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

Moderne elektroteknikk er mer enn noensinne preget av en trend: miniatyrisering. Moduler og deres komponenter må ikke bare bli stadig kraftigere, men også stadig mindre. Likevel blir de ofte brukt under tøffe driftsforhold. Komponenter og kontakter 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 en kontaktkoblings robusthet. En av disse er kontaktflaten. Denne har avgjørende betydning for kontaktkoblingens levetid, som vanligvis måles i koblingssykluser. Ved bruk i felten utsettes kontaktkoblingen for visse mikrobevegelser. Disse fører til slitasje på overflaten og dermed til oksyddannelse (fig. 2).
Konsekvensen er økt overgangsresistans og dermed dårligere kvalitet i signaloverføringen. Det er derfor viktig å redusere overflateslitasje ved tilkobling og under drift til et minimum ved hjelp av et høykvalitets og holdbart kontaktbelegg. For dette må både kniv- og fjærkontakten ha en tilsvarende glatt overflate. Til tross for stigende priser brukes gull fortsatt gjerne 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 oppnås hardgull. Den som imidlertid søker et prisstabilt alternativ til denne beleggstrukturen, kan for eksempel ty til en legering av nikkel og fosfor med gullbelegg. I helt bestemte blandingsforhold viser disse to materialene de positive egenskapene som også gull har: høy korrosjonsbestandighet, utpreget slitestyrke og utmerket ledningsevne. For å forhindre diffusjon mellom kontaktmaterialet og overflatebelegget brukes ofte et såkalt nikkelbarrierebelegg. Ved hjelp av denne barrieren kan korrosjon unngås.
Kontaktutforming som påvirkningsfaktor

Kontaktene i en stikkontakt blir stanset eller dreid. Ved stansing oppstår det imidlertid på undersiden av stansbåndet en ujevn overflate med skarpe kanter som er synlig under mikroskop. Tradisjonelle systemer har kontakt med denne stanskanten, noe som medfører økt overflateslitasje og dermed høyere overgangsresistans. Dette kan unngås ved å bøye fjærtulpen 90 grader i den såkalte stans-bøyeprocessen, slik at den treffer knivkontakten med den glatte, valsede overflaten (fig. 3).
Men ikke bare utformingen av fjærlisten, men også utformingen av knivlisten er avgjørende for kontaktens levetid. For også sistnevnte må stanses og videreforedles nøyaktig for å unngå skadelige, skarpe geometrier.
Men ikke bare utformingen av fjærlisten, men også utformingen av knivlisten er avgjørende for kontaktens levetid. For også sistnevnte må stanses og videreforedles nøyaktig for å unngå skadelige, skarpe geometrier.
Påvirkningsfaktor: Kontaktsystem

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

Enda mer robuste er derimot kontaktene med det såkalte «kjønnsnøytrale» kontaktsystemet. Det spesielle ved dette er at kontaktgeometrien er identisk på begge deler av kontakten, både plugg og stikkontakt. Begge deler har derfor både en fjær og en kontaktpinne. Dermed får hver pinne kontakt med to fjærer, og pluggen og stikkontakten er flettet sammen slik at de ikke kan løsne fra hverandre. Mens en dobbeltsidig fjærlist 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 det kjønnsnøytrale kontaktsystemet kun av en-delte kontakter. Disse avviker fullstendig fra det klassiske todelte kontaktprinsippet med kniv- og fjærlist. Ved å fjerne det sårbare kontaktområdet har en-delte kontakter ikke bare den høyeste motstandsdyktigheten mot støt, vibrasjon, fuktighet, støv og atmosfæriske forhold, men egner seg også for innstøping og andre komponentbeskyttelsesmetoder. I kombinasjon med innpressingsteknikken utgjør de den sikreste mekaniske og elektriske forbindelsen mellom to kretskort (fig. 6).
Faktorer som påvirker tilkoblingsteknikken

Det finnes ulike måter å montere kontakter på kretskortene på. En av disse er den allerede nevnte innpressingsteknikken. Målet med denne teknikken er å oppnå størst mulig feste mellom kontakten og kretskortet med så lav innpressingskraft som mulig. Holdkreftene avgjør den mekaniske forbindelsen, som igjen må tåle støt og vibrasjoner. Denne tilkoblingsteknikken er en metode som har vist seg å fungere milliarder av ganger, der en innpressingspinne presses inn i et gjennomgående hull i kretskortet (fig. 7).

Innpressingspinnen har en større diagonal enn hullets diameter på kretskortet. Kontaktpinnen er fleksibel i innpressingssonen, slik at kretskortet ikke deformeres av de fysiske kreftene under innpressingsprosessen. Deformasjonen begrenses derfor til innpressingssonen (fig. 8). Det oppstår en kaldsveising mellom kontaktpinnen og det metalliserte hullet i kretskortet: en gasstett, korrosjonssikker, lavohmisk og elektrisk godt ledende mekanisk forbindelse, som også egner seg for støping. Den er dessuten spesifisert i DIN EN 60352-5 og forblir kontaktsikker 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 feilfrekvens (FIT-rate) enn automatisert loddede kontakter, brukes innpressingsteknikken gjerne i høysikkerhetsapplikasjoner der signaloverføring 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 feilfrekvens (FIT-rate) enn automatisert loddede kontakter, brukes innpressingsteknikken gjerne i høysikkerhetsapplikasjoner der signaloverføring under ingen omstendigheter må avbrytes, for eksempel i airbagsystemer eller ABS- og ESP-moduler.

Men innpressingsteknikken er ikke alltid 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 kontakten og kretskortet er da overflatemonteringsteknologi (SMT). Ved hjelp av loddepasta loddes kontaktene på definerte kontaktflater på kretskortet, loddepunktene. Først i en såkalt reflow-ovn smeltes loddematerialet og herdes deretter. Gjennom SMT kan man oppnå stabile forbindelser mellom kontakten og kretskortet. For dette må imidlertid noen kriterier være oppfylt: For det første må det riktige forholdet mellom loddefot, loddepute og loddepasta overholdes for et standardkonformt IPC-A-610-loddested. Bare på denne måten oppnås en kvalitetsmessig god forbindelse 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 kjennes igjen på den jevne meniskdannelsen. Kontakten må være omgitt av loddemenisk hele veien rundt for å oppnå best mulig feste på kretskortet. (Fig. 9).
At kontaktføttene ligger i samme plan 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 kontakter har dessuten såkalte «boardlocks». Dette er metallbøyler som er festet til isolasjonsdelen og som også loddes fast på kretskortet (fig. 11). På denne måten gir de ekstra stabilitet – også under ugunstige forhold som vibrasjon og støt.
Påvirkningsfaktor Toleranseområde

Toleranseområdet til en kontaktkobling spiller en avgjørende rolle for vurderingen av dens robusthet. Hvis kontakten ikke klarer å kompensere for gitte toleranser, vil mekaniske bevegelser føre til slitasje eller til og med skade på kontaktkoblingen. Ved installasjon bidrar innføringsskråflater til å muliggjøre skadefri tilkobling av kniv- og fjærkontaktstriper. Men også i tilkoblet tilstand må mikrobevegelser kompenseres. Dette oppnås gjennom kontakt- og isolasjonskroppens geometri. Hvis en kontakt har en flytende funksjon, kan den også kompensere for 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 sikkerheten ved å stikke kontakten for langt inn. Dette beskriver overlappingsområdet mellom stikkontakten og kontaktlisten, og muliggjør dermed ikke bare ulike avstander mellom kretskortene, men – avhengig av størrelsen på dette området – også toleranseområder (fig. 13).
Maksimal toleranseutjevning oppnås derimot ved hjelp av kabelforbindelse. Her avgjør kablens lengde toleranseområdet for stikkforbindelsen.
Maksimal toleranseutjevning oppnås derimot ved hjelp av kabelforbindelse. Her avgjør kablens lengde toleranseområdet for stikkforbindelsen.
Testprosedyre

Det finnes ulike testmetoder for å sette kontaktene på en grundig prøve med tanke på deres robusthet. Her vurderes variabler som spenningsfasthet og overgangsresistans både før og etter en belastningstest, og kontaktenes tilstand inspiseres visuelt. På denne måten kan man for eksempel undersøke virkningene av 500 koblingssykluser på spenningsfastheten, eller i en klimatisk test fastslå om flere timer ved først -55 °C og deretter 125 °C har en negativ innvirkning på kontaktmotstanden til kontakten. Ved temperatursjokktesten må kontakten tåle den raske vekslingen mellom disse ekstreme temperaturene 100 ganger i 30 minutter hver. Også senter- og vinkelforskyvningen 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. Like viktig er det at ulike tester som er kritiske for kontaktflaten, også utføres i kombinasjon for å simulere reelle forhold. For eksempel kan stikk-syklus- og skadegass-tester gjennomføres i kombinasjon for å sikre at kontaktenes ytelse med hensyn til overgangsresistans 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? Skal den brukes 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 han være sikker på at kontakten er godt rustet for bruk i felten.

