Einpresstechnik

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Lötverbindungen sind weithin bekannt als die hauptsächlich zu verwendende Fügetechnik um Bauteile mit den Pads einer Leiterplatte zu fügen bzw. elektrisch zu kontaktieren. Eine weitere Möglichkeit diese Verbindung herzustellen, bietet die Einpresstechnik. Wie der Name bereits vermuten lässt, handelt es sich dabei um eine lötfreie Verbindungstechnik. Einpresstechnik findet ihren Einsatz bei Leiterplatten mit einer Lagenzahl abweichend von eins.

Eine erste Übersicht - Einstufung und Aufbau

Eine Einpressverbindung kommt dadurch zustande, dass ein Einpresspin in ein dafür vorgesehenes durchkontaktiertes Loch gepresst wird. Der Durchmesser bzw. die Diagonale des Einpresspins ist logischerweise immer größer als die Durchkontaktierung. Dabei entsteht eine sichere elektrische Verbindung, welche sogar als gasdicht angenommen werden kann. Auf die Verbindung selbst, kann durch Ausführungsarten des Pins oder des durchkontaktierten Loches Einfluss ausgeübt werden. Man unterscheidet hierzu in flexible und massive Einpresszonen. Da die Zonen aus Sicht des einzupressenden Bauteiles gesehen werden, handelt es sich bei flexiblen Einpresszonen um Einpresspins mit mehr oder weniger elastischen Eigenschaften. Das bedeutet die mechanischen Kräfte nimmt hauptsächlich der Pin selbst auf. Optisch sieht diese Art der Pins meist wie der Oberteil einer Nadel bzw. wie ein Nadelöhr aus. Im Umkehrschluss nehmen die durchkontaktierten Löcher die Kräfte bei den massiven Einpresszonen auf. Die Kräfte wirken sich also direkt auf die Geometrie der Leiterplatte aus und führen hier zu einer gewollt-kontrollierten Verformung der Leiterplatte im Nahbereich des Einpressloches. Die Art der Einpresspins ist zumeist quadratisch / rechteckig aus Vollmaterial ausgeführt.

Designanforderungen

Um eine ordentliche Bauteilaufnahme zu sichern, muss auch beim Design der Leiterplatte einiges beachtet werden. Wie oben schon kurz erwähnt, kann die Einpresstechnik nur bei Leiterplatten mit einer Lagenzahl größer eins eingesetzt werden. Nur so kann ein fester Sitz und elektrisch sicherer Kontakt der Einpresspins durch die Kupferkaschierung der Padhülse garantiert werden. Als Richtwert für die Kupferschichtdicke der Durchkontaktierung sollten 25µm nicht unterschritten werden. Eine Restringbreite von ≥200µm, Leiterbahnbreite ≥200µm und ein Leiterbahnabstand von ≥200µm darf ebenfalls nicht unterschritten werden. Es empfiehlt sich von vornherein eine Kupferkaschierung von 70µm vorzusehen. Hierbei müssen ohnehin bestimmte Vorgaben an Restringbreite, kleinste Leiterbahnbreite und Leiterbahnabstand eingehalten werden, welche dann zumeist von Haus aus vom Hersteller gefordert werden. Diese decken sich zumeist mit den Designanforderungen beim Einsatz von Einpresstechnik. Das liest sich alles recht einfach - man darf sich allerdings von Begrifflichkeiten 'flexibler Einpresszonen' und einfachen Daumenregeln für 70µm-kaschierte Leiterplatten nicht täuschen lassen. Die Ausführung der durchkontaktierten Bohrungen stellt höhere Ansprüche an die Fertigung, da das Toleranzband und damit die zulässigen Abweichungen für diese Bohrungen geringer ausfallen (Beispielsweise sind für Löcher mit einem Millimeter Durchmesser bei massiven Stiften Toleranzen von +0,04...−0,06 mm gefordert, bei flexiblen Stiften +0,09...−0,06 mm.). Irgenwie beruhigend, dass der Hersteller dies aber auch gut beherrscht und die Einpresstechnik eine seit den Neunzigern fest etablierte Fügetechnik ist.

Zusätzliche Anforderungen

Einen indirekten Einfluss auf die Einpresstechnik (und dennoch bedenkswert) sollte auch die Positionierung in Bezug auf die Bestückung haben. Manchem Bestücker ist durch den vorhandenen Maschinenpark durchaus eine Grenze auferlegt. So kann es beispielsweise passieren, dass ein Bestücker passen muss, sollte ein Einpressstecker weiter als 75mm vom Rand entfernt (zum Platineninneren) eingepresst werden müssen. Hierbei begrenzt der Freiheitsgrad des Einpresshebels die flexible Adaptierung. Weiterhin kann man die Arbeit des Bestückers erleichtern, indem man eventuell vorhandene Mehrfachstecker zeilen- oder spaltenartig anordnet. Dies vereinfacht und beschleunigt das Einpressen, da ein Umspannen bzw. eine Neuanordnung der Leiterplatte entfällt. Wer sich nun denkt, sicherlich ist auch eine Untergrenze zum Platinenrand wichtig, der liegt selbstverständlich richtig. Hier sollte man 2mm nicht unterschreiten. Bei der Platzierung von Einpresstechnik nicht zu vergessen, ist auch die Nähe zu anderen Bauteilen - gerade zu größeren SMT Bauteilen (kleinere sind ebenso nicht zu missachten, sind allerdings durch ihre geringere Größe den mechanischen Kräften durch Verdrehung und Biegung erst später ausgesetzt). Abstände von mehr als 2mm sind einzuhalten. Persönlich versuche ich mindestens 5mm zu erzielen. Ansonsten kann es entlang der Biegebeanspruchungslinie zu unbemerkten Auswirkungen auf benachbarte Bauteile oder deren Lötverbindung kommen oder gar zur Zerstörung. Gerade Chipkondensatoren in Multilayertechnik (MLCC) gelten hierbei zu den gefährdeten Kandidaten.

Zusammenfassende Vorteile der Einpresstechnik

• keine thermische Belastung der Leiterplatte
• gasdichte sehr standhafte Verbindung
• keine weiteren Verbindungsmedien (Lötmittel) notwendig, somit auch keine daraus resultierende Fehler wie Lötbrücken oder kalte Lötstellen
• zusätzliche mechanische Befestigungen können entfallen - beispielweise bei Steckverbindern
• Aufnahme großer Kräfte (im Vergleich zu "normal" gelöteten Bauteilen

Zusammenfassende Nachteile der Einpresstechnik

• Nahbereich der Einpressstelle nicht mit SMT- Bauteilen bestückbar
• Mechanische Beanspruchung und Verformung der Leiterplatte
• enges Toleranzfeld der Durchkontaktierung (zum Presspin) notwendig

Denkbare Fehlerszenarien

• Kontaktbrand/-erwärmung durch unzureichende Auslegung; Man sollte die punktuelle Kontaktierung des Verpresspins beachten. Diese kommt dadurch zustande, dass der meist quadratische Pin in eine runde Durchkontaktierung gepresst wird. Dadurch entstehen punktuelle Auflagepunkte, währenddessen Teilbereiche des Stiftes ohne jeden Kontakt zur Durchkontaktierung sein können. Dementsprechend erhöht sich die Stromdichte in den kontaktierten Teilbereichen.
• Haarrisse oder Abbrüche von Pins, verursacht durch zu hohe Einpresskräfte oder mangelhafter Designauslegung
• Zerstörung der durchkontaktierten Löthülse, da Stift und Duko nicht aufeinander abgestimmt sind (Stift zu groß für Duko - Hülse kann die Kräfte nicht aufnehmen
• verbogene Pins (Lager-/Handlingsproblem, Ausrichtung des Einpresshebels zur Platine nicht optimal)
• Zerstörung der Leiterplatte verursacht durch Designauslegung, falsches Duko- / Einpresspinverhältnis (Delamination oder fortlaufende Rissbildung
• Ja und das kann auch passieren - ein loser Kontakt oder schlimmer noch, ein relativ festsitzender Kontakt. Erschütterungen, Vibrationen oder mechanische Kraftübertragung (z. B. eines Kables) lösen den Pin oder das Bauteil heraus. Mangelhafter elektrischer Kontakt kann ebenfalls eine Auswirkung sein.