Als Einpresstechnik bezeichnet man eine lötfreie Verbindungstechnik bei Leiterplatten, bei der ein Kontaktstift in das metallisierte Loch (Durchkontaktierung) einer Leiterplatte gedrückt wird.
Meist kann auf zusätzliche mechanische Befestigung verzichtet werden. Das Gegenstück der elektrischen Verbindung des Einpresskontaktes kann zum Beispiel eine Wickelverbindung, eine Flachsteckhülse, ein Gewindebolzen oder ein Steckverbinder sein.
Die Diagonale des Stiftquerschnitts ist größer als der Durchmesser des Lochs in der Leiterplatte. Durch das Einpressen/Einschneiden der Stiftkanten in die Metallisierung der Durchkontaktierung der Leiterplatte entsteht eine gasdichte elektrische Verbindung, die sich bei richtiger Ausführung durch eine hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit auszeichnet.
Die beim Einpressen entstehende Überpressung kann entweder durch die Verformung im Loch oder die Verformung des Stiftes aufgenommen werden. Somit gibt es zwei verschiedene Arten von Einpresskontakten:
- Massive, nicht kompressible Stifte bzw. Einpresskontakte. Querschnitt quadratisch oder mit Längsrillen versehen. Hierbei wird die Leiterplatte im Bereich der Bohrung deformiert. Die aufgebaute Kraftwirkung sorgt dafür, dass eine sichere elektrische Verbindung zwischen der Hülse der Leiterplatte und dem Einpresskontakt entsteht.
- Flexible bzw. elastische Stifte bzw. Hülsen. Hierbei wird der Einpresskontakt im Bereich der Einpresszone elastisch zusammengedrückt. Diese erzeugte Vorspannung des Einpresskontakts sorgt dafür, dass eine Verbindung zwischen der Hülse der Leiterplatte und dem Einpresskontakt entsteht und aufrechterhalten bleibt. Beispiele:
- Nadelöhrtechnik (engl. „needle eye“), siehe Bild.
- C-Hülse bzw. Einpresskontakt mit C-förmigem Querschnitt. Die elastische Hülse verringert beim Einpressen ihren Durchmesser und legt sich innen an die Wandung der Durchkontaktierung an.
Materialien und Verarbeitung
Als Stiftmaterial kommen Messing, Bronze und Kupfer-Beryllium in Frage. Diese Stifte können als Oberfläche blank, vernickelt, verzinnt, vergoldet und palladiniert ausgeführt sein.
Für die Leiterplatten sind Nenndicken von 1,5 bis 6,4 mm vorgesehen. Die Löcher in der Leiterplatte sollten entweder unbeschichtetes Kupfer > 0,025 mm oder Kupfer > 0,025 mm plus Zinn oder Zinn-Blei-Legierung > 0,015 mm haben. Besonders wichtig ist die Einhaltung enger Toleranzen beim Lochdurchmesser. Beispielsweise sind für Löcher mit einem Millimeter Durchmesser bei massiven Stiften Toleranzen von +0,04 und −0,06 mm gefordert, bei flexiblen Stiften +0,09 und −0,06 mm.
Folgende Lochdurchmesser/Stiftquerschnitte sind für quadratische oder rechteckförmige massive Einpresskontakte üblich:
- Endlochdurchmesser der Bohrung 0,65 mm, massiver Einpresskontakt, Stift 0,5 × 0,5 mm²
- Endlochdurchmesser der Bohrung 1,00 mm, massiver Einpresskontakt, Stift 0,56 × 0,91 mm²
- Endlochdurchmesser der Bohrung 1,35 mm, massiver Einpresskontakt, Stift 1 × 1 mm²
- Endlochdurchmesser der Bohrung 1,70 mm, massiver Einpresskontakt, Stift 0,8 × 1,6 mm²
Einpresskontakte müssen exakt vertikal eingedrückt werden. Zum Einpressen werden Handhebelpressen oder druckluft- oder hydraulisch betriebene Pressen verwendet. Der Einpressvorgang kann überwacht werden. Hierbei wird bei zunehmender Kraft eine Weg-Zeit-Messung oder eine Weg-Kraft-Überwachung als zweckmäßig erwiesen. Darüber hinaus soll ein Gegenwerkzeug zur Aufnahme der Baugruppe und ein Werkzeugeinsatz zur Aufnahme des Einpresskontakts genau auf die Leiterplatte und den Einpresskontakt abgestimmt sein. Hierzu muss auf der Baugruppe auf der gegenüberliegenden Seite ausreichend Freiraum vorhanden sein.
Als Qualitätskriterium für eine Einpressverbindung sind außer diversen Langzeit-Prüfungen wie Änderungen des ohmschen Durchgangswiderstand nach Temperaturwechseln, Feuchtelagerungen, Temperaturlagerungen, Lagerungen in Industrieatmosphäre usw. auch ein Schnelltest durch die Ermittlung der Ausdrückkraft geeignet. Hier ist ein Mindestwert von 20 Newton, aber auch anwendungsabhängig Werte bis zu 60 Newton, pro Stift gängig.
Geschichte
Die Einpresstechnik wurde als Norm erstmals im Jahre 1984 in der DIN 41611-5 „Lötfreie elektrische Verbindungen; Einpressverbindungen; Begriffe, Anforderungen, Prüfungen“ beschrieben. Nachfolgedokument ist DIN EN 60352-5 „Lötfreie Verbindungen – Teil 5: Einpressverbindungen – Allgemeine Anforderungen, Prüfverfahren und Anwendungshinweise“.
Einpressstifte wurden vermutlich Anfang der 1970er Jahre erstmals verwendet. Dabei stand zu Anfang die mechanische Sicherung von Bauteilen beim Bestücken und Löten im Vordergrund. Die Firma Elfab erhielt 1970 ein Patent zu einem massiven rechteckigen Stift. Später wurden mit Hilfe eingepresster Stifte Leiterplatten gestapelt, und in Multilayer-ähnlicher Bauweise verdichtet. Im Jahre 1974 stellte die Firma Winchester Electronics den ersten elastischen Stift vor.
Inzwischen gibt es eine große Vielfalt an verschiedenen Stiftgeometrien. Grundmaterial für die Steckverbinder ist oft ein Vierkantdraht, der auf die gewünschte Länge geschnitten oder es wird durch thermisches Reißen gleich eine Spitze geformt. Einpresskontakte sind blank, oft auch versilbert, vergoldet oder verzinnt.
Die Einpresstechnik ist eine in der Elektronikproduktion etablierte, verbreitete Technologie.
Vor- und Nachteile
Gegenüber dem Löten treten folgende Vorteile des Einpressens auf:
- keine thermische Belastung der Leiterplatte und der auf der Baugruppe bestückten Bauelemente bei der Herstellung der Einpressverbindung
- keine Gefahr von Lötbrücken
- keine Flussmittelreste, keine Reinigung nötig
- Reparaturfähigkeit
- Recycling möglich
Mit der Einpresstechnik werden oft Steckverbinder montiert. Durch das Einpressen vielpoliger Stecker ist eine zusätzliche Befestigung (Schrauben, Nieten, …) unnötig geworden. Auf diese Weise werden Back Planes, Back Panels (Rückseitenverdrahtung/-verbindung mehrere Baugruppen), und Hauptplatinen hergestellt, die typischerweise Tochterplatinen tragen oder viele Verbindungen nach außen haben.
Gegenüber den Lötverbindungen haben Einpressverbindungen den Nachteil, dass enge Toleranzen der Bohrungsdurchmesser der Leiterplatte eingehalten werden müssen. Daher ist bei einem Wechsel des Leiterplattenherstellers oder der Oberflächenart der Leiterplatte oft eine Nachqualifizierung der Verbindung erforderlich.
Einpressmontage kann nicht im technologischen Durchlauf des Lötens der Leiterplatte erfolgen, wohl aber beim automatischen Bestücken. Oft ist zu klären, ob hierbei vorab erfolgte Einpressverbindungen mit verlötet werden dürfen oder sollen. Wenn nicht, entsteht ein zusätzlicher Montageschritt.
Die Materialien der Einpressstifte sind teilweise aus bleihaltigen oder berylliumhaltigen Kupferlegierungen (Bronze). Diese Legierungsbestandteile sind problematisch oder giftig und sind u. a. in der RoHS-Richtlinie erfasst, beschränkt oder mit zeitlich befristeten Ausnahmen versehen.
Zuverlässigkeit bei Einpressverbindungen und Fehlerbilder
Die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Einpressverbindungen hängt im Wesentlichen von der Auswahl und Dimensionierung der Verbindung ab. Die nachfolgenden Fehlerbilder beschreiben auftretende Fehler beim Verarbeitungsprozess oder beim späteren Betrieb der Baugruppe. Erfahrungsgemäß lassen sich diese Fehler bei korrekter Dimensionierung der Verbindung und korrekter Verarbeitung weitgehend vermeiden.
Literatur
- Andreas Veigel, Michael Tschan u. a.: Einpresstechnik – Entwicklung, Anwendung, Qualifizierung. Hrsg.: Tilman Heinisch. 1. Auflage. Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau 2009, ISBN 978-3-87480-252-9.
Weblinks
- Michael Tschan: Einpresstechnik: Worauf man achten muss. In: Elektronik. Abgerufen am 16. März 2017.
Einzelnachweise
- ↑ ohne Autor: Harting – Wissenswertes zu Anschlusstechniken bei Steckverbindern – Montagehinweise und Leitfaden für den Anwender in der Elektrotechnik – Technischer Applikationsreport 1. Auflage, Harting Deutschland GmbH & Co. KG, 2008, S. VIII-1 f.
- Lötfreie elektrische Verbindungen; Einpreßverbindungen; Begriffe, Anforderungen, Prüfungen. Beuth (kostenpflichtiger Abruf [abgerufen am 20. Dezember 2012] zurückgezogen).
- Lötfreie Verbindungen – Teil 5: Einpressverbindungen – Allgemeine Anforderungen, Prüfverfahren und Anwendungshinweise (IEC 60352-5:2012); Deutsche Fassung EN 60352-5:2012. Beuth (kostenpflichtiger Abruf [abgerufen am 20. Dezember 2012]).
- Thermisches Reißen/Fa. Johusen