Entwicklungen bei Steckverbindern vermeiden Fehlausrichtungen

Eine Mezzanine-Karte oder Tochterplatine bietet eine praktische Möglichkeit, bestimmte Designziele zu erreichen. Das Stapeln einer Platine über einer anderen nutzt den verfügbaren Platz innerhalb des Gehäuses optimal, vereinfacht das Design der Hauptplatine, ermöglicht die Anpassung der Hardware an einen bestimmten Markt oder verbessert die Reparaturfreundlichkeit.

Unter den Optionen für die Signalübertragung zwischen beiden Baugruppen bietet ein Board-zu-Board-Steckverbinder eine schnelle, zuverlässige und jederzeit mechanisch robuste und korrekte Verbindung. Viele Optionen stehen zur Auswahl, darunter Steckverbinder mit kleiner Bauhöhe, die einen geringen Abstand ermöglichen, wenn eine niedrige Gesamthöhe Priorität hat – oder höhere Steckverbinder, um Platz für Komponenten auf der Hauptplatine zu schaffen oder eine Luftzirkulation zu ermöglichen.

Ein einzelner Steckverbinder kann das Design vereinfachen und die beiden Platinen lassen sich während der Produktfertigung leicht zusammenstecken. Wenn die Hauptplatine jedoch zu viele Komponenten oder nicht genügend Lagen enthält, um alle erforderlichen Signale über einen einzelnen Steckverbinder zu leiten, können zwei oder mehr Steckverbinder erforderlich sein. Alternativ können Probleme mit der Signalintegrität zwei Steckverbinder vorschreiben, um digitale Signale von analogen Signalen zu trennen oder um sicherzustellen, dass Differenzsignale optimal angeordnet sind.

Platzierungsgenauigkeit

Wird mehr als ein Steckverbinder benötigt, erschwert sich das Zusammenstecken, da beide Teile jedes Steckverbinders korrekt ausgerichtet werden müssen, sobald die Platinen zusammengebracht werden (Bild 1).

Die Steckverbinder sind oft klein, mit einem Kontaktabstand von unter 1 mm, und werden aufgrund der Effizienz und Genauigkeit im selben automatisierten Prozess montiert, der auch für die Bestückung der Platinen mit SMD-Bauelementen genutzt wird. Obwohl schnelle Inline-Bestückungssysteme sehr präzise arbeiten, können sich kleine Fehler summieren. Das Datenblatt einer erstklassigen Maschine kann eine Positionsgenauigkeit von ±0,035 mm angeben. Siebdruckmaschinen können Lötpaste innerhalb von ±0,08 mm auftragen. Auch Fertigungstoleranzen können bei der Leiterplattenherstellung die Lötpad-Positionen beeinflussen, und es besteht die Möglichkeit, dass sich Teile während des Lötens bewegen.

Im schlimmsten Fall können sich die Fehler über die vier zusammenpassenden Hälften zweier separater Steckverbinder ansammeln und Spannungskräfte auf die Steckverbindergehäuse und Lötstellen ausüben. Dies kann zu einem schlechten elektrischen Kontakt und Bruch des Steckerkörpers oder der Lötstelle führen. Ein Ausfall der Einheit bei der Endkontrolle oder im Feld wäre dann die Folge.

Steckverbinder berücksichtigen Ausrichtungstoleranzen

Eine Möglichkeit, diese Probleme zu umgehen und präzise ausgerichtetes Zusammenfügen, ohne potenziell schädliche mechanische Beanspruchung zu gewährleisten, ist der „schwimmende“ (Floating) Steckverbinder. Indem er die x-, y- und z-Bewegung des Kontaktsatzes zulässt, gleicht er Fehlausrichtungen aus. Damit verringert sich die Notwendigkeit, absolute Positionsgenauigkeit beim Zusammenfügen von Platinen mit mehreren Steckverbindern zu erzielen.

Ein Beispiel ist die Flecto-Reihe von Harwin. Diese mit kleinem Anschlussraster versehenen (Fine-Pitch-) Board-zu-Board-Steckverbinder sind mit bis zu 160 Pins im symmetrischen Doppelreihen-Layout erhältlich. Die Floating-Unterbaugruppe der Steckverbinder lässt sie in jeder Achse um bis zu ±0,8 mm von der Mittellinie des Steckverbinders bewegen.

Bei der Entwicklung von Floating-Steckverbindern muss eine ordnungsgemäße Verbindung beim ersten Zusammenstecken gewährleistet sein, genauso wie der konsistente und kontinuierliche elektrische Kontakt zwischen den einzelnen Verbindungen. Dafür sind die Kontakte auf der Steckerseite des Flecto-Steckverbinders biegsam gestaltet, und die Gehäuse sind an den Kontakten aufgehängt. So können die mechanischen und elektrischen Funktionen beim Zusammenstecken beider Teile vollständig ineinander greifen. Die Federwirkung des Aufhängungsmechanismus sorgt für elektrische Integrität, indem sie Stöße und Vibrationen absorbiert und so sicherstellt, dass die Verbindungen kontinuierlich in Kontakt bleiben.

Die Steckabschnitte sind so konzipiert, dass sie sich biegen, um Ausrichtungsfehler auszugleichen. Gleichzeitig stellen Positionierstifte im Steckverbindergehäuse die allgemeine Positionsgenauigkeit sicher, sobald sie in die entsprechenden Löcher der Leiterplatte eingesetzt werden. Steckverbinder sind mit einem Rastermaß von 0,5; 0,63 und 0,8 mm erhältlich, einschließlich einer Serie, die Signalpins im Rastermaß 0,5 mm mit 3A-Stromkontakten kombiniert. Die Stromkontakte unterstützen Blindstecken, und durchkontaktierbare Lötstifte sorgen für zusätzliche Positionsgenauigkeit und mechanische Festigkeit. Die reinen Signalsteckverbinder der Serie sind mit zusätzlichen SMD-Abhebesicherungen für hohe Haftfestigkeit ausgestattet.

Hohe Datenraten unterstützen

Um die Nachfrage nach immer höheren Datenraten in Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsanwendungen zu decken, werden Steckverbinder auf Einfüge-, Rückflussdämpfung, Impedanz und Nahnebensprechen (NEXT; Near End Crosstalk) getestet. Mit einem NEXT von -40 dB oder besser über einen breiten Frequenzbereich und mit geringer Einfüge- und Rückflussdämpfung bedient Flecto Anwendungen wie maschinelles Sehen, medizinische Bildgebung und Elektrofahrzeuge. Die Steckverbinder der Serie F20 (Bild 3a/b) unterstützen dabei Datenübertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 12 GBit/s.

Fazit

Gestapelte Leiterplatten zu verbinden, verlangt hohe Genauigkeit, wenn mehr als ein Board-zu-Board-Steckverbinder erforderlich ist. Floating-Steckverbinder verringern die Anforderungen an die absolute Positionsgenauigkeit und garantieren Zuverlässigkeit sowie Signalintegrität für zahlreiche Anwendungen in den Bereichen Industrie, Medizintechnik und Elektrofahrzeuge. (neu)