Verantwortlich für die Miniaturisierung sind eine Reihe an Entwicklungen: Angefangen bei der Integration von Produktions- und Unternehmenssteuerung über den stetigen Leistungszuwachs von Anlagen und Maschinen, die Migration von einzelnen Geräten zu Systemen bis hin zur Verlagerung von Steuerungsfunktionen in die Peripherie.

Informationstechnisch bislang blinde Komponenten werden mit dem Gesamtsystem verbunden und liefern nicht nur Daten. Darüber hinaus übernehmen sie immer öfter auch Teilaufgaben von den klassischen Steuerungen. Die Konsequenz: Funktions- und Informationsinseln wandeln sich zu großen Daten- und Leistungsverbünden.

Alle diese Teilsysteme und Komponenten unterliegen einem radikalen Miniaturisierungsprozess oder sind mit miniaturisierten elektronischen Komponenten ausgestattet, die ihre Integration überhaupt erst ermöglichen. Schlagworte wie Industrie 4.0. zeigen, wohin die Reise geht.

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Harting

Steckverbinder unterstützen Miniaturisierung

Die Harting Technologiegruppe hat früh erkannt, dass sie diesen Trend aktiv begleiten und mitgestalten muss, um die Relevanz der Steckverbinder-Technologie für die Miniaturisierung aufzuzeigen.

Überhaupt, ohne Steckverbinder wäre ein flexibler modularer Aufbau von elektronischen Baugruppen unmöglich. Ebenso wirkt sich die maschinelle Verarbeitung und Integration der Steckverbinder in die Geräte massiv auf deren Qualität, Leistungsfähigkeit und Belastbarkeit aus: Die Verbindungstechnik ist zwar nur eine passive Komponente, trägt aber dennoch signifikant zur Performance des gesamten Systems durch ihre hohe Datenübertragungsraten und Betriebssicherheit bei. Ihr Handling im Feld, bei der Konfektionierung wie auch bei Service und Wartung hat großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit eines Gesamtsystems: Je einfacher und schneller sich Komponenten bei einer Störung austauschen lassen, desto geringer sind die Kosten. Häufig vernachlässigt wird, dass Steckverbinder in weit stärkerem Maße die Belastungen aus dem Umfeld des Gerätebetriebs aushalten müssen, als die eigentlichen Geräte und Komponenten, die sie verbinden. Neben Nässe, Hitze, Kälte, Staub, Vibrationen oder extremer Sonneneinstrahlung müssen sie auch den Zug- und Stoßbelastungen standhalten, häufig in Verbindung mit vielen Steckzyklen. Natürlich dürfen sich diese Faktoren nicht negativ auf die Funktion und Haltbarkeit eines Steckverbinders auswirken.

In einer Gurt-Verpackung gegen äußere Einflüsse geschützt, lassen sich die Steckverbinder in Fertigungsprozesse integrieren. Pick-and-Place-Pads erlauben eine vollautomatische Bestückung der Leiterplatten.

In einer Gurt-Verpackung gegen äußere Einflüsse geschützt, lassen sich die Steckverbinder in Fertigungsprozesse integrieren. Pick-and-Place-Pads erlauben eine vollautomatische Bestückung der Leiterplatten.Harting

Dabei ist die Anwendungsbreite riesig, die es abzudecken gilt: Industrielle Anschlusstechnik wird in allen Bereichen der Industrieelektronik, in der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik und industriellen Automatisierung eingesetzt, zum Beispiel für Prozessinterfaces, Automatisierungskomponenten, Sensoren, I/O-Systeme, Human-Machine-Interfaces, Aktuatoren, speicherprogrammierbare Steuerungen, E/A-Module und Geräte der Antriebstechnik.

Der Modularität verpflichtet

Zentraler Paradigmenwechsel ist die Fokussierung auf einen modularen Geräteaufbau. Die Fortschritte in der Halbleitertechnik ermöglichen es, einerseits immer mehr Funktionen auf der Leiterplatte zusammenzuführen. Andererseits legen die steigenden Anforderungen an die Funktionsvielfalt einer Lösung einen modularen Aufbau mit mehreren Leiterplatten nahe, um Funktionen flexibel ergänzen und präzise aufeinander abstimmen zu können. Auf diese Weise lassen sich mit einem Basismodul und mehreren, funktional differenten Erweiterungsmodulen ohne Weiteres komplette Produktfamilien entwickeln, die im Kern nur aus wenigen Komponenten bestehen. Mittels der Module können etwa Funktionen wie die Größe des Datenspeichers variiert oder verschiedene Funktionen individuell kombiniert werden.

Essenziel für diesen Aufbau sind Leiterplatten-Steckverbinder, da der bisherige Aufbau mit großen Basisboards und steckbaren Modulen nicht mehr den notwendigen Gestaltungsspielraum zulässt, um weitere Funktionen auf dem gleichen Trägerboard Modul unterzubringen. Der Grund: Zunehmende Miniaturisierung reduziert den vorhandenen Platz im Gerät und erfordert so immer stärker eine flexible und stark auf die Gehäusegeometrie abgestimmte Anordnung der Leiterplatten im Gerät. Die typische Gegenmaßnahme ist, mehrere Leiterplatten horizontal zu stapeln oder vertikal aneinander zu reihen und über Flachbandleitungen und -kabel zu verbinden.

Die temperaturbeständigen Materialien des Isolierkörpers in Verbindung mit der geprüften Planarität der Kontakte garantieren eine Verlötbarkeit der Steckverbinder in SMD-Reflow-Verfahren.

Die temperaturbeständigen Materialien des Isolierkörpers in Verbindung mit der geprüften Planarität der Kontakte garantieren eine Verlötbarkeit der Steckverbinder in SMD-Reflow-Verfahren.Harting

Klein nur im Format

Harting hat aus diesen Anforderungen Konsequenzen gezogen: Mit Har-flex und Har-flexicon wurden zwei eigenständige, aber aufeinander abgestimmte Produktfamilien entwickelt. Das Entwicklungsziel: Mit einem rationellen Konzept zur Leiterplattenverbindung, den Geräteaufbau und Anschluss aus dem Gerät heraus zu miniaturisieren und zugleich die für Harting typische Qualität und Robustheit zu bieten.

Die Produktfamilie Har-flexicon steht für Einzelader-Anschlusstechnik und ist eine Weiterentwicklung der Produktfamilie Har-flex, die Produktfamilie der Board-to-Board-Steckverbinder. Die Baureihe Har-flexicon führt die Kontakte aus dem Gerät heraus, beispielsweise die I/O-Anschlüsse. Aus der Perspektive der Leiterplatte hat sich jedoch nichts geändert: Har-flexicon hat dieselben Eigenschaften wie Har-flex, beispielsweise ermöglichen die Gurtverpackung und die Eignung für Reflow-Lötprozesse eine vollautomatische Pick-and-place-Bestückung und Verarbeitung wie SMD-Bauteile.

Den Board-to-Board-Verbinder (Har-flex) im Rastermaß 1,27 mm gibt es als gerade und gewinkelte Varianten in mehreren Stapelhöhen zwischen 8 mm und 13,8 mm sowie mit Polzahlen von 6 bis 100. Dies gibt Entwicklern viele Freiheitsgrade beim Design und Aufbau ihrer Geräte. Je nach Anwendung und Funktion können die Leiterplatten fast beliebig angeordnet, gesteckt und gestapelt werden, um entweder die Komplexität der Funktionen abzubilden oder zusätzliche Elektronikbausteine zu integrieren. Die mittlerweile vom Markt geforderte hohe Montagedichte ist damit realisierbar.

Um die Freiheiten im Geräteaufbau zu erhöhen, gibt es in der Har-flex-Produktfamilie neben den Mezzanine-Steckverbindern (board-to-board) auch Varianten für den Anschluss von Flachbandkabeln mit IDC-Technik (Insulation Displacement Contact). Dabei durchdringt eine Schneidklemme in einem Arbeitsgang die Aderisolierung und kontaktiert die Kabellitzen.

Die Steckverbinder beider Produktfamilien sind maschinell im SMT-Verfahren verarbeitbar und ermöglichen damit gegenüber dem bei konventionellen Leiterplattensteckverbindern üblichen Wellenlötverfahren eine höhere Verarbeitungsqualität bei deutlich geringeren Kosten. Die mechanische Robustheit der Leiterplattensteckverbinder ist durch ein spezielles Design der SMT-Verbindung sichergestellt, die eine ebenso hohe Festigkeit wie die Through-Hole-Technologie erreicht.

Einzelleiteranschluss: Packungsdichte verdoppelt

Bei der externen Einzeladerverdrahtung kommen Har-flexicon-Steckverbinder zum Einsatz, die mit 1,27 mm praktisch das Rastermaß gegenüber konventionellen Leiterplattensteckverbinder halbieren. Für den komfortablen Schnellanschluss der Einzelleiter wurde die patentierte Schnellanschlusstechnik Harax auf das kleinere Rastermaß angepasst: Trotz der Miniaturisierung ermöglicht die Kombination der Schneidklemme mit einem speziellen Aderführungselement die Konfektionierung der Adern vor Ort ohne Spezialwerkzeuge.

Der Verarbeitungsprozess selbst ist vergleichbar mit dem von Har-flex: Im Gurt angeliefert, sind die Steckverbinder ebenfalls in SMT-Fertigungsprozesse integrierbar. Trotz der Miniaturisierung erfüllt die Bauform alle Anforderungen an industrietaugliche Steckverbinder und ist komfortabel wie größere Steckverbinder zu bedienen.

Lennart Koch

ist Global Product Manager Device Connectivity bei der Harting-Technologiegruppe in Espelkamp.

(sk)

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