Hvitbok: Robusthet hos kontakter
Enten det er innen luftfart og romfart (luft- og romfart), industriell automatisering, transport eller helsevesenet: kontakt må alltid sikre pålitelig signaloverføring og må under ingen omstendigheter svikte. Samtidig er de utsatt for en rekke belastninger fra omgivelsene: Mekaniske påvirkninger som støt, vibrasjoner og svingninger utgjør en trussel mot stabiliteten i dataoverføringen, på samme måte som termiske og kjemiske miljøpåvirkninger i form av ekstreme temperaturer, store temperatursvingninger, skadelige gasser, fuktighet og smuss. Produsenter av høykvalitets kontakt benytter derfor et bredt spekter av tiltak for å ruste sine kontakter mot disse påkjenningene.
Robusthet til tross for miniatyrisering

Moderne elektroteknikk er mer enn noensinne preget av en trend: miniatyrisering. Komponentmoduler og deres deler må ikke bare bli stadig kraftigere, men også stadig mindre. Likevel blir de ofte brukt under tøffe, virkelige forhold. Både komponenter og kontakt blir derfor stadig mer filigrane, samtidig som belastningen forblir den samme. En kvalitetskontakt tåler imidlertid denne belastningen ikke bare like godt som sin eldre og større bror, men til og med bedre. Årsaken til dette er videreutviklinger i materialsammensetningen og i produktdesignet, for eksempel i isolasjonskroppens geometri (fig. 1).
Påvirkningsfaktor: Overflate

En rekke faktorer påvirker robustheten til en kontakt. En av disse er kontaktflaten (kontaktflate). Denne er avgjørende for kontaktens levetid, som vanligvis måles i stikk-sykluser (koblingssykluser). Ved bruk i feltet utsettes kontakten (kontakt) for visse mikrobevegelser. Disse fører til overflateslitasje og dermed til oksyddannelse (fig. 2).
Konsekvensen er økt overkontaktresistans og dermed dårligere kvalitet i signaloverføringen. Derfor er det viktig å redusere overflateslitasjen ved tilkobling og under drift til et minimum ved hjelp av en høykvalitets og holdbar kontaktplettering. For dette må både kniv- og hunnkontaktelement ha en tilsvarende glatt overflate. Til tross for stigende priser bruker man fortsatt gjerne gull til overflatebelegg på grunn av dets korrosjonsbestandighet og utmerkede ledningsevne. Siden rent gull er mykt, legeres det med 0,2 til 0,3 prosent kobolt eller nikkel, og på denne måten fremstilles «hardgull». Den som imidlertid søker et prismessig mer stabilt alternativ til denne beleggstrukturen, kan for eksempel benytte en nikkel-fosforlegering med «gullflash». Når disse to materialene kombineres i helt bestemte blandingsforhold, viser de de samme positive egenskapene som gull har: høy korrosjonsbestandighet, utpreget slitestyrke og utmerket ledningsevne. For å forhindre diffusjon mellom kontaktmaterialet og overflatebelegget brukes det ofte et såkalt nikkelbarrierebelegg. Ved hjelp av denne barrieren kan korrosjon unngås.
Kontaktutforming som påvirkningsfaktor

Kontaktene i en kontakt blir stanset eller dreid. Ved stansing oppstår det imidlertid på undersiden av stanset båndet en ujevn, skarpkantet overflate som er synlig under mikroskopet. Tradisjonelle systemer etablerer kontakt på denne stansklippekant, noe som medfører økt overflateslitasje og dermed høyere kontaktresistans. Dette kan unngås ved å bøye fjærkontakten 90 grader i den såkalte stans-bøyeprosessen, slik at den treffer hannkontaktelement med den glatte, valsede overflaten (fig. 3).
Men ikke bare utformingen av «hunnkontakt», men også utformingen av «hannkontakt» er avgjørende for kontaktens levetid. For også sistnevnte må stanses og bearbeides nøyaktig for å unngå skadelige, skarpe geometriske former.
Men ikke bare utformingen av «hunnkontakt», men også utformingen av «hannkontakt» er avgjørende for kontaktens levetid. For også sistnevnte må stanses og bearbeides nøyaktig for å unngå skadelige, skarpe geometriske former.
Påvirkningsfaktor: Kontaktsystem

Klassiske todelte stikkontakter (kontakt) har en knivkontakt og en fjærkontakt (hunnkontaktelement). Ved kraftige støt kan imidlertid knivkontakten (hannkontakt) løsne fra fjærkontakten (hunnkontakt). For å unngå en slik kontaktavbrudd (kontaktbrudd) kan man ved hjelp av en dobbeltsidig fjærkontakt (hunnkontakt) sikre redundans og dermed kontaktsikkerhet, fordi den andre fjæren sikrer at signaloverføringen til enhver tid skjer via minst ett kontaktpunkt (fig. 4).

kontakt med såkalt «hermafroditisk» kontaktsystem er derimot enda mer robuste. Det spesielle ved disse er de identiske kontaktgeometrierne til kontakthalvdelene, Plug og Socket. Begge har derfor både en fjær og en kontaktkniv. Dermed får hver pin kontakt med to fjærer, mens Plug og Socket er flettet sammen og ikke kan løsne fra hverandre. Mens en dobbeltsidig «hunnkontakt» alltid sikrer minst ett kontaktpunkt under mekanisk belastning, garanterer de sammenflettede geometriene i kjønnsnøytrale kontaktsystemer at signaloverføringen alltid skjer via to kontaktpunkter. Denne høye redundansen muliggjør dermed maksimal kontaktsikkerhet (fig. 5).

Når det gjelder robusthet, overgås hermafroditiske kontaktsystemer kun av endelte kontakter. Disse avstår helt fra det klassiske todelte kontaktprinsippet med «Messer-» og «hunnkontakt». Ved å fjerne det sårbare kontaktområdet har en-delte kontakt ikke bare den høyeste motstandsdyktigheten mot støt, vibrasjon, fuktighet, støv og atmosfæriske forhold, men egner seg også for innstøping og andre metoder for komponentbeskyttelse. I kombinasjon med press-fit-teknologi utgjør de den sikreste mekaniske og elektriske forbindelsen mellom to kretskort (fig. 6).
Påvirkningsfaktor: tilkoblingsteknikk

Det finnes ulike måter å montere kontakt på kretskortene på. En av dem er den allerede nevnte press-fit-teknologi. Målet er å oppnå størst mulig holdekraft mellom kontakt og kretskortet med så lav innpressingskraft som mulig. Holdekreftene avgjør den mekaniske forbindelsen, som igjen må tåle støt og vibrasjoner. Denne tilkoblingsteknikken (tilkoblingsteknikk) er en metode som har vist seg å fungere milliarder av ganger, der en innpressingspinne (press-fit-pinne) presses inn i et gjennomgående hull (gjennomplettert hull) i kretskortet (fig. 7).

press-fit-pinne har en større diagonal enn hull-diameteren på kretskortet. Stikkontaktpinnen er fleksibel i press-fit-sone, slik at kretskortet ikke deformeres av de fysiske kreftene under innpressingsprosessen. Deformasjonen begrenser seg derfor til press-fit-sone (fig. 8). Det oppstår en kaldsveising mellom kontaktpinne og det metalliserte hullet i kretskortet: en gasstett, korrosjonsbestandig, lavohmig og elektrisk godt ledende mekanisk forbindelse, som også egner seg for innstøping. Den er dessuten spesifisert i DIN EN 60352-5 og opprettholder pålitelig kontakt selv under svært høye mekaniske og termiske belastninger, som vibrasjon, bøying og store temperatursvingninger, og tåler til og med støtbelastninger på opptil 200 g.
På grunn av sine fremragende robusthetsegenskaper og en ti ganger bedre feilrate (FIT-rate) enn automatisk loddede kontakt, brukes press-fit-teknologi gjerne i høysikkerhetsapplikasjoner der signaloverføringen under ingen omstendigheter må avbrytes, for eksempel i airbagsystemer eller ABS- og ESP-moduler.
På grunn av sine fremragende robusthetsegenskaper og en ti ganger bedre feilrate (FIT-rate) enn automatisk loddede kontakt, brukes press-fit-teknologi gjerne i høysikkerhetsapplikasjoner der signaloverføringen under ingen omstendigheter må avbrytes, for eksempel i airbagsystemer eller ABS- og ESP-moduler.

Men ikke alltid er «press-fit-teknologi» egnet, for eksempel når kretskort skal bestykkes på begge sider eller når minimumsavstanden til komponentene i kraftretningen ikke kan overholdes. En annen mulighet for å oppnå en pålitelig og holdbar forbindelse mellom kontakt og kretskortet er da Surface-Mount-teknologi (SMT). Ved hjelp av loddepasta (loddepasta) loddes kontakt på definerte loddeflater på kretskortet, de såkalte loddepadene (Lötpads). Først i en såkalt reflowovn smeltes loddematerialet og herdes deretter. SMT gjør det mulig å oppnå stabile forbindelser mellom kontakten og kretskortet. For dette må imidlertid noen kriterier være oppfylt: For det første må det riktige forholdet mellom loddebein, loddepad og loddepasta opprettholdes for å oppnå en loddepunkt som oppfyller standarden IPC-A-610. Bare på denne måten oppnås en forbindelse av høy kvalitet som muliggjør en tilkobling i henhold til IPC-klasse 3, og som dermed er egnet for bruk i høyytelseselektronikk. I denne klassen må feil i signaloverføringen utelukkes til enhver tid. En optimal loddeforbindelse kjennetegnes ved en jevn meniskdannelse. Kontakten må være omgitt av lötmenisk hele veien rundt for å oppnå best mulig holdekraft på kretskortet. (Fig. 9).
Koplanariteten til kontaktføttene er en forutsetning for en utmerket forbindelse. Hvis alle disse forutsetningene er oppfylt, kan SMT-kontakter påvist tåle mekaniske belastninger på opptil 400 N.
Påvirkningsfaktor: Utformingen av isolasjonselementet

Isoleringsdelens geometri i en kontaktkobling bidrar dessuten til å beskytte kontaktene mot skader under drift eller installasjon. Den bør være utformet slik at de sårbare kontaktene inne i kontaktkoblingen ligger beskyttet.
Innføringsskråflater kan dessuten forhindre skader under montering. De bidrar til å utjevne eventuelle forskyvninger av kretskortene i alle retninger når de settes sammen. Ved hjelp av et ekstra festepunkt kan de to kontaktdelene settes sammen uten skade, selv i tilfelle av forskyvning i midten eller vinkelforskyvning (fig. 10).
Innføringsskråflater kan dessuten forhindre skader under montering. De bidrar til å utjevne eventuelle forskyvninger av kretskortene i alle retninger når de settes sammen. Ved hjelp av et ekstra festepunkt kan de to kontaktdelene settes sammen uten skade, selv i tilfelle av forskyvning i midten eller vinkelforskyvning (fig. 10).

Noen kontakt har dessuten såkalte «boardlocks». Med dette menes metallbøyler som er festet til isolasjonslegeme og som også loddes fast på kretskortet (fig. 11). På denne måten sørger de for ekstra stabilitet – også under ugunstige forhold som vibrasjon og støt.
Påvirkningsfaktor Toleranseområde

Toleranseområdet til en kontakt spiller en avgjørende rolle for vurderingen av dens robusthet. Hvis kontakten ikke kan kompensere for gitte toleranser, vil mekaniske bevegelser føre til slitasje eller til og med skade på kontaktforbindelsen. Ved installasjon gir innføringsfaser her støtte for å muliggjøre skadefri tilkobling av Messer- og hunnkontakt. Men også når kontakten er koblet til, må mikrobevegelser utlignes. Dette oppnås gjennom geometrien til kontakt- og isolasjonselementene. Hvis en kontakt har en floating-funktion, kan den også utligne opptil ±0,4 mm under drift. Denne funksjonen blir stadig mer relevant, da den spiller en avgjørende rolle ved montering av flere kontakter på et kretskort. I feltet oppstår det imidlertid belastninger ikke bare i x- og y-retningen, men også i z-retningen (fig. 12).

Her reiser det seg spørsmålet om «effektiv koblingslengde» for en kontakt. Dette beskriver overlappingsområdet mellom kniv- og fjærlisten (hunnkontakt) og muliggjør dermed ikke bare forskjellige kortavstander, men – avhengig av størrelsen på dette området – også toleranseområder (fig. 13).
Maksimal toleransekompensasjon oppnås derimot ved hjelp av kabelforbindelse. Her avgjør kablens lengde toleranseområdet for kontakten.
Maksimal toleransekompensasjon oppnås derimot ved hjelp av kabelforbindelse. Her avgjør kablens lengde toleranseområdet for kontakten.
Testprosedyre

For å teste kontakt grundig med hensyn til deres robusthetseigenskaper, finnes det ulike testmetoder. Her vurderes variabler som spenningsfasthet og kontaktresistans både før og etter en belastningstest, og kontaktenes tilstand inspiseres visuelt. På denne måten kan man for eksempel undersøke virkningene av 500 koblingssykluser på spenningsfasthet, eller i en klimatest fastslå om flere timer ved først -55 °C og deretter 125 °C har en negativ innvirkning på kontaktresistans hos kontakten. Ved temperatursjokktesten må kontakten tåle raske skift mellom disse ekstreme temperaturene 100 ganger i 30 minutter hver gang. Også senter- og vinkelvinkelforskyvning ved tilkobling, samt toleranseområdet i tilkoblet tilstand, bør ikke bare kontrolleres teoretisk på CAD-modellen, men også testes grundig i praksis, og belastningsevnen bør bekreftes empirisk. Det er like viktig at ulike tester som er avgjørende for kontaktkontaktflate, også gjennomføres i kombinasjon for å simulere virkelige forhold. For eksempel kan stikkkoblingssykluser- og blandgasstester gjennomføres i kombinasjon for å sikre at kontaktenes ytelse med hensyn til kontaktresistans og spenningsfasthet ikke har forverret seg, og at kontaktene ikke har blitt skadet (fig. 14).
Ditt design – ditt valg

Avhengig av bruksområdets krav stilles det ulike krav til robusthet som en kontakt må oppfylle. Må den for eksempel kompensere for store toleranser? Er den utsatt for store støtbelastninger eller vibrasjoner? Brukes den under påvirkning av sterk varme eller kulde? Eller må tilkoblingsløsningen beskyttes mot fuktighet, skadelige gasser eller smuss? Hvis en bruker baserer valget av tilkoblingsløsning på disse spørsmålene, kan vedkommende være sikker på at kontakt er optimalt rustet for bruk i felten.

