Prüftechnik - Prüfung von Leiterplatten (Federkontaktstifte)

Zuverlässige Prüfverfahren sind in der Elektronikfertigung unerlässlich. Federkontaktstifte dienen dabei als präzise Schnittstelle zur Prüfung von Verbindungen in elektronischen Baugruppen. Doch wie genau werden Federkontaktstifte eingesetzt und welche Varianten stehen zur Verfügung? In diesem Artikel entdecken Sie die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und die unterschiedlichen Bauformen dieser präzisen Prüfwerkzeuge.

Was sind Federkontaktstifte?

Federkontaktstifte werden zur Verbindungsprüfung in Leiterplatten, elektronischen Baugruppen oder anderen Verbindungen in der Elektronikindustrie eingesetzt. Sie sind flexible Bauteile, die als Verbindungselemente vor allem in Anwendungen von Vorteil sind, in denen es häufig zu Vibrationen oder Stößen kommt. Federkontaktstifte zählen zu den Prüfvorrichtungen. Näheres zu Prüfvorrichtungen lesen Sie in unserem Beitrag Lehrenbau erklärt: Prüfvorrichtungen für die Qualitätssicherung.

Der Aufbau ist trotz verschiedener Formen von Federkontaktstiften in der Regel ähnlich: Sie bestehen aus folgenden präzisionsgefertigten Komponenten: Kolben, Gehäuse bzw. Führungsröhrchen und Feder. Die Feder sorgt dafür, dass der Kolben einen gewissen Bewegungsspielraum hat. Meist sind das circa 2 bis 12 mm. Gehäuse und Kolben bestehen typischerweise aus Messing, die Feder aus Edelstahl oder Berylliumkupfer. In der Regel sind die Komponenten für eine bessere Leitfähigkeit mit einer Goldbeschichtung überzogen.

Neben dem Federkontaktstift gibt es weitere Ausführungen von Stiften: Drehkontaktstifte, integrierte Kontaktstifte und Prüfspitzen. Bei Drehkontaktstiften dreht sich der Kolben mit der Hubbewegung. Dabei werden z.B. Oxidfilme zerstört. Dies verbessert die elektrische Leitfähigkeit und ist besonders vorteilhaft bei oxidierten oder verschmutzten Prüfpunkten. Prüfspitzen sind Messmittel zur manuellen Überprüfung von Verbindungen. Einen Überblick über die gängigen Prüfverfahren sowie Anforderungen an die Prüftechnik allgemein finden Sie in diesem Beitrag.

Verwendung von Federkontaktstiften

Federkontaktstifte sind eine gute Lösung bei In-Circuit-Tests zur Herstellung temporärer Verbindungen oder Programmierungen auf Leiterplatten. Im Vergleich zu Steckverbindern haben Federstiftkontakte dabei einige Vorteile: Sie sind weniger anfällig gegenüber Vibrationen, Fertigungstoleranzen oder Schocks.

Federkontaktstifte werden meist in Federstiftadaptern eingesetzt, um elektrische Verbindungen zu den Testpunkten einer Leiterplatte herzustellen. So lassen sich Kontaktierabstände von bis zu 0.8 mm realisieren. Die zu prüfende Leiterplatte wird dafür auf dem Prüfadapter positioniert oder umgekehrt, wobei die Federkontakte auf genau definierte Testpunkte oder Lötpads auf der Platine drücken. Federkontakte benötigen in der Regel nur eine kleine Kontaktfläche, was Platz spart. Außerdem können die Federn Unebenheiten in versetzten Stapeln ausgleichen und sind somit flexibel. Je nach Komplexität können mehrere hundert Federkontaktstifte gleichzeitig im Einsatz sein, etwa zur Messung von Versorgungsspannungen, Signalpendeln oder Bauteilwiderständen, aber auch für Kurzschluss- und Durchgangstests.

Ein gängiges Prüfverfahren ist dabei der In-Circuit-Test (ICT). Alle relevanten Verbindungen einer Leiterplatte werden geprüft, bevor diese in ein Gehäuse eingebaut werden.

Der In-Circuit-Test ist ein automatisiertes Verfahren, bei dem elektronische Bauteile und deren Lötstellen auf Kurzschlüsse, Unterbrechungen, falsche Messwerte oder Polaritätsfehler getestet werden. Es können einzelne Leiterplatten und auch ganze Schaltungsblöcke überprüft werden.

Die Kontaktierung der Baugruppen erfolgt in den meisten Fällen durch einen Adapter mit Federkontaktstift, aber auch Starrnadeladapter sind eine Option zum Erreichen von feineren Strukturen.

Während des Tests wird die Baugruppe z.B. durch Verwendung eines Vakuums oder von Druckluft gegen die Adapter gedrückt. Mitunter werden auch Federkontaktschalter eingesetzt, die mechanische Zustände wie das Vorhandensein oder die Positionierung eines Bauteiles detektieren.

Federkontaktstifte unterliegen aufgrund von häufigem Einsatz einem natürlichen Verschleiß. Zur Vereinfachung des Austauschs werden Federkontaktstifte mit Kontaktsteckhülsen verbaut, aus denen die verschlissenen Federkontaktstifte leicht herausgezogen und die neuen wieder eingesetzt werden können. Der Aufbau mit Kontakthülse kann wie folgt aussehen:

Eine weitere Möglichkeit, eine sichere Verbindung zwischen Kontaktstift und Stiftklemme mit Anschlussleitung zu gewährleisten, ist die Verwendung von Schrumpfschlauch für zusätzlichen Schutz. Der Schrumpfschlauch isoliert und stärkt die Verbindung und schützt vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Staub und mechanischer Belastung schützt. Der Aufbau sieht wie folgt aus:

Fehlanwendungen von Federkontaktstiften

Aufgrund ihrer Bauweise eignen sich Federkontaktstifte nicht für eine vollständige Kontraktion, da das zum Verhaken führen kann. Auch sollte der Federkontaktstift stets nur axial belastet werden. Bei seitlicher oder schräger Belastung kann es zu Schäden an der Hülse kommen. Zur Vermeidung seitlicher Belastungen kann eine Führung hilfreich sein. Weiterhin empfiehlt sich die Ausrichtung des Federkontakts zur Mitte des Kontakts auf der anderen Seite.

Auswahlkriterien für Federkontaktstifte

Bei der Auswahl geeigneter Federkontaktstifte ist Folgendes zu beachten:

• Geeignet für das auf der Leiterplatte verwendete Rastermaß (in der Regel 2.54 mm (1/10 Zoll)) welches sich aus dem Mitte-Mitte-Abstand der einzelnen Bauteilanschlüsse ergibt.
• Kontaktkraft, die vom kontaktierenden Bauteil abhängig ist. Zu geringe Kraft führt zu Instabilität, zu hohe Kraft kann Bauteile beschädigen.
• Hublänge, die angibt, wie weit sich der Kolben beim Kontaktieren bewegen kann. Je nach Anwendungsfall kann eine begrenzte Einbauhöhe gefordert sein.
• Material und Beschichtung, die für eine optimale Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit sorgen, z.B. Gold oder Nickelbeschichtungen.
• Geplante Anwendung, z.B. ICT-Test, Funktionstest

Sowohl die Kopfform der Federkontaktstifte als auch die Endform der verwendeten Kontakthülsen sind weitere wichtige Auswahlkriterien. Die Standardkopfform für Federkontaktstifte ist spitz für eine präzise Kontaktierung. Dank der Spitze können auch Verschmutzungen oder Oxidschichten durchstochen und eine zuverlässige Verbindung hergestellt werden. Der Einsatz einer waffelförmigen Kopfform ist sinnvoll, wenn Kontakte uneben sind bzw. die Position der Stecker abweicht. Durch die Waffelform wird der Kontakt garantiert hergestellt. Hohlspitzen wiederum eignen sich für Kugelkontakte und Lötstellen. Im Webshop von MISUMI finden Sie eine Vielzahl Federkontaktstifte mit unterschiedlichen Kopfformen.

Während die Kopfform des Federkontaktstifts maßgeblich für die Art der Kontaktierung zuständig ist, bestimmt die Endform der zugehörigen Kontakthülse die Art der elektrischen Anbindung. Um eine zuverlässige Verbindung zur Leitung oder Baugruppe herzustellen, stehen verschiedene Endenformen zur Auswahl. Die folgende Abbildung zeigt die gängigsten Varianten und deren jeweilige Einsatzbereiche.

• (A) Wickelverbindung: Der Draht wird ohne Isolierung mehrfach umgewickelt. Der direkte Kontakt zwischen Draht und Stift sorgt für eine gute elektrische Leitfähigkeit.
• (B) Löt- und Crimp-Ausführung: Diese vielseitigen Steckhülsenenden ermöglichen sowohl das Löten als auch das Crimpen. Beim Löten wird der abisolierte Draht in die Hülse eingeführt und durch Erhitzen mit Lot verbunden, was eine stabile und leitfähige Verbindung schafft. Beim Crimpen wird der Draht mechanisch durch Verpressen mit der Hülse verbunden, was eine schnelle und zuverlässige Verbindung ohne Wärmeentwicklung ermöglicht.
• (C) Lötausführung, aufgrund des Bearbeitungsverfahrens am Ende leicht gewölbt
• (D) Für Klemmbefestigungen: Diese Endenform ist speziell für die Verwendung mit Klemmbefestigungen entwickelt worden. Hierbei wird der Draht durch eine Schraub- oder Federklemme mechanisch fixiert, was eine feste und dennoch lösbare Verbindung ermöglicht.

Bedingungen für den Einsatz von Federkontaktstiften

Beim Einsatz von Federkontaktstiften sollten einige grundlegende Aspekte berücksichtigt werden. Die Betriebstemperatur von Federkontaktstiften liegt meist bei etwa 10-40 °C und einer Luftfeuchtigkeit von maximal 30 %. Die Umgebung muss frei von Staub, korrosiven Gasen u.a. sein, da diese den Übergangswiderstand erhöhen und zu vorzeitigem Verschleiß führen können. Die Kontaktierung muss immer vor dem elektrischen Einschalten vollständig hergestellt werden, um Mikrobögen und damit verbundene Oberflächenschäden zu vermeiden. Zudem sollte die Federkraft an die Anwendung angepasst sein - zu hohe Kräfte können Prüfobjekte beschädigen, zu geringe Kräfte führen zu instabilen Kontakten. Eine regelmäßige Reinigung der Kontaktflächen trägt zusätzlich zur Funktionssicherheit und Langlebigkeit bei.