Verbindungstechniken für Leiterplatten

Die Leiterplatte ist das Herzstück nahezu jedes elektronischen Geräts. Sie steuert und überwacht andere Komponenten, etwa Motoren, Displays oder Sensoren. Diese Schnittstellen stehen unter mechanischer, thermischer oder chemischer Belastung. Eine sorgfältig ausgewählte und fachgerecht ausgeführte Verbindungstechnik kann daher entscheidend für die Lebensdauer, Ausfallrate und Wirtschaftlichkeit eines elektronischen Produkts sein.

Die Auswahl der richtigen Verbindungstechnik hängt nicht nur von technischen Parametern wie Strombelastbarkeit, Kontaktwiderstand oder mechanischer Stabilität ab, sondern auch von Faktoren wie Montageaufwand, Reparaturfähigkeit und Kosten. Grundsätzlich lassen sich Verbindungstechniken in zwei Kategorien einteilen: lösbare und nicht lösbare Verbindungen.

1. Lösbare Verbindungstechniken

SMD-SteckerLösbare Verbindungstechniken werden überall dort eingesetzt, wo eine geplante Demontage erforderlich werden kann – sei es für Wartung, Austausch oder Transport. Die Verbindung wird in der Regel über einen mechanischen Steckprozess realisiert.

1.1. Nullkraftstecker (ZIF) oder Niedrigkraftstecker (LIF)

Hierbei wird eine flexible Leiterplatte (FPC) in einen Stecker eingeführt und teilweise mechanisch verriegelt. FPCs müssen im Steckbereich eine Mindestdicke von 0,3 mm (in Ausnahmefällen 0,2 mm) aufweisen.

1.2. SMD-Stecker

SMD-Stecker werden auf eine Leiterplatte im Reflow-Ofen aufgelötet. Sie kommen oft bei FPC-zu-PCB- oder PCB-zu-PCB-Verbindungen zum Einsatz. Das Stecksystem besteht aus einem Buchsengehäuse auf einer Seite und den Steckerpins inkl. Gehäuse auf der Gegenseite.

1.3. Crimp-Stecker

Hierbei wird eine FPC mittels Crimpkontakt und Gehäuse kontaktiert und mit einem Gegenstecker verbunden. Der Crimpvorgang erfordert immer ein passendes Crimpwerkzeug und eine Crimpanlage. Die Kontaktierung erfolgt gasdicht, wodurch eine hohe Zuverlässigkeit der Verbindung erreicht wird.

1.4. Kantenstecker

Die Kontaktpads einer Leiterplatte an der Kante werden vergoldet und in einen auf der Hauptplatine verlöteten Kantenstecker eingeschoben. Diese Technik wird häufig für Erweiterungskarten, Backplanes oder modulare Systeme genutzt.

1.5. Pogo-Pins

Pogo-Pins sind federbelastete Kontaktstifte, die bei temporären Verbindungen – beispielsweise bei Prüfadaptern oder Dockingstationen – zum Einsatz kommen. Sie erlauben schnelle, wiederholbare Steckzyklen ohne großen Verschleiß an den Gegenkontakten.

2. Nicht lösbare Verbindungen

Nicht lösbare Verbindungstechniken werden dort eingesetzt, wo eine dauerhafte und korrosionsfeste Verbindung erforderlich ist.

2.1. Einpresskontakte

Einpresskontakte werden ohne Temperatureinfluss in metallisierte Durchkontaktierungen einer Leiterplatte eingepresst. Durch den mechanischen Druck entsteht eine gasdichte, kaltverschweißte Verbindung. Für den Prozess ist eine geeignete Presse und eine individuelle Pressmatrize notwendig.

2.2. Lötverbindungen

THT-SteckerLötverbindungen zählen zu den am weitesten verbreiteten Verbindungstechniken. Sie ermöglichen sowohl elektrische als auch mechanische Fixierung. Unterschieden wird zwischen:

• Wellenlöten: Durchsteckkontakte (THT), die über eine Lötwelle selektiv verlötet werden. THT-Löten ergibt eine höhere mechanische Festigkeit und wird besonders bei großen oder schweren Bauelementen eingesetzt
• Reflowlöten: effizientes und präzises Lötverfahren für Massenproduktion und besonders für eine hohe Anzahl an Komponenten
• Bügellöten: Sensitives Lötverfahren zwischen FPC und PCB mittels einer Bügellötanlage mit präziser Temperatur- und Zeitüberwachung sowie speziellen Werkzeugen, mechanisch nicht belastbar

2.3. Schweißtechniken

Insbesondere in der Leistungselektronik kommen Ultraschall- oder Widerstandsschweißverfahren zum Einsatz, beispielsweise zur Verbindung von Leiterbahnen mit Stromschienen oder Hochstromanschlüssen. Eine besondere Ausprägung ist das Bonden, bei dem ein Bonddraht auf eine Kontaktstelle aufgeschweißt wird.

2.4. Klebeverbindungen

Elektrisch leitfähige Klebstoffe (z. B. anisotrope Flüssigkleber oder leitfähige Klebebänder) werden für die Verklebung von vielen Kontaktstellen eingesetzt, wobei die Stromtragfähigkeit sehr gering ist.

3. Fazit

Die Wahl der optimalen Verbindungstechnik für Leiterplatten erfordert eine sorgfältige Abwägung zwischen mechanischen, elektrischen und wirtschaftlichen Anforderungen. Während lösbare Verbindungen vor allem Servicefreundlichkeit bieten, punkten nicht lösbare Techniken mit mechanischer Belastbarkeit und höherer Stromübertragung. Zudem müssen bei der Auswahl der Verbindungstechnologie die damit verbundenen Stückkosten und auch die notwendigen Investitionen in Anlagen und Einrichtungen berücksichtigt werden.

4. Anwendungsfälle der Verbindungstechniken

4.1. Steckertechniken

• ZIF- und LIF-Stecker werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, darunter Displayanbindungen sowie allgemeine Steckverbindungen in der Automotive-, Consumer- und Medizintechnik.
• SMD-Stecker finden vor allem in langlebigen Applikationen wie Maschinentechnik und Medizingeräten Verwendung.
• Crimpstecker werden häufig im automobilen Bereich genutzt, beispielsweise für FPC-Verbindungen in Batteriesteuerungen oder Maschinensteuerungen, bei denen hohe Vibrationsfestigkeit erforderlich ist.
• Kantenstecker verbinden mehrere Leiterplatten innerhalb eines Geräts, etwa in Maschinensteuerungen.
• Pogo-Pins werden unter anderem in Testadaptern eingesetzt.
• Pressfit-Kontakte kommen in Produkten mit hohen Vibrationen und feuchten Umgebungen zum Einsatz.

Tab. 1: Übersicht Verbindungstechniken von Leiterplatten

4.2. Löten

• SMD- und THT-Lötungen dienen der Bestückung elektronischer Komponenten. SMD-Lötungen werden insbesondere für kleine Bauelemente und hohe Stückzahlen ohne mechanische Belastung verwendet, z. B. auf Steuer- oder Sensorplatinen im automobilen Umfeld oder für allgemeine Anwendungen.
• Bügel-Löten stellt eine spezialisierte Lösung für die dauerhafte Verbindung von FPC mit Leiterplatten dar.

4.3. Schweißen

• Ultraschall- und Laserschweißen verbinden häufig Leiterplatten, insbesondere FPC, mit massiven Bauelementen wie Stanzteilen oder Stromschienen. Die Drahtbond-Technik ermöglicht die direkte Kontaktierung von Bare-Chips mit Leiterplatten.

4.4. Kleben

Leiterplatten, insbesondere FPC, werden zur Kontaktierung von Displayanschlüssen auf Steuerplatinen verklebt. Diese Technik findet in allen Branchen und Anwendungsfällen Verwendung.