7. Treffgenauigkeit und Taumelspiel

Ein immer wieder viel diskutiertes Thema bei der Verwendung von Federkontakten in Testanwendungen ist die Treffgenauigkeit der Kontaktspitze (auch als Taumelspiel oder engl. Pointing Accuracy bezeichnet). Die Problematik ist vom Prinzip her leicht erkennbar: der Kolben des Federkontaktes muss ja zwangsläufig einen gewissen Luftspalt zur Gehäusehülse als Führungsspiel haben, damit er sich axial bewegen lässt. Abhängig von der Länge des Überstandsmasses der Kontaktspitze über der Montageplatte kann so eine gewisse Auslenkung von der theoretischen Mittelachse erfolgen. Je länger dieses Überstandsmass ist, desto grösser die mögliche Auslenkung. Bei besonders langen Kontakten für Zweistufenadapter ist dieser Faktor deutlich grösser als bei kürzeren Standardtypen.

In der Gesamtbetrachtung sind noch weitere Faktoren zu berücksichtigen, die hier mit einwirken:

  • Wie zwischen Kolben und Stifthülse gibt es auch einen Luftspalt zwischen Federkontaktstift und Steckhülse.
  • Die Bohrung, in die die Steckhülse montiert wird, weist ebenso Toleranzen auf (Lage, Ausrichtung).
  • Die Positionierung der zu prüfenden Baugruppe bringt Toleranzen mit ein.
  • Die Baugruppe selbst besitzt natürlich auch Fertigungstoleranzen.
  • Die mechanische Führung des Prüfadapters, mit dessen Hilfe Baugruppe und Prüfnadeln zur Kontaktierung aufeinander gefahren werden, ist auch nicht ohne Toleranzen machbar.

Gesamthaft betrachtet ist es also die Summe aus vielen einzelnen Fehlerpotentialen, die am Ende darüber entscheidet, ob die Prüfspitze ihr Ziel trifft oder nicht. Es ist also anzustreben, jede der in der Liste enthaltenen Toleranzquellen so gering wie möglich zu halten. Für den Federkontaktstift ist der Moment des Auftreffens auf den Prüfpunkt entscheidend, denn nachdem die Prüfspitze einmal den Zielpunkt getroffen hat, ist eine nachträgliche Verschiebung eher nicht zu erwarten. Der konstruktive Aufbau entscheidet letztendlich, wie präzise die Spitze zur gedachten Mittelachse ausgerichtet ist.

Eine mögliche Lösung:

Die Druckfeder presst den Kolben gegen die konische Verschlussbördelung, der Kolben wird dadurch automatisch zentriert ausgerichtet. Auch nach vorheriger seitlicher Krafteinwirkung richtet sich der Kolben bzw. die Tastspitze immer wieder mittig aus.

Mit welchen weiteren Massnahmen wir dieses Ziel erfüllen, können Sie als Anwender mit blossem Auge nicht erkennen … aber Sie können getrost darauf vertrauen, dass hier unser Erfahrungsschatz aus fast 30 Jahren voll zum Einsatz kommt. Von grafisch aufgearbeiteten Diagrammdarstellungen halten wir an dieser Stelle übrigens nicht viel, denn sie zeigen nur Laborwerte auf, die weit von der praktischen Anwendung entfernt ermittelt wurden.

7.1 Empfehlungen für das Leiterplattenlayout (Design Rules) | Mindestgrösse von Prüfpads

Aus der oben erwähnten Gesamtbetrachtung hergeleitet empfehlen wir, Prüfpads kreisförmig mit einem Durchmesser von ≥ 0,8 mm anzulegen. Dieser Wert baut auf heute üblichen Toleranzen beim Adapterbau und Steckhülseneinbau auf, sofern die Systeme und Arbeiten von einschlägig erfahrenen Fachunternehmen geliefert und ausgeführt werden.

7.2 Optionale Hilfsmittel wie zusätzliche Führungsplatten

Bei sehr kleinen Prüfpads und/oder Pitchabständen gibt es zusätzliche Möglichkeiten, die Treffgenauigkeit zu steigern. Nehmen wir als Beispiel die Kontaktierung eines Flat Flex Cable (FFC) im Finepitch-Raster von 0,5 mm. Für eine solche Anwendung empfiehlt es sich, entweder eine sehr kurze Kontaktbauform einzusetzen oder bei längeren Typen die Kolben mittels einer zusätzlichen Führungsplatte exakt zu lenken. Auf diese Weise sind selbst Padgrössen von 0,3 mm sicher zu kontaktieren.

7.3 Der Starrnadeladapter und seine Vor- und Nachteile

Einige Adapterhersteller bevorzugen bei Rasterabständen ab 0,8 mm und kleiner die Verwendung von so genannten Starrnadeladaptern. Wie der Name schon erahnen lässt, sind es hier nicht Federkontaktstifte, die den direkten Kontakt zum Prüfling machen, sondern starre, dünne Nadeln – im Grunde Drahtabschnitte, die entweder aus Federstahldraht oder Cu-Legierungen gefertigt sind. Diese Starrnadeln werden durch einen sandwichartigen Stapel gebohrter Führungsplatten geführt, wobei sie durch eine gewisse Schräglage in mehreren Stufen das kleine Finepitch-Raster des Prüflings auf ein grösseres Rasterfeld bestückt mit normalen Federkontakte grösserer Bauart umsetzen. Die „Kunst“ einen solchen Finepitchadapter aufzubauen liegt im Wesentlichen in der softwareunterstützten Planung der einzelnen Übertragungsebenen.

Als Vorteil wird dabei hervorgehoben, dass trotz des kleinen Rasterabstands der Testpunkte hohe Federkräfte möglich sind, denn es kommen ja „normale“ Federkontakte für Raster 2,54 mm als Kraftquelle zum Einsatz.

Es gibt aber auch deutliche Nachteile:

  • Der gesamte Adapteraufbau wird durch die mehrstufige Schichtung kompliziert, damit aufwendig und teuer.
  • Auch die Bauhöhe des Adapters wird vergleichsweise hoch.
  • Elektrisch betrachtet werden mehrere zusätzliche Kontaktstellen in den Schaltkreis eingebaut.
  • Die Gesamtleitungslänge verlängert sich deutlich.

Die grosse Auswahl an verfügbaren Finepitch-Federkontakten macht einen aufwendig konstruierten Starrnadeladapter oft überflüssig. In den meisten Fällen sind die Prüfpunkte bei Finepitch-Kontaktierungsaufgaben optimal beschaffen, zum Beispiel in Form vergoldeter und sauberer Kontaktflächen. Hier sind keine hohen Federkräfte vonnöten. Oftmals sind diese nicht einmal erwünscht, da die Kontaktierflächen später als Bond-Flächen dienen und daher keinerlei Abdrücke durch die Prüfkontaktierung zeigen dürfen. Bei Anwendungen im Klimaschrank – egal ob bei Tief- oder Hochtemperatur - hat der Starrnadeladapter durch seinen voluminösen Aufbau ebenfalls Nachteile. Doch gibt es sicherlich Anwendungsbereiche, wo auch diese Technologie ihre Berechtigung hat. Bezüglich der hier thematisierten Treffgenauigkeit ist der Starrnadeladapter sicherlich im grünen Bereich, denn eine präzise gebohrte Führungsplatte lenkt den Kontaktstift direkt auf das Prüfpad – ähnlich wie unter dem Punkt 7.2 beschrieben.