Steckverbinder haben die Aufgabe, elektrische Leiter und Anschlüsse schnell und trotzdem sicher zu verbinden oder zu trennen. Obwohl diese Bauelemente meist sehr robust sind, erfordert ihre Anwendung und das Verbinden mit den dazugehörenden Leitern doch ein gehörig Maß an Sachkenntnis.

Wer weiß schon auf Anhieb, warum reines Nickel nur bedingt als Material für Kontaktoberflächen in Frage kommt! So kann es leicht zu einem Fehlgriff führen, wenn man statt des richtigen - irgendeinen Steckverbinder aus der breiten Produktpalette der Hersteller auswählt.

Dabei ist es gar nicht so schwierig, die richtige Wahl zu treffen, wie der Autor in diesem Beitrag darlegt. Systematisch beschreibt er zunächst physikalisch Grundsätzliches, dann Kontaktelemente und Kontaktträger und schließlich noch die Anschlußtechnik.

Von den Metallen sind Kupfer und Kupferlegierungen die maßgebenden Werkstoffe für elektrische Leiter und Kontaktelemente, weil zum einen die elektrische Leitfähigkeit gut ist und zum anderen das wirtschaftliche Herstellen der Metalle und Halbzeuge und ihre guten Verarbeitungsmöglichkeiten sowie ihre technologischen Eigenschaften das Anforderungsfeld am besten abdecken.

Wichtige Auswahlkriterien für die Kontaktelemente und ihre Werkstoffe sind elektrische, mechanische, thermische und chemische Belastungen. Je nach Anforderung müssen hier die Eigenschaften der Legierungen berücksichtigt werden. Grundsätzlich gilt, daß das Stift- und Buchsenelement nicht aus der gleichen Legierung sein muß (oder darf?). Ausgenommen sind Spezialsteckverbinder, die zum Beispiel in empfindliche Meßstromkreise eingebaut werden sollen, in denen schon Thermoströme stören.

Die Spannungsriß-Korrosion wird ausgelöst durch aggressive gasartige Ammoniakanteile in der Atmosphäre. So ist es schon zu Ausfällen gekommen, weil in Fußbodenkanälen befindliche Steckverbinder von Ammoniakanteilen in der Luft, die von Bodenreinigungsmitteln herrührten, angegriffen wurden. Man beachte, daß in vielen Putzmitteln Ammoniak enthalten ist. Auch stark mit Rauch und Abgasen angereicherte Atmosphären sind sehr problematisch. Schließlich ist bei galvanischen Bädern und Überzügen zu beachten, daß sie korrosionsmittelfrei sind.

Bei vielen Anwendungen ist jedoch der Durchgangs-widerstand der Kontaktelemente im Verhältnis zum Gesamtwiderstand der Leitungsführung so gering, daß er vernachlässigbar ist. Hier kommt es nicht so sehr auf den Wert des Durchgangswiderstandes an, sondern mehr auf seine Stabilität, weil die Konstanz des Strom- oder Spannungspegels das ausschlaggebende Kriterium ist.

Eine wesentliche Rolle spielt dabei das Schutzmetall, mit dem die kontaktgebenden Flächen belegt sind; an anderer Stelle wird darauf noch eingegangen. Bei Buchsen-Kontaktelementen, vorzugsweise mit Eigenfederung, kommt der schon zuvor erwähnten Spannungsriß-Korrosion noch mehr Bedeutung zu, weil die Kontaktelemente im gesteckten Zustand einer ständigen Federspannung unterliegen. Treten hohe Temperaturen auf, muß man außerdem berücksichtigen, daß bereits ab 90 °C die Festigkeit fast aller Kupferlegierungen nachläßt.

Dann werden die Feder- und Kontaktkraft schwächer, und alle davon abhängigen Parameter werden schlechter. Für hohe Temperaturbelastung muß man deshalb eine Fremdfederung mit entsprechenden Federn oder teuere Legierungen, wie Berylliumbronze verwenden, was aber den Preis wesentlich erhöht. Auch ein Vergrößern der leitenden Querschnitte - das bringt eine bessere Wärmeableitung - ist hilfreich, kann aber in der Konstruktion oftmals aus Platz- und auch aus Preisgründen nicht generell berücksichtigt werden.

Die für Kontaktelemente verwendeten Werkstoffe werden leider atmosphärisch angegriffen:

Vor allem kommt es zu Oxydation und Korrosion und die dabei entstehenden Schichten beeinträchtigen wie bereits schon beschrieben, den Stromdurchgang und können ihn sogar ganz unterbinden.

Bei den verhältnismäßig kleinen Abmessungen und den teilweise hohen Polzahlen ist es Steckverbindern der Elektronik praktisch nicht möglich, durch Kontaktkraft und Reibung diese Schichten generell und dauerhaft zu zerstören oder zu verdrängen, weil wie bereits dargelegt, die dazu erforderlichen Kräfte, die Steckarbeit letztlich unmöglich machen würden und von den Miniaturkontaktfedern auch nicht aufzubringen sind.

Außerdem sind in der Elektronik zumeist nur sehr kleine Spannungen gegeben, so daß bei dickeren Anlaufschichten auch kein Stromfluß durch Fritten entsteht. Darum ist es erforderlich, die Kontaktelemente gerade an der kontaktgebenden Stelle mit Schutzschichten aus weitgehendst korrosionsbeständigen Metallen mit guter elektrischer Leitfähigkeit zu versehen.

Im Nachfolgenden werden die auf das Grundmetall des Kontaktelementes aufgebrachten Metalle Kontaktmetall genannt.

Die wichtigsten in der Elektronik verwendeten Kontaktmetalle für Steckverbinder sind Zinn, Silber, Gold und Palladium. Diese Kontaktmetalle werden auch legiert, um spezifische Verbesserungen etwa beim Korrosionsverhalten oder härteabhängigen Abrieb zu erzielen.

Kupfer ist in der Tabelle in erster Linie zu Vergleichszwecken aufgeführt, wird aber auch bei galvanisch aufgetragenen Schichten wegen seiner sehr guten Haftung als Haftgrund verwendet. Zum anderen dient es auch als Diffusionssperre, um zu verhindern, daß Anteile des Grundmetalls in das Kontaktmetall diffundieren. Sind auf Messing Zinnoberflächen aufgebracht, verhindert es zum Beispiel, daß Zink in die Zinnschicht einwandert und dadurch schlechte bis unbrauchbare Lötanschlüsse entstehen.

Nickel kommt als reine Kontaktoberfläche nur für größere elektrische Spannungen und Kontaktkräfte in Betracht. Es ist zwar hart und abriebfest, doch sind die entstehenden Nickeloxidschichten auch von großer Härte, so daß sie entweder durch den spannungsabhängigen Frittungseffekt überwunden oder durch große Reib- und Quetschkräfte beim Steckvorgang zerstört werden müssen. Somit scheidet Nickel für den Elektronikbereich als Kontaktmetall weitgehend aus.

Als Untergrund für Goldoberflächen ist es jedoch sehr gut. Das Grundmetall läßt sich mit ihm recht porenfrei und zugleich glättend abdecken; somit ist es für die Legierungsanteile des Grundmetalles eine gute Diffusionssperre. Je nach Anwendungsgebiet und Steckhäufigkeit sind dann schon verhältnismäßig dünne und nicht ganz porenfreie Goldoberflächen ausreichend.

Die Härte des Nickels unterbindet auch den sogenannten „Harscheffekt", der bei der Schleif- und Durckbeanspruchung von Gold auf weicherem Silber als Grundmetall auftritt.

Weil hier das Silber unter der dünnen harten Goldauflage nachgibt, entstehen Risse im Gold, vergleichbar denen, die beim Belasten von einer verharschten Schneedecke zu beobachten sind. Außerdem verwendet man Nickel auch als Diffusionssperre bei Zinnoberflächen auf Messing, um die Lötbarkeit zu erhalten. Für Steckkontaktteile wird Nickel galvanisch ganzflächig und bei Federbändern ganzflächig oder selektiv aufgebracht.

Zinn ist sehr weich; dadurch ist zwar einerseits Reibkraft und Abrieb groß, andererseits werden dadurch die Oxyd- und Korrosionsschichten sehr leicht aufgerissen und es kommt zu großen metallischen und quasimetallischen Berührungsflächen. Insoweit die Steckhäufigkeit nicht zu groß ist und die Polzahlen keine zu hohe Steckkräfte ergeben, wird Zinn heute bei vielen Elektronik-Steckverbindern erfolgreich angewendet.

Bei nicht allzu hoher Gefahr von Korrosion und Oxydation wird es als Goldersatz verwendet. Ein weiterer Vorteil ist seine gute Lötbarkeit, insbesondere bei Lötspießanschlüssen in gedruckten Schaltungen. Auf Messingkontakten ist als Diffussionssperre Kupfer oder Nickel aufzubringen! Zinn wird galvanisch ganzflächig aufgebracht, bei Federbändern ganzflächig oder selektiv. Außerdem werden ganzflächig feuerverzinnte Federbänder hergestellt.

Silber zeichnet sich durch die beste elektrische Leitfähigkeit der aufgeführten Kontaktmetalle aus. Leider neigt es, wie schon erwähnt, sehr leicht zur Sulfidbildung durch schwefelhaltige Bestandteile der Industrieluft, wie H2S und S02.

Hohe Temperaturen und Feuchtigkeit verstärken das Sulfidwachstum noch. Auch Gummiteile geben Schwefel ab, was besonders bei Gummileitungen, gummihaltigen Isolierkörpern und Dichtungen, Tüllen usw. zu beachten ist; das gilt auch für die Lagerhaltung.

Bei Montagearbeiten muß man wissen, daß auch Handschweiß und Schweißausdünstung eine Sulfidbildung verursachen. Abhilfe ist durch Handschuhe, besondere Kleidung oder gute Belüftung möglich. Durch chemische und galvanische Verfahren lassen sich Passivierungsschichten auftragen, die das Anlaufen aber nur mehr oder weniger lang verhindern können und auch zum Teil die Lötbarkeit der Anschlüsse beeinträchtigen.

Darum wird als Anlaufschutz und Löthilfe sehr oft eine Hauchvergoldung aufgebracht. Die Sulfidbildung ist an den Lötanschlüssen viel störender als an den Kontaktstellen, weil sie das einwandfreie Löten vor allem in gedruckten Schaltungen erschwert oder sogar unterbindet.

Wenn keine allzuschlechten Umgebungsbedingungen herrschen, läßt sich kontaktseitig die nicht sehr harte Sulfidschicht durch eine hohe Kontaktkraft - die sich allerdings wieder auf die Baugröße und Polzahl auswirkt - zerreiben und aufreißen. Silbersulfid ist ein Halbleiter und führt deshalb bei höheren Spannungen leichter zu Strombrücken als die Anlaufschichten anderer Metalle. Für Steckkontaktteile wird Silber hauptsächlich galvanisch ganzflächig aufgebracht; bei Feder- und Kontaktteilebändern ganzflächig oder selektiv.

Reines Gold ist beständig gegen alle aggressiven Medien in der Atmosphäre. In reiner Form wird es jedoch kaum aufgebracht, weil es sonst zu weich ist und sehr schnell abgerieben wird. Härtere Oberflächen erhält man durch das Legieren mit Silber und Kupfer.

Hochkarätige Legierungen bilden keine Anlaufschichten; wichtig ist jedoch eine gute und harte Zwischenschicht wie Nickel. Auf diese Probleme wurde bereits in den Abschnitten Nickel und Silber hingewiesen.

Die Porenfreiheit der Goldschicht hängt von ihrer Schichtdicke und von einer möglichst glatten, das Grundmetall porenfrei abdeckenden Zwischenschicht ab. Wegen der Goldeinsparung sollte das besonders beachtet werden. Welche Schichtdicke bezüglich Restporigkeit und Abrieb zu wählen ist, hängt von dem Aufbringungsverfahren und den Anforderungen ab.

Eine diesbezügliche Aussprache und Beratung zwischen Hersteller und Anwender ist hier immer zum Vermeiden unnötiger Kosten zu empfehlen. Eine Hauchvergoldung von 0,2um bis 0,3um dient nur als Anlaufschutz und Löthilfe.

Gold für Steckkontakte wird hauptsächlich durch galvanische Verfahren sowie durch Vakuumverdampfen und Walzplattieren aufgebracht. Federbänder sind auf die gleiche Weise selektiv zu beschichten. Bei Stanzteilebändern ist zum selektiven Beschichten ein galvanisches Verfahren auch sehr vorteilhaft. Gold kann man auch durch eine Maskenabdeckung punktuell galvanisch aufbringen, und schließlich werden Goldkügelchen oder -plättchen in Spezialmaschinen auch im Ablauf der Federherstellung auf die Kontaktstelle aufgeschweißt.

Neben den Kontaktelementen eines Steckverbinders haben die Kontaktträger die wichtigste Aufgabe zu erfüllen. Sie müssen die Stift- und Buchsenkontakte aufnehmen, sie mechanisch halten und führen und zugleich untereinander elektrisch isolieren.

Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften sind dabei von den gleichen Einflüssen abhängig, die für die Kontaktelemente gelten. Man muß aber auch beachten, daß die Kontaktelemente den Kontaktträger zusätzlich beanspruchen, zum Beispiel durch Steckkräfte oder Stromerwärmungen. Die hauptsächlichen Einflüsse sind: Hitze, Kälte, Feuchtigkeiten, Staub, Stöße, Schwingungen, chemische Gase und Dämpfe, sowie atmosphärischer Druck (Bild 12).

Bei der Auswahl des Kunststoffes müssen besonders die Isolationseigenschaften beachtet und an Proben sowie später am Teil selbst geprüft werden, da sie für die elektrische Sicherheit maßgebend sind. Man mißt und prüft dabei die Kriechstromfestigkeit, den Isolationswiderstand und die Spannungsfestigkeit, wobei nach Kriterien vorgegangen wird, die in Normen festgelegt sind oder von speziellen Anforderungen des Anwendungsgebietes herrühren.

Wenn nicht bereits in der Bauteilevorschrift oder -norm angegeben, sind für die Bemessung der zur ausreichenden Isolation erforderlichen Luft-und Kriechstrecken generell die Vorschriften nach VDE 0110 zu erfüllen, die auf physikalischen Grenzwerten beruhen. Die Luft- und Kriechstrecken sind jeweils der Spannung, einer dem Einsatzgebiet (Einsatzort) entsprechenden Isolationsgruppe und der Kriechstromfestigkeit des Isoliermaterials zugeordnet.

Die Kriechstromfestigkeit des Isolierstoffes wird nach einem in DIN 53480 VDE 303 Teil 1 festgelegten Verfahren „KB" bestimmt. Danach werden zwischen zwei Elektroden, die im Abstand von 4mm auf die Oberfläche des Prüfteiles aufgesetzt sind, 50 Tropfen einer bestimmten elektrisch leitenden Flüssigkeit gegeben.

Mit Wiederholversuchen wird dann festgestellt, welche höchste Wechselspannung während 50 Auftropfungen noch keinen Kriechstrom verursacht (Bild 13). Entsprechend dem Ergebnis wird der Isolierstoff einer der drei Spannungsgruppen nach VDE 0110 Tabelle 3 zugeordnet, die mitbestimmend ist für den Mindestwert der Kriechstrecke.

Dem besseren Kriechstrom-Verhalten ist eine kürzere Kriechstrecke zugeordnet. Wenn Isolierstrecken entlang der ebenen Oberfläche eines Isolierteiles zu kurz sind, kann man sie, soweit dies möglich ist, durch Rippen, Erhebungen, Rillen und Einsekungen vergrößern; dabei dürfen aber vorgeschriebene Mindestwerte nicht unterschritten werden (VDE 0110 Anhang).

Den Verlauf von Luft- und Kriechstrecken zwischen Kontaktelementen, berührbaren Flächen und metallischen und nichtmetallischen Gehäusen von Steckverbindern zeigt Bild 14. Dort ist zum Teil dargestellt, wie man durch zusätzliche Rippen oder Vertiefungen die wirksamen Strecken vergrößern kann.

Die in VDE 0110 angegebenen Luft- und Kriechstrecken gelten nur bis zu einer Höhe von 2000 m, weil nach der Regel von Paschen bei abnehmendem Druck, ab einem bestimmten Wert der Überschlag in Luft und Gasen früher erfolgt.

Die mechanischen Eigenschaften der Kontaktträger werden auch weitgehend vom verwendeten Kunststoff und den Umgebungseinflüssen bestimmt, denn Kunststoffe, insbesondere die Thermoplaste, sind in ihrer mechanischen Festigkeit stark temperaturabhängig.

Kälte führt meist zu Sprödigkeit und Wärme zur Entfestigung. Dem temperaturabhängigen Verhalten von Zug-, Biege-, Schlag- und Kerbschlagfestigkeit muß somit besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Die Langzeitstabilität und das Altern durch andauerndes Einwirken von Wärme, das Verspröden und die Rißbildung wegen UV-Strahlung sowie das Kriechverhalten sind ebenso wichtige Faktoren (Bild 15 und 16).

Nicht zuletzt muß man auf die chemische Beständigkeit gegen Medien, die eventuell auf das Teil einwirken können, achten, besonders dann, wenn der Kontaktträger zugleich Teil des Gehäuses ist.

Löt- und Flußmittel, Reinigungsmittel und in einigen Fällen noch Öle, Kraftstoffe, agressive Gase und Dämpfe sind hier wichtige Faktoren, die beachtet werden müssen.

Bild 17 zeigt wie Teile in einem Rezipienten agressiven Dämpfen ausgesetzt werden.

Man unterscheidet bei den Kunststoffen drei Hauptgruppen: die Duroplaste (Duromere), Thermoplaste (Plastomere) und Elaste (Elastomere).

Die Elaste - gummielastische Formmassen - scheiden aus der Betrachtung aus, weil nur ganz besondere Typen im militärischen Bereich und bei der Luft- und Raumfahrt für Spezialkontaktträger verwendet werden und ihre Hauptanwendung sonst allgemein bei elastischen Teilen aller Art ist.