Die moderne Elektrotechnik unterliegt einem Trend mehr denn je: der Miniaturisierung. Baugruppen und ihre Komponenten müssen dabei nicht nur immer leistungsfähiger, sondern auch immer kleiner werden. Dennoch kommen sie häufig unter rauen Realbedingungen zum Einsatz. Bauteile wie auch Steckverbinder werden daher bei gleichbleibender Belastung immer filigraner. Ein wertiger Steckverbinder trotzt diesem Stress jedoch nicht nur ebenso gut wie sein älterer und größerer Bruder, sondern sogar besser. Grund hierfür sind Weiterentwicklungen in der Materialzusammensetzung sowie im Produktdesign, beispielsweise in der Isolierkörpergeometrie (Abb. 1).

 Eine Vielzahl von Faktoren wirkt sich auf die Robustheit eines Steckverbinders aus. Einer davon ist die Kontaktoberfläche. Diese bestimmt maßgeblich die Lebensdauer des Steckers, die in der Regel in Steckzyklen gemessen wird. Beim Feldeinsatz ist der Steckverbinder gewissen Mikrobewegungen ausgesetzt. Diese führen zu Oberflächenabrieb und infolgedessen zu Oxidbildung (Abb.2).

Die Kontakte eines Steckverbinders werden gestanzt oder gedreht. Beim Stanzen entsteht auf der Unterseite des Stanzbandes jedoch eine unter dem Mikroskop sichtbare inhomogene, scharfkantige Oberfläche. Herkömmliche Systeme kontaktieren auf dieser Stanzkante, was mit einem verstärkten Oberflächenabrieb und daher mit höherem Übergangswiderstand einhergeht. Dies kann umgangen werden, wenn man die Federtulpe im sogenannten Stanzbiegeprozess um 90 Grad biegt, sodass sie mit der glatten, gewalzten Fläche auf den Messerkontakt trifft (Abb.3).
 
Doch nicht nur das Design der Federleiste, sondern auch das der Messerleiste sind ausschlaggebend für die Langlebigkeit des Steckverbinders. Denn auch letztere müssen sauber gestanzt und weiterverarbeitet werden, um schadhafte, scharfe Geometrien zu vermeiden.

Noch robuster sind dagegen Steckverbinder mit sogenanntem „genderneutralem“ Kontaktsystem. Die Besonderheit besteht dabei in den identischen Kontaktgeometrien von den Steckerhälften, Plug und Socket. Beide verfügen demnach sowohl über eine Feder, als auch ein Messer. So wird jeder Pin von zwei Federn kontaktiert, Plug und Socket sind dabei ineinander verschränkt und können nicht voneinander abheben. Während eine doppelseitige Federleiste unter mechanischer Belastung immer mindestens einen Kontaktpunkt sicherstellt, gewährleisten die verschränkten Geometrien bei genderneutralen Kontaktsystemen, dass die Signalübertragung immer über zwei Kontaktpunkte läuft. Diese hohe Redundanz ermöglicht somit maximale Kontaktsicherheit (Abb.5).

  Dabei besitzt der Einpressstift eine größere Diagonale als der Lochdurchmesser der Leiterplatte. Der Steckverbinderstift ist in der Einpresszone flexibel, damit die Leiterplatte durch die physikalischen Kräfte beim Einpressvorgang nicht verformt wird. Die Verformung beschränkt sich daher auf die Einpresszone (Abb. 8). Es entsteht eine Kaltverschweissung zwischen Kontaktstift und metallisiertem Leiterplattenloch: eine gasdichte, korrosionssichere, niederohmige und elektrisch gut leitende mechanische Verbindung, die sich auch für den Verguss eignet. Sie wird darüber hinaus in der DIN EN 60352-5 spezifiziert und bleibt auch bei sehr hohen mechanischen und thermischen Belastungen, wie Vibration, Biegung und starken Temperaturwechseln kontaktsicher und hält sogar Schockbelastung von bis zu 200g stand.
 
Aufgrund ihrer hervorragenden Robustheitseigenschaften und der zehnmal besseren Ausfallrate (FIT-Rate) als automatisiert gelötete Steckverbinder, kommt die Einpresstechnik gerne in Hochsicherheitsanwendungen zum Einsatz, bei denen eine Signalübertragung unter keinen Umständen unterbrochen werden darf, beispielsweise in Airbag-Systemen oder ABS- und ESP-Modulen.

 Die Isolierkörpergeometrie eines Steckverbinders hilft darüber hinaus, die Kontakte davor zu schützen, im Betrieb oder bei der Installation Schaden zu nehmen. Sie sollte dabei so beschaffen sein, dass die vulnerablen Kontakte im Inneren des Steckverbinders geschützt liegen.

 Durch Einführschrägen können außerdem Beschädigungen bei der Montage vermieden werden. Sie helfen, einen Versatz der Leiterplatten beim Stecken in jede Richtung auszugleichen. Mithilfe eines zusätzlichen Fangbereichs können die beiden Steckerhälften auch im Falle eines Mitten- oder Winkelversatzes ohne Beschädigung zusammengesteckt werden (Abb. 10).

Manche Steckverbinder verfügen darüber hinaus über Boardlocks. Darunter versteht man Metallbügel, die am Isolierkörper befestigt sind und ebenfalls auf der Leiterplatte verlötet werden (Abb. 11). So sorgen sie zusätzlich für Stabilität – auch unter widrigen Bedingungen wie Vibration und Schock.

Der Toleranzbereich eines Steckverbinders spielt für die Beurteilung seiner Robustheit eine entscheidende Rolle. Kann der Stecker gegebene Toleranzen nicht ausgleichen, führen mechanische Bewegungen zum Verschleiß oder gar zur Beschädigung der Steckverbindung. Bei der Installation bieten Einführschrägen hier eine Unterstützung, um ein schadloses Stecken von Messer- und Federleiste zu ermöglichen. Doch auch im gesteckten Zustand müssen Mikrobewegungen überbrückt werden. Dies gelingt durch die Kontakt- und Isolierkörpergeometrie. Verfügt ein Steckverbinder über eine Floating-Funktion, kann er auch im Betrieb bis zu ±0,4 mm ausgleichen. Diese Funktion gewinnt zunehmend an Relevanz, da sie bei der Bestückung einer Leiterplatte mit mehreren Steckverbindern eine entscheidende Rolle spielt. Im Feld entstehen Belastungen jedoch nicht nur in x- und y-, sondern auch in z-Richtung (Abb. 12).

 Um Steckverbinder hinsichtlich ihrer Robustheitseigenschaften auf Herz und Nieren zu testen, gibt es verschiedene Prüfverfahren. Dabei werden Variablen wie die Spannungsfestigkeit und der Übergangswiderstand jeweils vor und nach einem Belastungstest betrachtet und der Zustand der Kontakte optisch inspiziert. So können beispielsweise die Auswirkungen von 500 Steckzyklen auf die Spannungsfestigkeit überprüft oder im klimatischen Test festgestellt werden, ob sich mehrere Stunden bei zunächst -55°C und anschließend 125°C negativ auf den Übergangswiderstand des Steckverbinders auswirken. Beim Temperatur-Schock-Test muss der Stecker den schnellen Wechsel zwischen diesen Extremtemperaturen 100-mal für je 30 Minuten aushalten. Und auch der Mitten- und Winkelversatz beim Stecken, ebenso wie der Toleranzbereich im gesteckten Zustand, sollten nicht nur am CAD-Modell in der Theorie überprüft, sondern in der Praxis ausgiebig getestet und die Belastbarkeit empirisch bestätigt werden. Ebenso wichtig ist es, dass verschiedene Prüfungen, die für die Kontaktoberfläche kritisch sind, auch kombiniert durchgeführt werden, um Realbedingungen zu simulieren. So könnte beispielsweise Steckzyklen- und Schadgastests in Kombination erfolgen, um sicherzustellen, dass sich die Leistung des Steckverbinders hinsichtlich Übergangswiderstand und Spannungsfestigkeit nicht verschlechtert hat und die Kontakte keinen Schaden genommen haben (Abb. 14).