Steckverbinder-Montage und Bohrungsanforderungen an die Leiterplatte

Hauptteil

Das Ergebnis zuerst: Die Montageart des Steckverbinders entscheidet, welcher Prozessschritt seine Anforderungen trägt. Wer technische Spezifikationen von Leiterplattenverbindern vergleichen will, stellt schnell fest, dass der Satz „diese Bohrung muss genau sein" drei verschiedene Dinge bedeuten kann. Beim SMD-Steckverbinder geht es um Padgeometrie und örtliche Planheit. Beim durchsteckgelöteten Steckverbinder um Bohren, Hülsenkupfer und Lötbarkeit. Beim Einpress-Steckverbinder um Fertigbohrungsdurchmesser und Hülsenkupfer nach der Galvanik — also um Ergebnisse, die zur Galvanik gehören und nicht zum Bohren.

Genau an dieser Stelle entstehen die meisten Übertragungsfehler. Das Datenblatt nennt ein Fertigmaß. Steht in der Fertigungszeichnung nur ein einzelner Bohrungsdurchmesser, ohne Angabe ob Bohrmaß oder Fertigmaß, liest der Hersteller das eine und der Entwickler meinte das andere. Beide treffen ihren eigenen Zielwert, und der Steckverbinder passt trotzdem nicht.

Dieser Beitrag leistet daher genau eines: er bildet die drei Montagearten auf die Fertigungsanforderungen ab, die sie tatsächlich erzeugen. Welche Datenblattwerte unverändert übernommen werden, welche nicht, wer die Lagebeziehungen trägt und wie diese Bohrungen geprüft werden sollten.

1. Wo jede Montageart ansetzt

SMD-Steckverbinder. Keine Bohrungen im Spiel. Alles liegt auf der Padseite: Padgeometrie und ihr Verhältnis zur Lötstopplackfreistellung, Lötbarkeit der Oberfläche und die örtliche Planheit der Aufstandsfläche. Örtlich ist hier das entscheidende Wort. Die Planheit der Gesamtnutzen und der Zustand einer kleinen Aufstandsfläche sind nicht dieselbe Messgröße. Eine insgesamt bestandene Leiterplatte kann die Enden eines langen Steckverbinders dennoch abheben lassen. Zu spezifizieren ist „diese Fläche muss plan sein" — nicht eine Kopie des Gesamtkennwerts.

Durchsteckgelötete Steckverbinder. Bohrungen sind beteiligt, ihre Aufgabe ist aber die Aufnahme eines Stifts und das Hochsteigen des Lots. Die Anforderungen liegen auf Stift-Bohrungs-Spiel, Restringbreite, Durchgängigkeit des Hülsenkupfers und Bedeckung der Oberfläche in der Bohrung. Die Toleranzen sind hier vergleichsweise entspannt, weil Lot das Spiel füllt — das Spiel ist Teil der Konstruktion.

Einpress-Steckverbinder. Wieder Bohrungen, aber ihre Aufgabe hat sich vollständig geändert. Die Bohrungswand muss mit dem Stift einen dauerhaften mechanischen und elektrischen Kontakt bilden, ohne Lot als Ausgleich. Zwei Anforderungen dominieren jetzt, und beide entstehen erst nach der Galvanik:

• der Fertigbohrungsdurchmesser, also was nach Kupferaufbau und Endoberfläche übrig bleibt;
• die Unversehrtheit und Durchgängigkeit des Hülsenkupfers, denn der Stift schabt beim Einpressen an dieser Wand und das Kupfer muss das überstehen, ohne verdrängt zu werden oder abzulösen.

Beides als Bohrthema zu behandeln heißt, die Anforderung dem falschen Prozessschritt zuzuweisen. Bohren ist nur der Anfang: Bohrungswandvorbehandlung, Chemisch-Kupfer, galvanisches Kupfer und dann die Endoberfläche verändern alle den endgültigen Durchmesser und Wandzustand. Die Steuerungslogik auf Galvanikseite behandelt Galvanikqualität und Freigabekriterien; hier geht es nur um die Zuständigkeit.

2. Welche Datenblattwerte übernommen werden

Was ein Steckverbinder-Datenblatt zur Leiterplatte sagt, fällt in drei Gruppen, die völlig unterschiedlich behandelt werden.

Gruppe eins — unverändert übernehmen. Bereich des Fertigbohrungsdurchmessers, die Forderung nach metallisierter Bohrung, Mindestanforderungen an Pad oder Restring sowie Einschränkungen bei der Oberflächenart (manche Einpressverbinder schließen bestimmte Oberflächen aus). Das sind direkte Vorgaben des Herstellers an die Leiterplatte. In die Zeichnung übernehmen und ausdrücklich als Fertigmaß kennzeichnen.

Gruppe zwei — umrechnen oder qualifizieren, nicht kopieren. Datenblätter zeigen üblicherweise ein empfohlenes Landmuster, empfohlenen Bestückungsdruck und empfohlene Lötstopfreistellung. Das sind Empfehlungen, keine Fertigungsvorgaben — sie müssen im CAD erst zu echter Geometrie werden, und die Geometrie ist die Fertigungseingabe. Manche Datenblätter nennen einen Dickenbereich der Leiterplatte, doch die Dicke hängt auch am eigenen Lagenaufbau und an Impedanzzielen und lässt sich nicht allein durch den Steckverbinder festlegen.

Gruppe drei — gehört nicht in eine Leiterplattenzeichnung. Einpresskraft, Haltekraft, Auszugskraft, Kontaktwiderstand, Steckzyklen. Das sind Leistungskennwerte des Steckverbinders und des Montageprozesses, keine Fertigungsanforderungen an die Leiterplatte. Ein Hersteller kann „Haltekraft" weder erreichen noch prüfen; er kann nur zusichern, dass Bohrungsdurchmesser und Wandzustand innerhalb der Vorgabe liegen. Solche Werte in der Zeichnung führen dazu, dass der Hersteller nichts zusagen kann, der Kunde die Anforderung aber als gestellt betrachtet.

Ein Kriterium genügt: Was erst nach dem Einpressen messbar ist, ist keine Fertigungsanforderung an die Leiterplatte; nur was an der unbestückten Leiterplatte im Lieferzustand messbar ist, gehört in die Zeichnung.

3. Mehrpolige Steckverbinder: wer trägt die Lagebeziehung

Eine genaue Einzelbohrung heißt nicht, dass der Steckverbinder passt. Ein mehrpoliger Steckverbinder greift in die gemeinsame Lage einer Bohrungsreihe; eine einzige versetzte Bohrung belastet die ganze Stiftreihe ungleich. Zwei Dinge wirken hier getrennt:

• die relative Lage der Bohrungen untereinander, bestimmt durch Bohrprogramm und Wiederholgenauigkeit des Bohrschritts;
• die Lage der Bohrungsgruppe zur Außenkontur und zu weiteren Bezügen, bestimmt durch Bezugsfestlegung und Konturbearbeitung.

Der zweite Punkt wird am häufigsten übersehen. Muss der Steckverbinder zusätzlich zu einem Ausschnitt in der Gehäusefront passen, dann ist „Bohrungsgruppe zur Leiterplattenkante" wichtiger als „Teilung innerhalb der Gruppe" — und das muss mit eindeutigen Bezügen angegeben werden, statt es dem Hersteller zur Vermutung zu überlassen. Wie Toleranzen in Zeichnungen angegeben werden behandelt genau dieses Thema; hier bleibt nur der Hinweis: jede Bohrung, die mit einem Fremdteil zusammenpasst, braucht einen ausgeschriebenen Bezug.

4. Prüfen heißt nicht, einen Durchmesser zu messen

Eine einzelne Durchmessermessung beantwortet „wie groß ist die Bohrung", nicht „ist die Bohrung brauchbar". Der Prüfschwerpunkt verschiebt sich mit der Montageart.

Durchsteckgelötete Bohrungen: Durchgängigkeit des Hülsenkupfers und Lötbarkeit. Lunker oder Risse im Wandkupfer zeigen sich beim Löten als unvollständige Füllung oder kalte Stelle in der Hülse. Dafür braucht es Querschliff und Bohrungsinnenbetrachtung; die Methoden behandelt Prüfung der Bohrungsqualität.

Einpressbohrungen: drei Dinge gleichzeitig.

1. Fertigbohrungsdurchmesser, und zwar an verschiedenen Stellen des Nutzens erfasst — die Galvanikverteilung ist nie vollkommen gleichmäßig, eine einzige Messstelle unterstellt Gleichmäßigkeit statt sie zu belegen.
2. Dickengleichmäßigkeit und Haftung des Hülsenkupfers, im Querschliff sichtbar und für die optische Prüfung unsichtbar. Die gesamte Zuverlässigkeit einer Einpressverbindung beruht darauf, dass dieses Kupfer vom Stift nicht verdrängt wird.
3. Beschaffenheit der Bohrungswand — ob Rauheit, Grat und Harzverschmierung aus dem Bohren von der Galvanik sauber bedeckt wurden, was unmittelbar beeinflusst, wie der Stift die Wand beim Einpressen belastet.

Aufstandsflächen von SMD-Steckverbindern: Prüfobjekt ist keine Bohrung, sondern Planheit und Padzustand, gemessen über der Fläche, auf der der Steckverbinder tatsächlich sitzt. Eine Leiterplatte kann die Gesamtverwölbung bestehen und bei einem langen Steckverbinder örtlich dennoch versagen.

Ein oft übersehener Punkt: Prüfanforderungen müssen zu dem passen, was in der Zeichnung steht. Nennt die Zeichnung nur einen Fertigbohrungsdurchmesser, kann im Wareneingang nicht plötzlich ein Bericht zur Hülsenkupferdicke verlangt werden. Steht es in der Zeichnung, baut der Hersteller die entsprechende Prüf- und Freigabestufe in den Ablauf ein.

5. Was sich an der Leiterplatte nicht lösen lässt

Manche Montageprobleme bleiben, so genau die Bohrungen auch gefertigt werden:

• Falsch gepaarte Stift- und Bohrungswahl. Einpressstift und zugehöriger Bohrungsbereich sind ein abgestimmtes Paar. Bei unpassender Kombination wird die Verbindung auch bei Bohrung genau auf Nennmaß schlecht.
• Leiterplattendicke außerhalb des Steckverbinderbereichs. Einpressstifte haben einen zulässigen Dickenbereich; außerhalb davon stimmt die eingegriffene Kontaktlänge nicht. Das ist ein Auswahlthema, kein Fertigungsthema.
• Spannungen aus der Montagereihenfolge. Ob der Steckverbinder vor oder nach den Schrauben gesetzt wird und wo die Leiterplatte abgestützt ist, verändert die Belastung beim Einpressen. Das gehört zur Montageprozesstechnik; keine höhere Bohrgenauigkeit ändert daran etwas.
• Gehäuseausschnitt und Bohrungsgruppe passen nicht zusammen. Das ist eine Maßkettenfrage, deren Spielraum in der Mechanikkonstruktion verteilt werden muss und sich nicht vollständig auf die Fertigungsgenauigkeit abwälzen lässt.

Diese Fälle früh zu erkennen erspart die lange Schleife aus wiederholten Forderungen nach engeren Toleranzen bei unverändertem Symptom.

6. Was eine vollständige Übergabe an den Hersteller enthält

Nach der oben beschriebenen Aufgabenteilung sollten Zeichnung und Hinweise mindestens enthalten:

• eine Zweckkennzeichnung je Bohrungsklasse (Lötbohrung / Einpressbohrung / Befestigungsbohrung / Werkzeugbohrung) — verschiedene Zwecke tragen verschiedene Anforderungen, eine Bohrtabelle mit reinen Durchmessern genügt nicht;
• Bohrungsdurchmesser ausdrücklich als Fertigmaß gekennzeichnet und als Bereich statt als Einzelwert angegeben;
• ob die Bohrungswand metallisiert sein muss und ob eine gesonderte Anforderung an das Kupfer in der Bohrung besteht;
• die Art der Endoberfläche sowie ob der Steckverbinder eine Oberfläche ausschließt;
• eindeutige Bezüge und Lageanforderungen für Bohrungsgruppen, die mit Fremdteilen zusammenpassen;
• Anforderung an die örtliche Planheit samt Messbereich für Aufstandsflächen von SMD-Steckverbindern, soweit vorhanden;
• welche Prüfnachweise der Lieferung beiliegen müssen.

Jeder Punkt dieser Liste ist vor dem Verlassen des Werks messbar, bewertbar und dokumentierbar. Einpress- und Haltekraft bleiben bei der Montageprozessvalidierung und außerhalb der Leiterplattenzeichnung. Für das Prozessfenster um Steckverbinderbohrungen und -pads auf zweilagigen Aufbauten beginnt man bei doppelseitige Leiterplatte; Toleranzangaben behandelt Toleranzen, Prüfung und Freigabe Qualität, Endoberflächen und Basismaterialwahl Materialien.

FAQ

F: Soll in der Zeichnung das Bohrmaß oder das Fertigmaß stehen?

A: Bei Steckverbinderbohrungen das Fertigmaß, und in der Zeichnung ausdrücklich als Fertigmaß kennzeichnen. Das Bohrmaß rechnet der Hersteller aus seiner eigenen Galvanikverteilung zurück — das ist eine Prozessentscheidung. Eine nackte Zahl ohne Zusatz ist die häufigste Ursache dieser Fehlerklasse.

F: Was ist der grundlegende Fertigungsunterschied zwischen Einpress- und Lötbohrung?

A: In der Lötbohrung füllt Lot das Spiel, daher ist die Durchmessertoleranz vergleichsweise entspannt. In der Einpressbohrung berührt das Wandkupfer den Stift unmittelbar, mechanisch und elektrisch, ohne Ausgleich — daher bestimmen Fertigmaß und Wandkupferzustand gemeinsam die Zuverlässigkeit. Die eine Bohrung nimmt auf, die andere kontaktiert.

F: Gehören Einpresskraft und Haltekraft in die Leiterplattenzeichnung?

A: Nein. Beide sind erst nach dem Einpressen messbar, ein Hersteller kann sie isoliert weder zusichern noch prüfen. Zusagen kann die Leiterplattenseite Fertigbohrungsdurchmesser und Wandzustand. Einpress- und Haltekraft gehören zur Montageprozessvalidierung.

F: Ein mehrpoliger Steckverbinder passt nicht in den Gehäuseausschnitt. Ist das ein Bohrlagefehler?

A: Nicht zwangsläufig. Zuerst „relative Lage innerhalb der Bohrungsgruppe" und „Lage der Gruppe zur Außenkontur" trennen. Letzteres betrifft Bezugsfestlegung und Konturbearbeitung und ist oft eine Maßkettenfrage — Gehäuseausschnitt, Außenkontur und Bohrungsgruppe sind gemeinsam zu rechnen, nicht allein auf die Bohrlagegenauigkeit abzuwälzen.

F: Die Enden eines SMD-Steckverbinders heben ab, die Leiterplatte besteht aber ihre Verwölbungsvorgabe. Ist das ein Widerspruch?

A: Nein. Gesamtverwölbung und örtliche Planheit über der Aufstandsfläche sind zwei verschiedene Messgrößen, und lange Steckverbinder reagieren besonders empfindlich auf örtliche Unebenheit. Die Lösung ist eine gesonderte Planheitsanforderung für diese Fläche mit angegebenem Messbereich, nicht ein engerer Gesamtkennwert.

F: Kann ein Bericht zur Hülsenkupferdicke im Wareneingang verlangt werden, wenn die Zeichnung ihn nicht fordert?

A: Verlangen kann man ihn, zuverlässiger ist aber, ihn vorab in die Zeichnung zu schreiben. Steht die Anforderung dort, plant der Hersteller die entsprechende Prüf- und Freigabestufe ein und führt Nachweise. Nachträglich erhält man oft nur das Stichprobenergebnis des Loses, und es kann bereits kein Muster für einen Querschliff mehr vorhanden sein.

F: Spielen Bohrrauheit und Grat nach der Galvanik noch eine Rolle?

A: Ja. Rauheit, Grat und Harzverschmierung aus dem Bohren werden von späteren Schritten bedeckt, verschwinden aber nicht. Sie verändern die Haftung des Wandkupfers und die Belastung der Wand beim Einpressen. Deshalb betrachtet die Prüfung von Einpressbohrungen die Wandbeschaffenheit und nicht nur die Durchmesserzahl.