Die Miniaturisierung von Steckverbindern hat Gerätehersteller in die Lage versetzt, kompakte und robuste Geräte mit hoher Leistung zu entwickeln, die aber wenig Platz brauchen und ein niedriges Gewicht aufweisen. Gerade im Internet der Dinge müssen die vernetzten Devices rund um die Uhr arbeiten und so klein sein, dass sie in die Westentasche passen. Die Benutzer erwarten immer dünnere Mobiltelefone, leichtere Laptops und Tablets, die sich leicht verstauen und einsetzen lassen. Die Nachfrage nach tragbaren Geräten mit immer höheren Verarbeitungsgeschwindigkeiten und längerer Batterielebensdauer zu Preisen, die in etwa denjenigen früherer Gerätegenerationen entsprechen, bleibt nach wie vor hoch.

Das FFC/FPC-Portfolio verdeutlicht die Trends in der Steckerminiaturisierung.

Das FFC/FPC-Portfolio verdeutlicht die Trends in der Steckerminiaturisierung.Molex

Smartphones und andere mobile Geräte eines gereiften Markts zeichnen sich durch eine immer umfangreichere Funktionsausstattung aus. In dem Maße, in dem sich Tablets und Mini-Tablets oder E-Book-Reader immer mehr verbreiten, gilt der Grundsatz kleiner ist besser nur noch bedingt. Entsprechend einem steigenden Trend zur Online-Video-Wiedergabe offerieren die Hersteller immer mehr Produkte mit größeren Bildschirmen, um Anwendern das Betrachten von Videos in immer besserer Qualität zu ermöglichen.

Solche Hybrid-Produkte sind häufig mit gestochen scharfen 7-Zoll-Bildschirmen ausgestattet und dienen mehreren Zwecken  – der Kommunikation, des Surfens im Web und dem Entertainment des Benutzers. Genauso stoßen auf dem Sektor der digitalen Kameratechnik moderne Kompaktkameras, was die Reduktion der Größe angeht, an ihre Grenzen. Die meisten dieser Produkte verfügen jetzt über Bildschirme im Bereich von 3,5 Zoll. Den Verbrauchern stehen viele Kameras im Taschenformat zur Auswahl und ihre Aufmerksamkeit richtet sich damit mehr und mehr auf Mehrwertmerkmale wie Auto-Flash und Zoom.

Mechanische Grenzen

Bei der Miniaturisierung von Steckverbindern geht es darum, wertvollen Platz auf der Leiterplatte zu nutzen, um eine möglichst hohe Konzentration von Signalen zu erreichen. Einer kontinuierlichen weiteren Senkung der Steckergrößen stehen jedoch bestimmte Faktoren im Wege.

Der SMT-ZIF-FPC-Steckverbinder ermöglicht eine sichere Kontaktierung, auch wenn das Kabel in der Anwendung Zugkräften ausgesetzt ist.

Der SMT-ZIF-FPC-Steckverbinder ermöglicht eine sichere Kontaktierung, auch wenn das Kabel in der Anwendung Zugkräften ausgesetzt ist.Molex

Das größte Hindernis bei der Verarbeitung ist die Dicke der Kontakte. Wenn die Dicke bis in den Bereich von zirka 0,10 mm sinkt (0,15 bis 0,2 mm bei Verklebung auf einem Kunststoffgehäuse) kann die Kontaktdichte des Steckers zu hoch werden, und es können Kurzschlüsse entstehen. Außerdem kommt es zu Problemen beim Aufgurten, Schneiden und zu sonstigen Fertigungsproblemen; Produkt- und Signalintegrität können beeinträchtigt werden. Die fertigen Stecker müssen so robust sein, dass der Ingenieur oder Monteur sie problemlos auf die Leiterplatte montieren, löten und zusammengebauen kann. Außerdem müssen sie eine Fallprüfung aus einer Höhe von einem Meter  ohne Verlust an mechanischer und funktionaler Integrität innerhalb von einer Millisekunde überstehen.

Hinsichtlich der Größenreduktion haben traditionelle Stecker einen Punkt erreicht, an dem die Erträge sinken. Höher legierte Metalle können zwar zu einer stabileren Verbindung führen und höhere Ströme ermöglichen, benötigen aber bessere Strategien zur Wärmeableitung. Angesichts des wachsenden Marktes für Stecker mit extrem engen Rastern und niedrigen Höhen im eingesteckten Zustand wird es darauf ankommen, die Leistungseigenschaften und Langlebigkeit zu sichern, die die Verbraucher erwarten.

Mikro-Miniatur-Stecker: FPC und MEMS

FPC-Stecker (Flexible Printed Circuit, flexible gedruckte Schaltung) sind die derzeit kleinsten auf dem Markt erhältlichen Stecker und stehen mit Rastermaßen bis zirka 0,2 mm zur Verfügung. FPC-Stecker sind in verschiedenen Ausführungsvarianten für die Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen lieferbar. Optionen für Fine-Pitch-FPC-Stecker sind beispielsweise Ausführungen mit Push-and-Flip-Verriegelung, mit vormontierten Deckeln, die eine sichere Verbindung zwischen FPC und den Steckerkontakten gewähren.

Mit ihrem flachen Profil leisten MEMS-Steckverbinder bereits in der Medizintechnik einen wichtigen Beitrag.

Mit ihrem flachen Profil leisten MEMS-Steckverbinder bereits in der Medizintechnik einen wichtigen Beitrag.Molex

Weitere Merkmale sind Doppelkontakte, schmalere Ausführungen für eine weitere Senkung des Platzbedarfs und unterschiedliche Ausführungen von Kabellasche und Verriegelung, die weitere Optionen für Ausrichtung und Halt des Kabels ermöglichen. Je nach Anwendung kann ein höheres Steckergehäuse eine Platzierung von Bauteilen unterhalb der FPC-Schaltung ermöglichen, was die Design-Flexibilität weiter erhöht und eine weitere Senkung des Platzbedarfs auf der Leiterplatte ermöglicht. Im Bereich der Rastermaße zwischen 0,25 bis 1,0 mm haben Mikrominiatur-FPC-Stecker eine Kombination von kompakter Tiefe, Höhe und Länge für einen geringen Platzverbrauch. Auch bei dieser Größe geben diese Stecker sicheren Halt auf der Leiterplatte, sie haben außerdem Zugentlastung und ermöglichen wiederholte Steckzyklen bei minimalem Verschleiß.

Neuartige Entwicklungen auf dem Gebiet der mikro-elektromechanischen Systeme (MEMS) können Steckverbinder mit einem ultraflachen Profil ermöglichen, die die Übertragung von Signalen und Leistung in einem einzigen kompakten Stecker verbinden und damit Kostensenkungen bei gleichzeitig  hoher Qualität erlauben. In der MEMS-Fertigung kommen Präzisions-Ätz- und Maskierungsverfahren zur Herstellung von Kontakten und Gehäusen zum Einsatz. Neben extrem niedrigen Profilen ermöglicht diese Technologie auch eine Minimierung von Werkzeugkosten durch Verwendung einer einzigen Maske (im Unterschied zu mehreren Formen und Stempeln) als Werkzeugausstattung.

Der FPC-Dual-Contact-Steckverbinder punktet durch sein flaches Design.

Der FPC-Dual-Contact-Steckverbinder punktet durch sein flaches Design.Molex

Im Bereich der Verbraucherelektronik und anderen Anwendungen umfasst die Gruppe der MEMS-Steckverbinder unter anderem Produkte für Verbindungen von FPC auf Leiterplatte, von Leiterplatte auf Leiterplatte sowie Kameramodulanwendungen. Verbindungen von FPC zur Batterie und Lösungen für andere Module können eine weitere Senkung des Platzbedarfs bei mobilen Geräten ermöglichen.

Eine konkurrierende Technologie sind Varianten mit anisotropem leitfähigem Film (ACF). Prinzipiell klebt man dabei Bauteile, beispielsweise eine flexible gedruckte Schaltung auf Oberflächen, wie LCD-Bildschirme. Nachteile der ACF-Technologie sind Ungenauigkeit und die Tatsache, dass man die Verbindung nur einmal herstellen kann. Wenn an der Verbindung ein Schaden entsteht, muss man den gesamte Bildschirm beziehungsweise das sonstige kostspielige Endprodukt austauschen.

Eckdaten

Kleiner und leichter ist immer noch Forderung, mit der sich Hersteller von Steckverbindern konfrontiert sehen. Zu den Produkte, die diese Punkte auch in IoT-Anwendungen erfüllen können, zählen FPC-Stecker. Auf dem Markt gelten sie als die derzeit kleinsten erhältlichen Stecker; sie haben Rastermaße bis zirka 0,2 mm. Auch mikro-elektromechanischen Systeme (MEMS) eignen sich als Verbindungselemente für platzkritische Anwendungen: mit flachem Profil kombinieren sie die Übertragung von Signalen und Leistung in einem einzigen Stecker. Bei gleichbleibend hoher Qualität lassen sich so Kosten einsparen.

Die MEMS-Technologie liefert niedrige Steckkräfte, eine höhere Festigkeit der Lötverbindung und eine biegsamere flexible Schaltung, die ein einfacheres Einstecken und Abziehen ermöglicht. Außerdem lassen sich MEMS-Verbindungen im Unterschied zu derzeitigen ACF-Verbindungslösungen mehr als nur einmal herstellen.

Märkte für Steckverbinder mit ultrafeinem Raster

Bei höhervolumigen Anwendungen ermöglicht die MEMS-Technologie einen kosteneffektiven Fertigungsprozess zur Senkung des Platzverbrauchs und Erhöhung der Ströme ohne Abstriche bei den Leistungseigenschaften. Mögliche künftige Märkte für Steckverbinder mit ultrafeinem Raster im Submikron-Bereich (weniger als 100 Mikrometer), die mittels Mikro-Ätzverfahren, Laserverfahren oder in Halbleiter-/Mikrosystemtechnologien (MEMS, Micro-Electro Mechanical Systems) entstehen, sind beispielsweise eine Reihe von Medizingeräten, IC-Gehäuse oder ultramobile Systeme sowie Beschleunigungsmesser für Kfz-Airbags, Positions- und andere Sensoren. Auch im Bereich der Verbraucherelektronik können MEMS-Technologien eine dominantere Rolle übernehmen.

Im Zuge der Weiterentwicklung von Steckverbindertechnologien zur weiteren Senkung der Bauteilgrößen steigen auch die Anforderungen an die Hersteller von flexiblen Kabeln, die vor der Aufgabe stehen, elektrische Leiterbahnen für immer dichtere Stromkreisanschlüsse entwickeln zu müssen. Beschränkungen bestehen dabei bei den in der Steckerfertigung eingesetzten Verfahren zum Metallstanzen und Formen der Kontakte.

Weder bei den Steckverbindern noch bei den Kabeln wurde bei den Herstellungsverfahren bisher die Lücke zu Sub-Mikrominiaturschaltungen überwunden. Mit Verbesserungen bei den flexiblen Schaltungen und MEMS-Prozessen hat die Branche bereits Fortschritte erzielt, und optische Steckverbinder haben das Potenzial, bei sinkenden Preisen an Bedeutung zu gewinnen.