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2024-12-29T11:43:22Z

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'''Starrnadeladapter''' dienen der [[Prüfen|Prüfung]] von elektronischen [[Baugruppe]]n. Sie ermöglichen durch dünne Starrnadeln das [[Elektrischer Kontakt|Kontaktieren]] von feineren Strukturen auf [[Leiterplattenbestückung|bestückten]] und unbestückten [[Leiterplatte]]n als es mit einem konventionellen [[Adapter]] mit [[Federstift]]en möglich ist. Weiterhin ermöglichen Starrnadeladapter auch das Kontaktieren hoch[[Elektrischer Pol|poliger]] [[Steckverbinder|Mikrostecker]], indem der Adapter über das Gehäuse in den Stecker geführt wird und dort die Starrnadeln den Stecker kontaktieren.
[[Datei:Starrnadeladapter.jpg|mini|Starrnadeladapter]]

== Aufbau ==
[[Datei:Aufbau Starrnadeladapter.jpg|mini|Mögliche Funktionsweise eines Starrnadeladapters]]
Im Starrnadeladapter werden in mehreren Adapterplatten [[Geradführung|geführte]] Starrnadeln vom Rasterkopf zu einem Kontaktierpunkt (Prüfpad) [[Auslenkung|ausgelenkt]]. Beim Kontaktieren wird der Adapter in einer bestimmten Adapterhöhe um diesen Kontaktier[[Hub (Mechanik)|hub]] komprimiert. Die Starrnadeln werden dabei um diesen Hub in die entsprechenden [[Federkontaktstift|Federstifte]] (Pogo-Pins) im Rasterkopf gepresst, wodurch die Kontaktierkraft aufgebaut wird. Über diese Führungsplatten können sie um 2 bis 3 mm ausgelenkt werden, wodurch auf dem [[Prüfling]] Kontakt[[Pitch (Elektronik)|pitches]] bis herab zu 80 µm kontaktiert werden können.

Im Rasterkopf ist pro [[Testpunkt]] ein Federkontaktstift eingebettet. Diese Federstifte werden in einem [[Messraster|Raster]] angeordnet (daher auch der Name), so dass eine möglichst große Prüfdichte erreicht wird. Feine Rasterköpfe können so ein 0,6-mm-Raster mit bis zu 280 Federstiften/cm² aufweisen. Bei einem Kontaktierhub von etwa 2,5 mm wirken je nach Federstift [[Kraft|Kräfte]] von 0,4 [[Newton (Einheit)|N]] bis 1,5 N pro Kontaktierpunkt.

[[Datei:MicroContact SiriusAdapter.jpg|mini|6 mm senkrechter Starrnadelaustritt, flankiert mit ø1 mm Niederhaltern. Nadel: ø0.3 mm, [[Pitch (Elektronik)|Pitch]] 0,4 mm]]
Die im Adapter schräg(!) verlaufenden Starrnadeln können auch so ausgelenkt werden, dass sie senkrecht aus dem Adapter austreten. Durch diese Technologie wird das Taumel[[Spiel (Technik)|spiel]] der Starrnadel minimiert, und es kann auf kleinere Testpunkte und näher an [[Elektrisches Bauelement|elektronischen Bauelementen]] kontaktiert werden. Mit dieser Adapterbauweise können 0,5 mm neben den Starrnadeln auch Niederhalter positioniert werden, um den Prüfling beim doppelseitigen Kontaktieren optimal abzustützen.

== Standzeiten ==
Die Kontaktierspitze der Starrnadeln wird durch das Kontaktieren mit der Zeit abgeflacht. Die Standzeit hängt vor allem vom zu kontaktierenden [[Werkstoff|Material]] und von der eingesetzten Prüfkraft vom [[Federstift]] ab. Unter optimalen Bedingungen werden etwa 500.000 Kontaktierungen erreicht.

Die im Rasterkopf eingebetteten Federstifte sind vor größeren [[Querkraft|Querkräften]] und Verschmutzungen geschützt und haben so [[Standzeit]]en von weit über einer Million Kontaktzyklen.

== Kombination von feinsten Federstiften und Starrnadeln ==
[[Datei:Starrnadel Machbarkeitsmatrix.jpg|mini|Kombination von feinsten Federstiften und Starrnadeln]]
Die Kombination von Federstiften und Starrnadeln werden entsprechend den Anforderungen ausgewählt.

Starrnadeladapter für sehr feine Strukturen werden auch als Microadapter (engl. {{lang|en|Micro Contacting Adapter}}, MCA) bezeichnet.
Nebenstehende Tabelle zeigt als Beispiel, welche Federstifte mit welchen Starrnadeln in Microadaptern kombiniert werden können.
Man versucht, möglichst dicke Starrnadeln einzusetzen, da diese stabiler sind. Die Auswahl des größtmöglichen Starrnadeldurchmessers wird vor allem von den vorhandenen Kontaktierabständen vorgegeben.

Der maximal übertragbare [[Elektrischer Strom|Strom]] I wird meist durch den Federstift oder den Kontakübergang Nadel↔Prüfling begrenzt. Er wird definiert durch die Mess[[Elektrische Leistung|leistung]] (P = I² × R) in den Federstiften und den Starrnadeln (R: [[Elektrischer Widerstand|Widerstand]]). Bei zu großen Strömen können die Starrnadeln und Federstifte heiß werden und den Prüfling und die Adaptierung beschädigen. Die in folgender Tabelle angegebenen Werte stammen aus Laborversuchen und geben [[Richtwert]]e an.

;zulässige [[Elektrischer Strom|Ströme]] bei 10 [[Millisekunde|ms]] Dauer
{| class="wikitable"
! Fall<br />(s. Abb. oben)
! Dauerstrom (ID)
! Impulsstrom (II)
|-
| A
| 0,2 [[Ampere|A]]
| 0,4 A
|-
| B
| 0,3 A
| 0,9 A
|-
| C
| 0,6 A
| 1,8 A
|-
| D
| 1,0 A
| 3,0 A
|-
| E
| 2,0 A
| 6,0 A
|-
| F
| 3,0 A
| 9,0 A
|}

;zulässige [[Elektrische Spannung|Spannungen:]]
Die mögliche Prüfspannung kann nur grob berechnet werden, da hier die [[Luftfeuchtigkeit]] eine große Rolle spielt. Nach einer [[Faustregel]] erfordert eine Spannung von 1000 [[Volt]] einen seitlichen Abstand von etwa 1 mm. Mit dieser Faustregel kann folgende Formel für die Nadelabstände aufgestellt werden:

:Maximale Spannung = 1000 V/mm × (Pitch – Nadeldurchmesser)

Beispiel: Ein Pitch von 0,2 mm wird mit einem Nadeldurchmesser von 0,13 mm kontaktiert. Die maximale Prüfspannung ist dann:
:1000 V/mm × (0,2 mm – 0,13 mm) = 70 V.

== Testen mit Starrnadeladaptern ==
Leiterplatten werden zu verschiedenen Zeitpunkten kontaktiert, damit die Qualität der einzelnen Prozessschritte kontrolliert werden kann.

Unbestückte Leiterplatten werden meist auf [[Elektrischer Kurzschluss|Kurzschlüsse]] und Unterbrechungen kontrolliert (s. u.), damit nicht später defekte Leiterplatten mit teuren Komponenten bestückt werden.

Nach dem Bestücken der Leiterplatten können Komponenten programmiert und mit dem [[In-Circuit-Test]] kontrolliert werden (s. u.).

Zum Schluss wird beim [[Funktionstest]] die komplette Funktion der [[Elektronische Schaltung|Schaltung]] kontrolliert.

Durch den Einsatz eines Starrnadeladapters bei diesen Tests kann die benötigte Testfläche auf ein Minimum reduziert und so die [[Herstellkosten]] minimiert werden.

=== Kontaktieren von unbestückten Leiterplatten ===
Bei unbestückten Leiterplatten kann der Adapter dicht beim Prüfling positioniert werden, so dass die Starrnadeln nur minimal aus dem Adapter herausragen. Das reduziert das Taumelspiel (Toleranz-Spiel der Starrnadel beim Testpunkt) und ermöglicht kleinere Testpunkte und Testabstände. Der kleinste mögliche Pitch ist somit vor allem von der Starrnadel-Dicke abhängig und liegt bei 80 [[µm]].

=== Kontaktieren von bestückten Leiterplatten ===
Bei bestückten Leiterplatten wird die [[Elektrisches Bauelement|Bauteil]]<nowiki></nowiki>höhe mit dem Starrnadelaustritt überwunden. Die Austrittslänge beeinflusst die benötigte Dicke und das Taumelspiel der Starrnadel.

Parameter für das Kontaktieren von bestückten Substraten mit einem Starrnadeladapter:
* Nadelaustritt 0 mm – 2 mm (Hub) ermöglicht den Test auf 0,10 mm Teststrukturen mit einem Pitch von 0,25 mm
* Nadelaustritt 2 mm – 4 mm ermöglicht den Test auf 0,12 mm Teststrukturen mit einem Pitch von 0,40 mm
* Nadelaustritt 4 mm – 6 mm ermöglicht den Test auf 0,15 mm Teststrukturen mit einem Pitch von 0,40 mm.
Höhere Bauteile werden im Adapter ausgespart, so dass die Distanz von Adapter zu Leiterplatte möglichst klein gehalten werden kann.

Durch die Reduktion der Testpunktgröße (Durchmesser) von z. B. 0,8 mm auf 0,2 mm (Faktor 4) kann die reine Testfläche um das 4²=16-fache reduziert werden.

=== Doppelseitiges Kontaktieren von Leiterplatten ===
[[Datei:Starrnadeladapter mit Niederhalter.jpg|mini|Leiterplattenbelastung beim Kontaktieren]]
Beim Starrnadeladapter erfolgt die Kontaktierung in zwei Hüben:
* mit dem Zustellhub wird der Adapter mit den Niederhaltern an die Leiterplatte herangefahren, so dass diese optimal unterstützt wird.
* beim folgenden Kontaktierhub wird die Prüfkraft von den Federkontaktstiften über die Starrnadeln auf die Leiterplatte gebracht.
Durch diese geregelte Reihenfolge wird die Leiterplatte so schonend wie möglich kontaktiert.

Als Vergleich üben bei einem konventionellen Adapter die Federkontaktstifte fast ihre volle Kontaktkraft aus, bevor die Niederhalter überhaupt die Leiterplatte unterstützen können. Das führt in diesem kurzen Zeitabschnitt zu einer starken [[Verformung|Deformation]] und somit zu größeren [[Belastung (Physik)|Belastungen]] der Leiterplatte (vgl. Abb.).

== Einsatzmöglichkeiten ==
Durch die [[Miniaturisierung]] werden die Leiterzüge auf Leiterplatten immer schmaler. Sie können dann oft nicht mehr mit konventionellen Federstiftadaptern kontaktiert werden.

Starrnadeladapter können in folgender Weise angewandt werden:

=== Mit Vakuumadapter ===
[[Datei:MCA-VA Vakuumadapter.jpg|mini|Einsatz im Vakuumadapter]]
Kompakte Starrnadeladapter können in einen [[Vakuumadapter]] integriert werden. Das [[Vakuum]] wird für den Hub genutzt, der Prüfling selbst ist in einer vakuumfreien Zone. Die Adapter können ein- oder doppelseitig und auch als 2-Stufenkontaktierung für getrennten [[In-Circuit-Test]] und Funktionstest ausgebaut werden.
<div style="clear: both"></div>
=== In Fertigungsstraßen ===
[[Datei:MCA-IL Inlineadapter.jpg|mini|Einsatz im Inline-System]]
Starrnadeladapter werden in halb- und vollautomatischen [[Handlingsystem]]en für die Prüfung von unbestückten und bestückten Leiterplatten eingesetzt. Der Kontaktierpitch ist < 0,4 mm.
<div style="clear: both"></div>
=== Als Chip-Adapter ===
[[Datei:MCA-CP Chipadapter.jpg|mini|Einsatz als Chipadapter]]
Starrnadeladapter können (ggf. in Kombination mit konventioneller Adaptertechnik) bereits bestückte [[Integrierter Schaltkreis|ICs]] kontaktieren.
<div style="clear: both"></div>
=== Als Steckeradapter ===
[[Datei:MCA-ST Steckeradapter.jpg|mini|Einsatz als Steckeradapter]]
Beim Kontaktieren von kleinen Steckern auf Schaltungsträgern erfolgt die Führung des [[Steckeradapter|Adapters]] meist über das Steckergehäuse, dadurch werden die [[Toleranz (Technik)|Toleranzen]] von Träger und [[Montage (Produktion)|Montage]] aufgehoben. Der Vorteil ist, dass kleinste Stecker direkt kontaktiert werden können und die Kontakte nicht über einen Gegenstecker abgegriffen werden müssen, der oft nach 20 bis 30 Steckzyklen ausgetauscht werden muss.
<div style="clear: both"></div>
=== Im Lasertrimmer ===
[[Datei:Druckkammerkonzept.svg|mini|Einsatz im Lasertrimmer]]
Der Starrnadeladapter kann auch im [[Lasertrimmen|Lasertrimmer]] eingesetzt werden. Dabei fährt der Adapter unter das Substrat und stützt es von unten ab. Von oben wird eine [[Dichtung (Technik)|Dichtung]] auf das Substrat gedrückt und dann in der Druckkammer der nötige Gegendruck zu den Starrnadeln aufgebaut. Ist dieser Gegendruck vorhanden, kann der Adapter auf der Bestückungsseite alle [[Messstelle]]n auf einmal kontaktieren. Durch die Druckkammer können alle Widerstände innerhalb der Druckkammer gleichzeitig kontaktiert werden, wodurch das Lasertrimmen effizienter wird.
<div style="clear: both"></div>
=== Überblick / Vergleich der Eigenschaften ===
{| class="wikitable"
! rowspan="2" | Einsatz
! colspan="3" | Kontaktieren auf
! colspan="2" | Kontaktierung
! rowspan="2" | Größe Kontaktpad
! rowspan="2" | Testpunkte/cm²
! rowspan="2" | Besonderheiten
|-
! Micro[[Durchkontaktierung|via]]s
! Testpads
! Mikrostecker
! einseitig
! doppelseitig
|-
! Vakuumadapter
| ja
| ja
| ja
| ja
| ja
| > 400 µm (bei Zentrierung über Fangstifte)
| bis 100 (mit 1-mm-Rasterfeld)
|
|-
! Fertigungsstraße
| ja
| ja
| ja
| ja
| ja
| > 70 µm (mit optischer Zentrierung)
> 300 µm (ohne optische Zentrierung)
| bis 280<br />(mit 0,6-mm-Rasterfeld)
|
|-
! Chip-Adapter
|
| ja
|
| ja
| ja
| > 250 µm
Kontaktierpitch > 400 µm
| bis 280
|
|-
! Steckeradapter
|
|
|
| ja
| ja
| Steckerkontakt > 150 µm
| bis 200
| - Kontaktieren direkt auf die Steckerkontakte
- [[pneumatisch]]e Hubauslösung
|-
! Lasertrimmer
|
|
|
|
|
| > 70 µm
Kontaktierpitch > 150 µm
| bis 280
| - Gleichzeitiges Kontaktieren aller Messstellen
- Trimmen aller Widerstände ohne neue Kontaktpositionierung
|}

== Staggering ==
[[Datei:Staggering.svg|mini|Staggering]]
Das Ziel von Staggering ist es, feinste Strukturen mit möglichst dicken Starrnadeln prüfen zu können. Beim Staggering werden die Kontaktierpunkte versetzt zueinander auf den Leiterplatten angeordnet, so dass sie möglichst weit voneinander entfernt liegen. Dabei kann gemäß dem [[Satz des Pythagoras]] bei einem großen Abstand ''C'' (Dicke der Nadeln und Isolationsabstand) ein relativ kleiner Abstand ''A'' der Kontaktstellen erreicht werden.
Der Pitch, der bei einer solchen Anwendung realisiert werden kann, setzt sich aus den skizzierten Distanzen ''A'' und ''B'' wie folgt zusammen:

:<math>C = \sqrt{A^2 + B^2}</math>

[[Datei:Staggeringanwendung.jpg|mini|Beispiel von Staggering]]

Setzt man Staggering bei einem Fine-Pitch ein, so ist das Kontaktieren folgender Abstände möglich:
{| class="wikitable"
! Starrnadeldurchmesser
! Pitch ab
|-
| 0,60 mm
| 0,70 mm
|-
| 0,45 mm
| 0,55 mm
|-
| 0,30 mm
| 0,40 mm
|-
| 0,18 mm
| 0,25 mm
|-
| 0,13 mm
| 0,20 mm
|-
| 0,10 mm
| 0,15 mm
|-
| 0,07 mm
| 0,12 mm
|-
| 0,04 mm
| 0,08 mm
|}

== Weblinks ==
* [https://www.microcontact.ch/de/component/content/article?id=70 Toleranzen beim Prüfen]

[[Kategorie:Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik]]

Starrnadeladapter - Versionsgeschichte

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