte blandingsforhold udviser disse to materialer de positive egenskaber, som også guld har: 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 er stanset eller drejet. Ved stansning opstår der imidlertid på undersiden af stansbåndet en uhomogen, skarpkantet overflade, der kan ses under mikroskopet. Konventionelle systemer skaber kontakt på denne stanskant, hvilket medfører øget overfladeslid og dermed højere overgangsmodstand. Dette kan undgås, hvis man bøjer fjederbladet 90 grader i den såkaldte stans-bøjningsproces, så det møder knivkontakten med den glatte, valsede overflade (fig. 3).
Men det er ikke kun designet af fjederlisten, men også designet af knivlisten, der er afgørende for stikforbindelsens holdbarhed. For også sidstnævnte skal stanses og videreforarbejdes præcist for at undgå beskadigede, skarpe geometrier.
Men det er ikke kun designet af fjederlisten, men også designet af knivlisten, der er afgørende for stikforbindelsens holdbarhed. For også sidstnævnte skal stanses og videreforarbejdes præcist for at undgå beskadigede, skarpe geometrier.
Faktor: Kontaktsystem

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

Stikforbindelser med det såkaldte »kønsneutrale« kontaktsystem er derimod endnu mere robuste. Det særlige ved disse er, at stikhalvdelene – stik og stikdåse – har identiske kontaktgeometrier. Begge har således både en fjeder og en kontaktstift. Hver pin får dermed kontakt med to fjedre, og stik og stikdåse er sammenflettede og kan ikke løsnes fra hinanden. Mens en dobbeltsidet fjederliste 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 det kønsneutrale kontaktsystem kun af stik i ét stykke. Disse undgår helt det klassiske todelte kontaktprincip med stikben og fjederliste. Da det sårbare kontaktområde er fjernet, har endeløse stik ikke kun den højeste modstandsdygtighed over for stød, vibrationer, fugt, støv og atmosfæriske forhold, men er også velegnede til indstøbning og andre metoder til komponentbeskyttelse. I kombination med indpressningsteknikken udgør de den sikreste mekaniske og elektriske forbindelse mellem to printkort (fig. 6).
Faktor: Tilslutningsteknik

Der findes forskellige måder at montere stik på printkortene på. En af disse er den allerede nævnte indpressningsteknik. Formålet er at opnå så stor fastgørelseskraft som muligt mellem stikket og printkortet ved hjælp af så lille indpressningskraft som muligt. Holdkræfterne er afgørende for den mekaniske forbindelse, som igen skal kunne modstå stød og vibrationer. Denne tilslutningsteknik er en metode, der har bevist sit værd milliarder af gange, hvor en indpressningsstift presses ind i et gennemgående hul i printkortet (fig. 7).

Indstikstappen har en større diagonal end hullet i printkortet. Stikbenet er fleksibelt i indstikszonen, så printkortet ikke deformeres af de fysiske kræfter under indstikningen. Deformationen begrænser sig derfor til indpressningszonen (fig. 8). Der opstår en kold svejsning mellem kontaktstiften og det metalliserede hul i printkortet: en gasæt, korrosionssikker, lavohmsk og elektrisk godt ledende mekanisk forbindelse, der også er velegnet til indstøbning. Den er desuden specificeret i DIN EN 60352-5 og forbliver kontaktsikker selv under meget høje mekaniske og termiske belastninger, såsom vibrationer, bøjning og kraftige temperaturskift, og tåler endda stødbelastninger på op til 200 g.
På grund af dens fremragende robusthed og en fejlrate (FIT-rate), der er ti gange bedre end automatisk loddede stikforbindelser, anvendes indpressningsteknikken gerne i høj sikkerhedsapplikationer, hvor signaloverførslen under ingen omstændigheder må afbrydes, for eksempel i airbag-systemer eller ABS- og ESP-moduler.
På grund af dens fremragende robusthed og en fejlrate (FIT-rate), der er ti gange bedre end automatisk loddede stikforbindelser, anvendes indpressningsteknikken gerne i høj sikkerhedsapplikationer, hvor signaloverførslen under ingen omstændigheder må afbrydes, for eksempel i airbag-systemer eller ABS- og ESP-moduler.

Men indpressningsteknikken er ikke altid egnet, for eksempel hvis printkort skal bestykkes på begge sider, eller hvis minimumsafstanden til komponenterne i kraftretningen ikke kan overholdes. En anden mulighed for at skabe en pålidelig og holdbar forbindelse mellem stik og printkort er Surface-Mount-teknologien (SMT). Her lodes stikkene ved hjælp af loddepasta på definerede kontaktflader på printkortet, de såkaldte loddepuder. Først i en såkaldt reflow-ovn smeltes loddematerialet og hærdes derefter. Med SMT kan der opnås stabile forbindelser mellem stik og printplade. Til dette skal dog nogle kriterier være opfyldt: For det første skal det korrekte forhold mellem loddefod, loddepude og loddepasta overholdes for at opnå en loddeforbindelse, 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 fejl i signaloverførslen udelukkes til enhver tid. En optimal loddeforbindelse kan genkendes på den jævne meniskdannelse. Kontakten skal være omgivet af loddemenisk hele vejen rundt for at opnå den bedste fastgørelseskraft på printkortet. (Fig. 9).
Det er en forudsætning for en fremragende forbindelse, at kontaktbenene ligger i samme plan. Hvis alle disse forudsætninger er opfyldt, kan SMT-stik dokumenteret 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 isoleringshuset og ligeledes loddes fast på printkortet (fig. 11). På den måde sikrer de yderligere stabilitet – også under ugunstige forhold som vibrationer og stød.
Påvirkningsfaktor Toleranceområde

Et stikforbindelses toleranceområde spiller en afgørende rolle for vurderingen af dets robusthed. Hvis stikket ikke kan udligne de givne tolerancer, vil mekaniske bevægelser føre til slitage eller endda beskadigelse af stikforbindelsen. Ved installationen hjælper indføringsskråninger her med at sikre, at stikbenene og stikrækken kan sættes sammen uden at blive beskadiget. Men også i tilsluttet tilstand skal mikrobevægelser udlignes. Dette opnås gennem kontakt- og isoleringslegemets geometri. Hvis et stik har en floating-funktion, kan det også udligne op til ±0,4 mm under drift. Denne funktion vinder i stigende grad relevans, da den spiller en afgørende rolle ved bestykning af et printkort med flere stik. I feltet opstår der imidlertid ikke kun belastninger i x- og y-retningen, men også i z-retningen (fig. 12).

Her opstår spørgsmålet om stikforbindelsens sikkerhed mod forkert tilslutning. Den beskriver overlapningsområdet mellem stikbenene og stikfæsten og muliggør dermed ikke kun forskellige afstand mellem printpladerne, men – afhængigt af størrelsen på dette område – også toleranceområder (fig. 13).
Maksimale toleranceudligninger opnås derimod ved hjælp af kabelforbindelser. Her er det kablets længde, der bestemmer stikforbindelsens toleranceområde.
Maksimale toleranceudligninger opnås derimod ved hjælp af kabelforbindelser. Her er det kablets længde, der bestemmer stikforbindelsens toleranceområde.
Prøvningsmetode

Der findes forskellige testmetoder til at sætte stikforbindelser på en grundig prøve med hensyn til deres robusthed. Her undersøges variabler som spændingsfasthed og overgangsmodstand både før og efter en belastningstest, og kontaktfladernes tilstand inspiceres visuelt. Således kan man f.eks. kontrollere virkningerne af 500 stikcykler på spændingsfastheden eller i en klimatisk test fastslå, om flere timer ved først -55 °C og derefter 125 °C har en negativ indvirkning på stikforbindelsens overgangsmodstand. Ved temperaturchoktesten skal stikket kunne modstå det hurtige skift mellem disse ekstreme temperaturer 100 gange i 30 minutter ad gangen. Og også midter- og vinkelforskydningen ved tilslutning samt toleranceområdet i tilsluttet tilstand bør ikke kun kontrolleres teoretisk på CAD-modellen, men også testes grundigt i praksis, og belastningsevnen bør bekræftes empirisk. Det er ligeledes vigtigt, at forskellige test, der er kritiske for kontaktfladen, også udføres i kombination for at simulere reelle forhold. Således kunne man f.eks. udføre stikcyklus- og skadelig gas-test i kombination for at sikre, at stikforbindelsens ydeevne med hensyn til overgangsmodstand og spændingsfasthed ikke er forringet, og at kontakterne ikke har taget skade (fig. 14).
Dit design – dit valg

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

