Effiziente Leiterplattenkontaktierung für Mechatronik und Antriebstechnik

Elektrische Verbindungen in der Mechatronik und Antriebstechnik sowie in mechatronischen Systemen unterliegen zunehmenden Anforderungen hinsichtlich Leistung, Lebensdauer und Bauraum. Im Rahmen des Forschungsprojekts Direktkontaktierung PCB (T-1753) wurden am Fraunhofer EMFT PCB-Direktkontaktierungssysteme für anspruchsvolle Einsatzbedingungen untersucht. PCB-Direktkontaktierungen, bei denen die Leiterplatte selbst als aktiver Kontaktpartner dient, stellen eine ökonomisch interessante sowie platzsparende Alternative zu konventionellen Steckverbindern dar. Ziel war die systematische Bewertung der technischen Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und wirtschaftlichen Eignung verfügbarer Systeme unter praxisnahen Umwelt- und Belastungsszenarien. Die Projektergebnisse liefern der Industrie fundierte Entscheidungsgrundlagen für die Auswahl geeigneter Kontaktierungssysteme in hochzuverlässigen Anwendungen.

Projekt & Zielsetzung der Leiterplattenkontaktierung

Die steigenden Anforderungen an Zuverlässigkeit, Miniaturisierung und Lebensdauer elektrischer Verbindungen führen insbesondere in der Mechatronik und Antriebstechnik dazu, dass klassische Steckverbinder zunehmend an ihre Grenzen stoßen. PCB-Direktkontaktierungen, bei denen die Leiterplatte selbst als aktiver Kontaktpartner dient, stellen hierfür eine alternative Verbindungstechnologie dar.

Im Forschungsprojekt Direktkontaktierung PCB (T-1753) wurden kommerziell verfügbare PCB-Direktkontaktierungssysteme systematisch untersucht und bewertet. Der Fokus lag auf der technischen Leistungsfähigkeit, der Zuverlässigkeit unter realistischen Einsatzbedingungen sowie der wirtschaftlichen Eignung für industrielle Anwendungen mit hohen Anforderungen an Stromtragfähigkeit und Umweltbeständigkeit.

Ziel des Projekts war es,

• verfügbare PCB-Direktkontaktierungssysteme marktseitig zu erfassen und zu klassifizieren,
• deren Zuverlässigkeit unter praxisnahen mechanischen, thermischen und klimatischen Belastungen zu bewerten,
• technische und wirtschaftliche Kennwerte vergleichbar darzustellen und
• Anwendern eine fundierte Entscheidungsgrundlage für die Auswahl geeigneter Kontaktierungssysteme bereitzustellen.

Marktanalyse und untersuchte Kontaktierungssysteme

Im Rahmen einer technologieoffenen Marktanalyse wurden industriell verfügbare PCB-Direktkontaktierungssysteme für robuste Wire-to-Board- und Board-to-Board-Anwendungen identifiziert und kategorisiert. Aus dieser Analyse wurden repräsentative Systeme ausgewählt, die unterschiedliche Kontaktierungsprinzipien abdecken, darunter direkte Splice- und Crimpverbindungen, Edge-Kontaktierungen sowie indirekte und radial kontaktierende Systeme.

PCB-Direktkontaktierungssysteme:

• Kategorie 1: Kontaktierung durch Splice/ Crimpverbindung zwischen Kabel und Leiterplatte (direkt), z.B. Autosplice
• Kategorie 2: Steckkontakt zwischen Kontaktflächen auf Leiterplatte und Verbinder (Edge Kontakt) (direkt), z.B. Stocko
• Kategorie 3: Verbindung über zusätzliche Komponenten in Leiterplatte (indirekt), z.B. Molex 
• Kategorie 4: Radialkontaktierung über metallisiertes Loch in Leiterplatte (direkt), z.B. Harting

Versuchsaufbau, Bewertung & Anwendernutzen

Die Untersuchungen wurden auf speziell entwickelten Testleiterplatten mit definiertem Lagenaufbau, Kupferdicken und Glasübergangstemperaturen durchgeführt, um eine hohe Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Das Prüfprogramm umfasste elektrische Messungen (Übergangswiderstand, Stromtragfähigkeit), mechanische Belastungstests (Vibration, Schock), thermische und klimatische Prüfungen sowie analytische Analysen zur Identifikation von Verschleißmechanismen und Ausfallursachen.

Für die Bewertung der Kontaktierungssysteme wurde eine mehrdimensionale Methodik entwickelt, die technische Leistungskennwerte mit wirtschaftlichen Kriterien kombiniert. Die Ergebnisse flossen in eine anwendungsbezogene Nutzwertanalyse ein, die objektive Rangfolgen ermöglicht und durch anpassbare Gewichtungen unterschiedliche Anwendungsszenarien abbildet.

Auf Basis der Projektergebnisse wurde zudem ein praxisorientierter Anwenderleitfaden zur Leiterplattenkontaktierung erstellt, der Entwicklerinnen und Entwicklern sowie Entscheidungsträgern bei der Auswahl geeigneter PCB-Direktkontaktierungssysteme hilft, Designentscheidungen frühzeitig abzusichern und Entwicklungs- sowie Validierungsaufwände zu reduzieren.

Das Projekt Direktkontaktierung PCB (T-1753) wurde vom Fraunhofer EMFT im Rahmen des Arbeitskreises FVA Mechatronik durchgeführt und im Mai 2025 erfolgreich abgeschlossen. Die Forschung wurde durch Eigenmittel der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V. (FVA) gefördert.