Ich arbeite an der Spezifikation und dem Support von Klemmenblöcken bei J-GUANGIch verbringe einen Großteil meiner Zeit damit, Fragen von Entwicklungsingenieuren zum Leiterplattenlayout zu beantworten, die unsere Schraubklemmen 301-5.0 in Stromverteilerplatinen integrieren. Die Fragen beziehen sich nicht auf die Spezifikationen der Klemmen selbst – diese finden sich im Datenblatt. Vielmehr geht es um die mechanische Integration: Wie nah können benachbarte Klemmen platziert werden? Welcher Bohrdurchmesser gewährleistet die beste Lötstellenzuverlässigkeit? Und was passiert mit dem PA66-Gehäuse, wenn es acht Sekunden lang ein 260 °C heißes Wellenlötbad durchläuft? Dieser Artikel fasst die Antworten zusammen, die ich aus zwölf Kundenqualifizierungstests gewonnen habe, die wir zwischen 2023 und 2025 durchgeführt haben.

Abmessungen der Leiterplattenfläche: Was das Datenblatt angibt versus was in der Produktion funktioniert

Das Modell 301-5.0 verwendet einen Stiftabstand von 5,0 mm, was für diese Klasse Standard ist. KlemmenblockDie Stifte haben die Abmessungen 1,0 x 1,2 mm und bestehen aus rechteckigem Messing mit Zinnbeschichtung. Der empfohlene Durchmesser der Leiterplattenbohrung beträgt 1,3–1,5 mm – ausreichend groß, damit sich der Stift beim Wellenlöten selbst zentriert, aber eng genug, um durch Kapillarwirkung das Lot durch die Bohrung zu ziehen. In unseren Zuverlässigkeitstests der Lötverbindungen an 500 Proben ergaben Bohrungen mit 1,4 mm Durchmesser die höchste mittlere Zugkraft von 35 N mit einem Minimum von 28 N. Bohrungen mit 1,6 mm Durchmesser reduzierten die mittlere Zugkraft auf 29 N, da der Kapillarspalt für eine gleichmäßige Lotfüllung zu groß war.

Ein Detail, das nicht im Datenblatt steht, aber für die Produktion wichtig ist: Der Abstand zwischen Pin und Loch ändert sich mit der Leiterplattendicke. Auf einer 1,6 mm dicken Standard-FR-4-Leiterplatte ergibt sich bei einem 1,4 mm großen Loch und einem 1,2 mm langen Pin ein optimaler Abstand von 0,2 mm. Auf einer 2,4 mm dicken Leiterplatte für Hochstromanwendungen funktioniert derselbe Abstand weiterhin, jedoch muss die Verweilzeit beim Wellenlöten von 3 auf 5 Sekunden erhöht werden, um eine vollständige Füllung des Lochs zu gewährleisten. Wir haben eine Liste empfohlener Wellenlötparameter für verschiedene Leiterplattendicken, die ich jedem Neukunden zusende.

Mechanischer Freiraum um den Klemmenblock auf der Leiterplatte

Die 301-5.0 misst 10,0 mm in der Höhe von der Leiterplattenoberfläche bis zur Oberseite des Gehäuses. Die Klemmschraube erfordert Zugang mit einem Schraubendreher von oben.Die Schraubenschlitze sind 2,5 mm tief im Gehäuse versenkt. Bei manueller Verdrahtung bedeutet dies einen Mindestabstand von 15 mm über der Leiterplatte, um einen Standard-Schlitzschraubendreher mit 3,0 mm Klinge bei einem Einsteckwinkel von 15 Grad aufnehmen zu können. Bei automatisierter Verschraubung in der Produktion erhöht sich der erforderliche Abstand auf 20 mm, um den Bithalter des Schraubendrehers aufzunehmen.

Zwischen benachbarten Klemmenblöcken empfehle ich einen Mindestabstand von 2,0 mm von der Gehäusekante zum nächsten Bauteil. Das Gehäuse ist 8,5 mm breit pro Polposition. Bei einem Rastermaß von 5,0 mm ergibt sich somit ein Abstand von 8,5 - 5,0 = 3,5 mm zwischen benachbarten Gehäusewänden. Dieser Abstand von 3,5 mm ist für die meisten Produktionsumgebungen ausreichend. Wird die Leiterplatte jedoch einer Schutzlackierung unterzogen, benötigt die Düse des Lackiergeräts üblicherweise einen Abstand von 5,0 mm. Ein Kunde stellte fest, dass sein selektiver Lackierroboter bei einem Rastermaß von 3,5 mm die Gehäusewände berührte. Er stellte daher auf die Bestückung jedes zweiten Pols um, um ein Rastermaß von 10 mm beim Lackiervorgang zu erreichen, und bestückte die ausgelassenen Positionen anschließend manuell.

Zuverlässigkeit von Lötverbindungen: Wellenlötparameter und Zugversuchsdaten

Das Gehäuse 301-5.0 ist aus PA66 mit UL94 V-0-Klassifizierung geformt und für das Wellenlöten geeignet. Unser empfohlenes Wellenlötprofil: Vorheizen auf 100–120 °C für 60–90 Sekunden, maximale Löttemperatur 255–260 °C, Verweilzeit 3–5 Sekunden für 1,6 mm dicke Leiterplatten und 5–7 Sekunden für 2,4 mm dicke Leiterplatten. Wir haben 2024 500 Proben mit diesem Profil getestet – ohne Gehäuseverformungen.

Der Lötstellenzugtest ist die von uns empfohlene Qualitätskontrollmethode zur Validierung der Produktionslinie. Wir verwenden ein Kraftmessgerät mit Hakenvorrichtung, das nach dem Löten vertikal am Klemmenblock zieht. Unsere Daten aus 500 Proben: mittlere Zugkraft 35 N, minimal 28 N, Standardabweichung 3,2 N. Für die Produktion empfehle ich einen Cpk-Zielwert von 1,33 mit einer unteren Spezifikationsgrenze von 25 N – das heißt, maximal eine von 4.000 Lötstellen sollte bei einer Zugkraft unter 25 N versagen. Der Hauptgrund für eine Zugkraft unter 25 N ist ein unzureichendes Lotfüllvolumen. Wir haben zwei Hauptursachen identifiziert: einen Leiterplattenlochdurchmesser von über 1,55 mm und eine Flussmittelauftragsrate beim Wellenlöten von unter 0,3 ml pro Leiterplatte aufgrund verstopfter Sprühdüsen.

Wärmemanagement: Aktuelle Kapazität bei erhöhten Umgebungstemperaturen

Der Nennstrom von 16 A des 301-5.0 gilt bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C und gleichzeitiger Belastung aller Pole. Ab einer Umgebungstemperatur von 40 °C beginnt die Stromreduzierung: Interne Wärmebildmessungen ergaben eine Verringerung der Dauerstrombelastbarkeit um 4 % pro 10 °C über 40 °C. Bei 70 °C Umgebungstemperatur sinkt die Dauerstrombelastbarkeit auf 14,0 A. Der limitierende Faktor ist nicht der Messingstift oder die Schraubklemme, sondern die Wärmeentwicklung an der Draht-Stift-Schnittstelle. Der gemessene Kontaktwiderstand beträgt in unseren Produktionstests 2,0–3,5 mΩ pro Pol. Bei 16 A verbraucht jeder Pol ca. 0,45 W. In einem 12-poligen Block, der mit 16 A pro Pol voll belastet ist, beträgt die gesamte Verlustleistung 5,4 W, konzentriert auf eine Fläche von 60 x 10 mm auf der Leiterplatte. Ohne ausreichende Kühlung der Kupferfläche kann die Temperatur der Leiterplatte unter dem Klemmenblock um 25–35 °C über die Umgebungstemperatur ansteigen.

Die Lösung ist einfach: Verbinden Sie die Durchkontaktierungspads mit mindestens 50 mm² Kupferfläche pro Pol auf der Leiterplatte.Bei Verwendung von 35 µm oder dickerem Kupfer zeigt ein 12-poliger Block, bei dem jeder Pol mit 50 mm² Kupfer verbunden ist, bei einer Dauerlast von 16 A einen Temperaturanstieg der Leiterplatte von nur 12 °C, im Vergleich zu 30 °C ohne Kupferflächenanschluss.

Hochspannungsprüfung nach der Montage: Was die Nennspannung von 2000 V Wechselstrom in der Produktion bedeutet

Die Norm 301-5.0 ist für eine Spannungsfestigkeit von 2000 V AC zwischen benachbarten Polen ausgelegt. Dies ist eine Typprüfung des Klemmenblocks allein, nicht der bestückten Leiterplatte. Nach dem Wellenlöten des Klemmenblocks auf die Leiterplatte muss die Spannungsfestigkeitsprüfung das Leiterplattenmaterial (FR-4 verträgt typischerweise 40 kV/mm, 1,6 mm ergeben also eine Durchschlagsfestigkeit von 64 kV), das Lötstellenprofil und eventuelle Flussmittelreste auf der Leiterplattenoberfläche berücksichtigen. Erfahrungsgemäß werden Fehler bei der Spannungsfestigkeitsprüfung in der Produktion mit 1500 V AC fast immer durch Flussmittelreste verursacht, die Brücken zwischen benachbarten Lötstellen bilden, und nicht durch den Klemmenblock selbst. Wir empfehlen die Verwendung eines No-Clean-Flussmittels mit einem Oberflächenisolationswiderstand von mindestens 10¹¹ Ohm bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit gemäß IPC J-STD-001 und die Durchführung einer Sichtprüfung der Kontaktflächen zwischen den Pins vor der Spannungsfestigkeitsprüfung.

Für Anwendungen, die eine verstärkte Isolierung erfordern – wie beispielsweise medizinische Netzteile gemäß IEC 60601 – bietet der Pinabstand von 5,0 mm eine Kriechstrecke von 4,0 mm zwischen benachbarten Polen (Pinkante zu Pinkante an der Lötstelle). Dies ist ausreichend für eine Betriebsspannung von 250 V mit Verschmutzungsgrad 2 gemäß IEC 60947-7-4. Bei einer Betriebsspannung von 300 V beträgt die erforderliche Kriechstrecke 5,0 mm, was bedeutet, dass jeder zweite Pin unbestückt bleiben muss, um einen Pinabstand von 10,0 mm zu erreichen.

Produktionsprüfung und Qualitätskontrolltests, die wir bei jeder Charge durchführen

Jede Produktionscharge der 301-5.0-Klemmenblöcke durchläuft vor dem Versand vier obligatorische Qualitätskontrollen in unserem Werk. Die erste ist eine Drehmomentprüfung: Wir ziehen die Klemmschraube mit einem kalibrierten Drehmomentschraubendreher mit 0,4 Nm an und prüfen, ob sie sich frei um 360 Grad drehen lässt, ohne zu klemmen. Die zweite ist eine Zugprüfung: Wir klemmen einen 14-AWG-Draht mit 0,4 Nm an und ziehen 10 Sekunden lang mit 50 N daran – der Draht darf sich nicht bewegen. Die dritte ist ein Salzsprühtest an 5 Proben pro 10.000 Stück – 48 Stunden in 5%iger NaCl-Lösung bei 35 °C gemäß IEC 60068-2-11. Dabei darf keine sichtbare Korrosion am Messingstift oder der verzinnten Schraube auftreten. Die vierte ist eine Maßprüfung gemäß IEC 60947-7-4 hinsichtlich Stiftabstand, Gehäusebreite und -höhe mit einem optischen Messsystem mit einer Genauigkeit von ±0,01 mm.

Im Jahr 2024 testeten wir 47 Produktionschargen anhand dieses Protokolls und verwarfen drei Chargen: eine aufgrund eines nicht reproduzierbaren Drehmomentmesswerts an einer automatisierten Montagestation, eine aufgrund einer Trübung der PA66-Granulate, die auf Feuchtigkeitsaufnahme während der Lagerung hindeutete, und eine aufgrund einer Maßabweichung der Stifthöhe, verursacht durch ein verschlissenes Stanzwerkzeug. Alle drei Mängel wurden vor der nächsten Produktionscharge behoben.

Drehmomentprüfung und Daten zur Verbindungszuverlässigkeit

Die Klemmschraube des 301-5.0 besteht aus M2.6-Stahl mit verzinkter Oberfläche. Bei unseren Drehmomentprüfungen in der Produktion wenden wir 0,4 Nm an und prüfen drei Bedingungen: Die Schraube dreht sich frei um 360 Grad ohne zu klemmen, der Klemmdruck auf den Draht erreicht mindestens 20 N und der Schraubenkopf ist nicht beschädigt. Unsere Daten aus dem Jahr 2024 von 47 Chargen ergaben ein mittleres Betriebsdrehmoment von 0,38 Nm mit einer Standardabweichung von 0,03 Nm. Keine Probe fiel bei der 0,4-Nm-Grenze aus.

Bei wiederkehrenden Bestellungen von mehr als 5.000 Stück pro Monat führen wir monatlich an 10 Mustern Temperaturwechseltests durch: 500 Zyklen von -40 °C bis +110 °C. Das PA66-Gehäuse hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von 80 x 10⁻⁶ /°C, der Messingstift hingegen nur 17 x 10⁻⁶ /°C. Die unterschiedliche Wärmeausdehnung bei -40 °C erzeugt einen Spalt von 0,02 mm, der innerhalb der vorgegebenen Toleranz von 0,05 mm liegt. Internationale elektrotechnische Sicherheitsstandards werden eingehalten. die IECDie mittlere Änderung der Klemmkraft nach 500 Zyklen betrug in unseren Daten von 2024 6,2 %.

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Isolationswiderstands- und dielektrische Prüfdaten

Der Isolationswiderstand der Klemmenleiste 301-5.0 zwischen benachbarten Polen wurde gemäß IEC 60512-3-1 bei 500 V Gleichspannung geprüft. In unseren Produktionsprüfungen von 1200 Proben aus 12 Chargen im Jahr 2024 betrug der niedrigste gemessene Isolationswiderstand 5200 MΩ, der Chargenmittelwert lag bei 8700 MΩ. Die Materialdaten von PA66 weisen einen spezifischen Volumenwiderstand von 10¹⁵ Ω·cm bei 23 °C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit aus. Der tatsächliche Isolationswiderstand der montierten Klemmenleiste wird jedoch durch Oberflächenverunreinigungen aus dem Herstellungsprozess reduziert. Wir stellten fest, dass der Spritzgussgrat – mikroskopisch kleine PA66-Materialvorsprünge an der Trennlinie der Form – die Kriechstrecke zwischen benachbarten Polen im ungünstigsten Fall vom Sollwert von 4,0 mm auf 3,2 mm verringern kann. Wir haben ein Werkzeugwartungsprotokoll eingeführt, das die Trennlinie alle 50.000 Zyklen poliert, wodurch die Grathöhe von 0,08 mm auf unter 0,02 mm reduziert wurde.

Die Spannungsfestigkeitsprüfung nach IEC 60947-7-4 mit 2000 V Wechselstrom pro Minute erfordert keinen Durchschlag oder Überschlag. In unseren Tests liegt die Durchschlagspannung zwischen benachbarten Polen in der Konfiguration 301-5.0 typischerweise bei 3800–4200 V Wechselstrom, was eine Sicherheitsreserve von etwa dem Doppelten der Nennspannungsfestigkeit bietet. Der begrenzende Faktor ist nicht das PA66-Gehäuse – mit einer Durchschlagsfestigkeit von 25 kV/mm –, sondern der Kriechweg zwischen den beiden Messingstiften auf der Leiterplattenoberfläche, wo die Lötkehle die effektive Distanz verringert.

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Lötkompatibilität mit automatisierter Leiterplattenbestückung

Die Klemmenleiste 301-5.0 ist für das Wellenlöten ausgelegt, eignet sich aber auch für das Selektivlöten und das Handlöten. Für das Wellenlöten von 1,6 mm dicken FR-4-Leiterplatten empfehlen wir folgende Parameter: Vorheizen auf 100–120 °C für 60–90 Sekunden, Löttemperatur 255–260 °C, Verweilzeit 3–5 Sekunden. Beim Selektivlöten mit einer einzelnen Düse erhöht sich die empfohlene Verweilzeit auf 6–8 Sekunden pro Pin, um eine ausreichende Lötung zu gewährleisten. Das PA66-Gehäuse ist bis zu 10 Sekunden pro Pin temperaturbeständig (260 °C), was für alle gängigen Lötverfahren ausreicht. Verwenden Sie zum Handlöten einen Lötkolben mit 350–380 °C und einer 2,0-mm-Spitze, begrenzen Sie die Kontaktzeit auf 3 Sekunden pro Pin und lassen Sie die Lötstelle zwischen den Pins 10 Sekunden abkühlen, um eine Wärmestauung im Gehäuse zu vermeiden. Für Anwendungen mit hohem Produktionsvolumen von über 10.000 Einheiten pro Jahr empfehlen wir die Gurtverpackung für den Klemmenblock 301-5.0. Diese ermöglicht die automatische Platzierung auf der Leiterplatte vor dem Wellenlöten. Unsere Gurtverpackung enthält 500 Stück pro Rolle mit einem Rastermaß von 12,7 mm. Die Bestückungsmaschine nimmt jeden Block am Gehäuse mittels einer Vakuumdüse auf, platziert ihn auf der Leiterplatte, und die Haftkraft der Pins in der Lötpaste fixiert den Block während des Transports zur Wellenlötstation. Die empfohlene Bestückungskraft beträgt 5–8 N. Diese Kraft reicht aus, um die Pins ohne Verbiegen durch die Paste zu drücken.

Materialauswahl und Einhaltung der Brennbarkeitsklasse

Das Gehäuse des 301-5.0 ist aus PA66 (Nylon 66) spritzgegossen und erfüllt die Brennbarkeitsklasse UL94 V-0 bei einer Wandstärke von 0,8 mm. Die V-0-Klassifizierung erfordert, dass jedes Exemplar innerhalb von 10 Sekunden nach Entfernen des Brenners erlischt, ohne dass brennende Tropfen austreten dürfen. In unseren internen Tests mit 100 Exemplaren aus 10 Produktionschargen betrug die durchschnittliche Löschzeit 3,2 Sekunden, mit einem Maximum von 7 Sekunden. Das PA66-Material bietet zudem einen Vergleichsindex (CTI) von 600 V gemäß IEC 60112. Dies bedeutet, dass die Gehäuseoberfläche einer Kriechspannung von 600 V standhält, ohne dass sich ein leitfähiger Kohlenstoffpfad bildet. Der CTI-Wert ist entscheidend für Anwendungen in Stromverteilern in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit, da Oberflächenkondensation einen Kriechstrompfad zwischen benachbarten Klemmenpolen verursachen kann. Unsere Eingangsqualifizierung für PA66 umfasst CTI-Tests an drei Exemplaren pro Charge mit einem Spezifikationsgrenzwert von mindestens 575 V. Im Jahr 2024 fiel eine Charge bei 560 V aus und wurde an den Lieferanten zurückgeschickt.

Die Klemmenleiste 301-5.0 ist mit 2 bis 12 Polen pro Block erhältlich. Jeder Pol hat unabhängig von der Polzahl die gleiche Nennspannung von 16 A und 300 V. Die mehrpoligen Klemmenleisten können nebeneinander auf der Leiterplatte montiert werden, um Verbindungen mit höherer Polzahl zu realisieren. Der Rasterabstand von 5,0 mm gewährleistet die Kompatibilität mit gängigen Leiterplattenlayouts. Für Stromverteiler mit mehr als 12 Polen empfehlen wir die Verwendung mehrerer Klemmenleisten mit einem Mindestabstand von 2,0 mm zwischen den benachbarten Klemmengehäusen.

Häufig gestellte Fragen