Alle Komponenten der mobiler Applikationen müssen bezüglich Dicke und Größe steigenden Ansprüchen gerecht werden, damit die Geräte zukünftiger Generationen kleiner sein können und bei gleicher Größe mehr Funktionsumfang bieten. Die Größe ist heutzutage für jeden Anbieter, der seine Produkte in Elektronikgeräten unterbringen möchte, ein großes Thema. Dies betrifft natürlich auch die Hersteller von Steckverbindungen. Steckverbindungen sind integraler Bestandteil aller Elektronikgeräte, wie Mobiltelefone oder Tablets, da sie die einzelnen Untersysteme miteinander verbinden, zum Beispiel Hauptleiterplatte oder Platinen, LCD-Bildschirm, Kamera, Lautsprecher, Mikrofon und Ähnliche.  Die Anforderungen an Größe, Profil und Dichte der Steckverbinder sind ebenso hoch wie an alle anderen Gerätebauteile.

Eckdaten

Derzeitige Miniaturstecksysteme für eine Verbindungen zwischen Platinen (Board-to-Board) und im Übergang zu flexiblen gedruckte Schaltungen (Board-to-FPC) haben ein Rastermaß von 0,4 mm. Je nach Einsatzbereich sind sie optimiert für mechanische Festigkeit, geometrisch kleine Abmessungen, hohe Stromtragfähigkeit oder geringe EMI sowie wenig Dämpfung bei hohen zu übertragenden Frequenzen. TE Connectivity hat bereits Mikrosteckverbinder mit einem Rastermaß von 0,35 mm angekündigt.

Der andere wichtige Aspekt, den Steckverbinder für mobile Geräte erfüllen müssen, ist die steigende Menge an Übertragungsdaten, denn die Verbraucher erwarten von ihren Telefonen eine hohe Geschwindigkeit, auch bei Übertragung großer Dateien wie beispielsweise Videos. Diese Hochgeschwindigkeitssignale erfordern spezielle Steckverbindungen, die das Signal ohne den geringsten Qualitätsverlust von einer Platine zur nächsten übertragen können. Je schneller diese Signale werden, desto stärker werden sie von elektromagnetischen Störungen (EMI, Electromagnetic Interference) beeinflusst. EMI-Schutz wird dadurch immer mehr zu einem integralen Bestandteil bei der Entwicklung von Steckverbindungen.

Board-to-Board-Steckverbindungen

Bild 1: BM10-Steckverbindungen von Hirose gehören zu den kompaktesten 0,4-mm-Steckverbindungen auf dem Markt.

Bild 1: BM10-Steckverbindungen von Hirose gehören zu den kompaktesten 0,4-mm-Steckverbindungen auf dem Markt. Avnet Abacus

Obwohl Steckverbindungen zwischen Platinen (Board-to-Board) und im Übergang zu flexiblen gedruckte Schaltungen (Board-to-FPC), wie sie in Mobiltelefonen verwendet werden, zu den kleinsten Steckverbindungen gehören, sollen sie Hochgeschwindigkeitsdaten in hoher Qualität übertragen und gleichzeitig robust genug sein, um den Montagevorgang zu überstehen und sich während der gesamten Lebensdauer des Mobilgeräts nicht zu lösen. Die Board-to-Board-Steckverbindung mit dem kleinsten Rastermaß hat eine Größe von 0,4 mm und wird in zahlreichen Versionen von unterschiedlichen Herstellern angeboten. Wenden wir uns nun einigen Einzelheiten dieser Steckverbindungen zu und welche Versuche die Hersteller unternommen haben, die Probleme in Verbindung mit kleineren Größen bei höherer Signalqualität zu lösen.

Zu den kleinsten auf dem Markt erhältlichen Board-to-Board- und Board-to FPC-Steckverbindungen mit einem Rastermaß von 0,4 mm zählt die Serie BM10 von Hirose (Bild 1). Diese Steckverbindungen sind winzig – eine Ausführung mit 40 Positionen ist nur 10,4 mm lang und 2,98 mm tief. Darüber hinaus sind sie mit einer Bauhöhe von 0,6 oder 0,8 mm besonders flach. Bei derart kleinen physikalischen Teilen lässt sich eine gute Verbindungsqualität nur schwer aufrecht erhalten. Hirose gewährleistet eine Mindestkontaktlänge von 0,1 oder 0,2 mm bei einer Steckerbauhöhe von 0,6 oder 0,8 mm.

Bild 2: Die Slim-Stack-Hybrid-Steckverbindungen zur Strom- und Signalübertragung halten dank der doppelten Kontaktstruktur zuverlässig, auch wenn das Gerät Stößen und Vibrationen ausgesetzt ist.

Bild 2: Die Slim-Stack-Hybrid-Steckverbindungen zur Strom- und Signalübertragung halten dank der doppelten Kontaktstruktur zuverlässig, auch wenn das Gerät Stößen und Vibrationen ausgesetzt ist. Avnet Abacus

Die Kontakte der BM10-Steckverbindungen verfügen über Vertiefungen, die zwei Funktionen erfüllen. Als erstes bilden sie einen spürbaren Druckpunkt, der deutlich anzeigt, dass die Steckverbindungen richtig eingesteckt sind (Führungsrippen erleichtern zudem die Ausrichtung). Zweitens halten diese Vertiefungen die Steckverbindung in der richtigen Position. Dadurch ist die Steckverbindung weniger stoßempfindlich, was in Mobilgeräten von großem Vorteil ist, da diese häufiger fallen gelassen werden. Metallbefestigungen erhöhen die Robustheit noch weiter.

Mini-Hybrid-Stecker mit hoher Stromtragfähigkeit

Wenn Sie nach Board-to-Board-Steckverbindungen zur Strom- und Datenübertragung suchen, ist die Hybrid-Power-Serie Slim-Stack von Molex eine gute Wahl. Diese Hybrid-Steckverbindungen eignen sich hervorragend als Netzstecker mit zusätzlichen 0,4-mm-Signalleitungen. Die Idee dabei war, durch die Integration mehrerer Signalleitungen in einen Netzstecker herkömmlicher Größe Platz zu sparen. Die Stromleitungen führen 6,0 A und sind ideal zum Aufladen batteriebetriebener Mobilgeräte (die Signalleitungen führen 300 mA). Die Kontakte haben einen geringen Widerstand von maximal 80 mΩ und die Anschlusshöhe beträgt 0,75 mm.

Diese Hybrid-Steckverbindungen haben eine doppelte Kontaktstruktur – jeder Kontakt ist eigentlich zwei Kontakte, wodurch er Stößen und Vibrationen besser standhält, da einer der beiden Kontakte immer Kontakt hat, auch wenn sich der andere gelöst hat (Bild 2). Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Kunststoffführung an den kurzen Seiten des Gehäuses, mit deren Hilfe der Bediener die Steckverbindungen bequem anschließen kann, ohne sie zu beschädigen.

Bild 3: Die Serie SS4/ST4 von Samtec ist zur Signalübertragung mit seriellen Geschwindigkeiten über 28 GBit/s für beispielsweise 100 GBit-Ethernet-Signale ausgelegt.

Bild 3: Die Serie SS4/ST4 von Samtec ist zur Signalübertragung mit seriellen Geschwindigkeiten über 28 GBit/s für beispielsweise 100 GBit-Ethernet-Signale ausgelegt. Avnet Abacus

Gute Signalintegrität bei höchsten Datenraten

Für eine gute Signalintegrität als wichtigster Leistungsaspekt ist die Razor-Beam LP-Serie von Samtec eine mögliche Steckverbinderlösung. Sie ist Teil einer Entwicklung, die serielle Geschwindigkeiten von 28 GBit/s und mehr unterstützt und in modernen Standards sowie dem Optical Internetworking Forum (OIF) und 100 Gigabit Ethernet (100 GbE) mit seriellen Kanälen zwischen 19 und 28 GBit/s zu finden ist. Die Entwicklung von Steckverbindungen für diese Geschwindigkeiten stellt die Hersteller vor besondere Herausforderungen. Der Frequenzgehalt der Signale kann bis zu 50 GHz betragen, sodass ein Mikrowellenkanal unbedingt erforderlich ist.

Die Razor-Beam-LP-Serie von Samtec umfasst die Steckverbindung SS4/ST4 mit einem Rastermaß von 0,4 mm (Bild 3), die mit 20, 30 oder 40 Kontakten erhältlich ist. Die Einfügungsdämpfung beträgt 3 dB bei 13,5 GHz mit 27 GBit/s in Single-Ended-Signalübertragung oder 15,5 GHz / 31 GBit/s bei differenzieller Signalübertragung. Die Anschlusshöhe der SS4/ST4 beträgt 4 mm und dank einer Breite von 5 mm benötigt sie nur wenig Platinenplatz.

Bild 4: Die Board-to-FPC-Steckverbindung von TE Connectivity verfügt über einen EMI-Schirm aus Metall und ist weniger als ein Millimeter hoch.

Bild 4: Die Board-to-FPC-Steckverbindung von TE Connectivity verfügt über einen EMI-Schirm aus Metall und ist weniger als ein Millimeter hoch. Avnet Abacus

Geschirmte Highspeed-FPC-Steckverbinder

TE Connectivity bietet zwei Steckverbinderoptionen im 0,4-mm-Rastermaß an. Die Board-to-FPC-Steckverbindung (Bild 4) ist die erste mit einem integrierten EMI-Schirm (elektromagnetische Störungen) zum Schutz der Signale bei Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen.  Ein Buchsenstecker mit 0,5 mm Bauhöhe kontaktiert ein Standard-FPC mit 0,08 mm Dicke, welches von einem 0,3 mm dicken Halteblech aus Metall fixiert wird und gleichzeitig als EMI-Schirm fungiert. Der Schirm wird durch eine Feder gehalten und bietet eine sichtbare Hilfe zur Steckausrichtung. Das gesamte Bauteil ist mit einer Dicke von zirka 0,9 mm extrem flach.

Darüber hinaus bietet TE Connectivity herkömmlichere Board-to-Board-Steckverbindungen mit einem Rastermaß von 0,4 mm (Bild 5). Diese Steckverbindung überzeugt durch ein robustes Gehäuse, mehrere Kontaktpunkte und einen Selbstverriegelungsmechanismus, der den sicheren, festen Sitz der Steckverbindungen gewährleistet. Diese Steckverbindung erreich eine Bauhöhe von 0,7 mm und ist 2,5 mm breit.

Es geht noch kleiner

Bild 5: Die Board-to-Board-Steckverbindung im 0,4-mm-Rastermaß von TE Connectivity gewährleistet einen sicheren Anschluss.

Bild 5: Die Board-to-Board-Steckverbindung im 0,4-mm-Rastermaß von TE Connectivity gewährleistet einen sicheren Anschluss. Avnet Abacus

Wie diese Beispiele für Board-to-Board/Board-to-FPC-Steckverbindungen belegen, ist es durchaus möglich, sehr große Datenvolumen mit extrem hoher Geschwindigkeit durch einen äußerst begrenzten Raum zu übertragen. Obwohl das heutzutage verfügbare kleinste Rastermaß für Board-to-Board-Steckverbindungen 0,4 mm beträgt, drängt die Industrie immer stärker auf noch kleinere Rastermaße. Eine Reduzierung der Steckverbindung selbst um nur 0,1 mm bedeutet bereits um die 30 % weniger Platz auf der Leiterplatte, wodurch sich die Gesamtgröße eines Gerätes verringern lässt. TE Connectivity hat bereits eine Version mit einem Rastermaß von 0,35 mm angekündigt, Mit fortschreitender Technik werden auch andere Anbieter bald mit noch geringeren Rastermaßen folgen.