Um die Anforderungen möglichst vieler kompakter Anwendungen hinsichtlich Platzbedarf, Stromtragfähigkeit, EMV und Datenraten zu erfüllen, hat Erni Electronics mehrere Steckverbinderfamilien mit Rasterabständen von 0,8 bis 2,54 mm entwickelt (Bild 1). Mit unterschiedlichen Designs und ständigen Verbesserungen für die Fertigung adressiert der Hersteller die zunehmenden Herausforderungen vieler Branchen.

Bild 1: Ein umfassendes Portfolio an Finepitch-Steckverbindern (hier SMC-Steckverbinder) adressiert vielfältige Applikationen.

Bild 1: Ein umfassendes Portfolio an Finepitch-Steckverbindern (hier SMC-Steckverbinder) adressiert vielfältige Applikationen. Erni Electronics

Ein Beispiel dafür ist ein Kontaktprinzip, das das Stanzen aus relativ dickem Blech ohne Biegeprozess zulässt. Dadurch sind durchgehend große Querschnitte (niedriger ohmscher Widerstand) und große Abstrahlflächen realisierbar. Beides führt zu einer geringeren Eigenerwärmung und erhöht die Stromtragfähigkeit. Die Skalierung eines bewährten doppelschenkligen Federkontaktprinzips für Finepitch-Steckverbinder sorgt für gute HF-Eigenschaften und eine zuverlässige Kontaktsicherheit. Die doppelseitigen Federkontakte ermöglichen außerdem eine hohe Fangtoleranz beim Stecken.

Eckdaten

Die zweireihigen SMT-Finepitch-Steckverbinder der Microcon-Familie von Erni Electronics sind prädestiniert zur Entwicklung kompakter Anwendungen aus den Bereichen Industrie, Medizin- und Beleuchtungstechnik sowie Automobil- und Konsumerelektronik und erfordern trotz geringer Baugröße keine Kompromisse hinsichtlich Robustheit und Zuverlässigkeit. Besonderheiten und Eigenschaften der Microcon-Familie und weiterer Finepitch-Steckverbinder beschreibt dieser Beitrag.

Hermaphroditisches Design

Die Steckverbinder der Baureihe Microstac mit 0,8-mm-Rastermaß sind für die vollautomatische SMT-Bestückung konzipiert und in einem hermaphroditischen Design aufgebaut. Dies bedeutet, dass Stecker und Gegenstecker identisch sind und die sonst übliche Unterteilung in Messer- und Federleiste entfällt. Ein kippsicheres Kontaktdesign mit beidseitiger Auflage des Kontaktes auf der Leiterplatte verbessert die Standfestigkeit der Steckverbinder. Weitere Eigenschaften der Serie sind ein geringes Gewicht (0,18 g für die sechspolige Ausführung), exakte Koplanarität (<0,1 mm) und im Isolierkörper integrierte Saugflächen für die Vakuumpipetten der Bestückungsautomaten. Wegen des geringen Gewichts und der miniaturisierten Baugröße lassen sich die Steckverbinder mit Highspeed-Automaten bestücken (Bild 2).

Hochtemperaturfeste Isolierkörper und die exakte Koplanarität der Kontakte gewährleisten ein sicheres Löten mit allen gängigen SMT-Lötverfahren. Ein schwarzer Isolierkörper unterstützt eine einfache visuelle Erkennung bei der automatischen Bestückung. In der antistatischen Gurtverpackung sind die Kontakte der Microstac-Steckverbinder geschützt. Die Steckverbinder lassen sich automatisch dem für sie vorgesehenen Platz auf der Leiterplatte zuführen.

Bild 2: Hermaphroditische Steckverbinder im 0,8-mm-Raster eignen sich zur Verarbeitung mit Highspeed-Automaten.

Bild 2: Hermaphroditische Steckverbinder im 0,8-mm-Raster eignen sich zur Verarbeitung mit Highspeed-Automaten. Erni Electronics

Trotz der kleinen Bauform (die sechspolige Ausführung misst 7,16 mm bei einer Bauhöhe von 3,95 mm) erreichen die Steckverbinder eine relativ hohe Strombelastbarkeit, denn das Kontaktprinzip lässt das Stanzen aus dickem Blech ohne Biegeprozess zu. Bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C und Bestromung aller Kontakte ermöglichen die Steckverbinder 1,6 A pro Kontakt (50-polige Version, nach IEC60512, Test 5b).

Kompakt und HF-tauglich

Bei entsprechender Design-Auslegung können Finepitch-Steckverbinder im Raster 1,27 mm (SMC-Steckverbinder) massebezogene Signale auch mit Datenraten bis 3 GBit/s sicher übertragen. Die wesentlichen Design-Kriterien sind dabei ein doppelseitiges Federkontaktprinzip für gute HF-Eigenschaften und zuverlässige Kontaktsicherheit, ein hochtemperaturbeständiger Isolierkörper mit Polarisierung und Einführschräge, eine große Überstecksicherheit sowie die SMT-Anschlusstechnik. Dabei werden die zwei SMT-Befestigungswinkel beim SMT-Lötprozess einfach mit verlötet, sodass kein Arbeitsgang für das Befestigungszubehör wie zum Beispiel Nieten anfällt. Die Metallwinkel der Serie absorbieren die Steck- und Ziehkräfte des Gegen- oder Kabelsteckers.

Bei der Systemanalyse müssen Entwickler verstärkt auch die Hochfrequenzparameter der Steckverbinder berücksichtigen. Dazu zählen Kapazität, Induktivität, Wellenwiderstand (Impedanz), Signallaufzeit, Laufzeitdifferenz, Reflektionsverhalten, Phasenverschiebung, Übersprechen und Schirmdämpfung. Ein wesentliches Kriterium für ein gutes HF-Verhalten ist ein weitgehend konstanter Impedanzverlauf ohne Sprünge. Hier fließen insbesondere die Konstruktion und Geometrie der Kontakte und die Auslegung des Layouts (möglichst ohne Durchkontaktierungen) mit ein.

Bild 3: Das Federkontaktprinzip hat Erni über Jahre hinweg erfolgreich weiterentwickelt und für immer kleinere Raster skaliert.

Bild 3: Das Federkontaktprinzip hat Erni über Jahre hinweg erfolgreich weiterentwickelt und für immer kleinere Raster skaliert. Erni Electronics

Für eine variable Baugruppengestaltung ist die Möglichkeit, die Abstände zwischen Leiterplatten unterschiedlich gestalten zu können, oft wünschenswert. Dazu sind Steckverbinder mit verschiedenen Bauhöhen erforderlich. Eine Kombination aus Standard- und Low-Profile-Ausführungen ermöglicht unterschiedliche Stapelhöhen.

Hohe Stromtragfähigkeit und sicheres Stecken

Bei der zweireihigen Microcon-Baureihe mit 0,8-mm-Rastermaß müssen Entwickler trotz der geringen Baugröße – die 50-polige Messerleiste misst 24,2 mm × 4,7 mm mit verschiedenen Bauhöhen – keine Kompromisse hinsichtlich Robustheit und Zuverlässigkeit eingehen. Deshalb haben die Messerleisten schon in der Basisausführung eine verstärkte Außenwand. Außerdem sorgt neben der Kodierung eine Blind-Mate-Vorführung mit vergrößertem Fangbereich für ein sicheres Stecken. Auch die Steckverbinder in dieser kleinen Baugröße profitieren von den doppelschenkligen Federkontakten. Das patentierte Federkontaktprinzip wurde über Jahre hinweg erfolgreich weiterentwickelt und für immer kleinere Raster skaliert (Bild 3).

Doppelschenklige Federkontakte bieten nicht nur Vorteile im Hinblick auf das HF-Verhalten, sondern auch hinsichtlich der Fangtolerenz. Mezzanine- beziehungsweise Finepitch-Steckverbinder mit einschenkligen Kontakten können gelegentlich zu Toleranzproblemen beim Stecken führen. Trotz ihrer kleinen Bauform weisen die Microcon-Steckverbinder eine große Fangtoleranz beim Stecken mit einem zulässigen Mittenversatz in Längsrichtung von ±0,7 mm und in Querrichtung von ±0,5 mm auf. Der Winkelversatz beträgt ±4 Grad.

Bild 4: Gedrehter Kontakt ermöglicht das Stecken auf der gewalzten glatten Oberfläche. Dies sorgt für hohe Kontaktsicherheit und Stromtragfähigkeit.

Bild 4: Gedrehter Kontakt ermöglicht das Stecken auf der gewalzten glatten Oberfläche. Dies sorgt für hohe Kontaktsicherheit und Stromtragfähigkeit. Erni Electronics

Die Kontakte, wie sie beispielsweise bei der SMC- und der Microcon-Familie vorhanden sind, bieten ein weiteres spezielles Qualitätsmerkmal. Viele Hersteller stecken die Bauteile auf der rauen Stanzkante. Aufgrund der rauen Oberfläche ist die Stromtragfähigkeit jedoch nicht optimal und die Anzahl der Steckzyklen minimiert. Im Gegensatz dazu werden bei den genannten Familien die Kontakte zwar ebenfalls gestanzt, aber die Kontakttulpe um 90° gedreht (Bild 4). So kann das Stecken auf der gewalzten glatten Oberfläche erfolgen, woraus eine hohe Kontaktsicherheit und Stromtragfähigkeit resultiert. Dieses Verfahren ist im Bezug auf die Stanztechnik sehr anspruchsvoll und erfordert entsprechende Expertise.

Optimierte Stromtragfähigkeit

Bei Leiterplatten- oder I/O-Steckverbindern bleibt die grundsätzliche Problematik bei der Stromzuführung in modernen Systemen gleich. Bedingt durch die steigenden Anforderungen und die zunehmende Miniaturisierung müssen die für die Stromversorgung eingesetzten Steckverbinder zwei gegensätzliche Anforderungen erfüllen – höhere Leistung bei immer kompakterem Design. Die damit verbundenen Herausforderungen lassen sich durch entsprechend ausgelegte Steckverbinder und ein optimiertes Leiterplattenlayout adressieren.

Bild 5: Lastminderungskurven für einen 1,27-mm-SMC-Steckverbinder bei verschiedenen Leiterplattenlayouts beziehungsweise Kontaktmateralien.

Bild 5: Lastminderungskurven für einen 1,27-mm-SMC-Steckverbinder bei verschiedenen Leiterplattenlayouts beziehungsweise Kontaktmateralien. Erni Electronics

Für eine höhere Stromtragfähigkeit beziehungsweise zur Verbesserung des thermischen Verhaltens lassen sich das Stecker-Design und die Leiterplatte entsprechend ändern (Bild 5). Bei Steckverbindern bieten Materialien mit speziellen thermischen und elektrischen Eigenschaften, konvexe Kontaktformen, kleine Kontaktflächen, hohe spezifische Kontaktkräfte (Hertz-Kontaktstress), glatte Oberflächen sowie ein leistungsfähiges Finish Vorteile. Verbesserte Leiterplattenstrukturen lassen sich mit Multilayern, stärkeren Kupferschichten für die stromführenden Leiterbahnen, dünnen Isolationsschichten für eine bessere Wärmeabfuhr, 90 % Kupfer auf allen Layern und thermische Vias erreichen. Zu beachten ist jedoch, dass jede Applikation andere Anforderungen stellt und für sich zu betrachten ist.