Industrie-Steckverbinder-Report: Klein, leistungsfähig, robust und modular

Die wesentliche Herausforderung für jeden Steckverbinder-Hersteller ist die Erfüllung maximaler technischer Leistungen bei kleinster Baugröße. Im Industriebereich heißt Leistungsfähigkeit vor allem höhere Datenübertragungsraten. Starke Triebkräfte dafür sind die Automatisierungstechnik und speziell auch Industrie 4.0; diesen Trend sehen die hier befragten Steckverbinder-Herstellern ganz überwiegend so. Ein weiterer Trend ist die zunehmende Modularisierung von Steckverbindern, die mit verschiedenen Einsätzen, Kontakten, Rahmen und Gehäusen unterschiedlichsten Kundenanforderungen gerecht werden können. Die Robustheit der Steckverbinder wird zwar nicht allseits betont, wohl weil ein Stecker grundsätzlich mehr oder weniger viele Steckzyklen aushalten muss. Aber Robustheit hat überall dort eine besondere Bedeutung, wo die Umgebungsbedingungen wenig komfortabel sind, wie in Maschinen- und Produktionsanlagen, da heißt Robustheit erhöhte Temperaturen, Feuchtigkeit, Vibrationen.

Allgemeine Trends in der Entwicklung

Der große Elektrotechnik-Hersteller Phoenix Contact aus Blomberg sieht die Steckverbinder-Entwicklung von weiteren Bedürfnissen geprägt: „Die Gerätehersteller setzen auf eine Anschlusstechnik, die prozesssicher zu montieren und schnell zu verdrahten ist, mit der hohe Leistungen, Datenraten und Signale sicher übertragen werden können und die in unterschiedlichen Applikationen eingesetzt werden kann“, erklärt Franz-Josef Niebur, Leiter Produktmarketing bei den Pluscon Field Device Connectors von Phoenix Contact. Als Beispiele dafür führt er die jüngst entwickelten Leiterplatten-Steckverbinder (Bild 1), Hochstrom-Durchführungsklemmen und Hybridsteckverbinder von M12 bis M40 an.

Der US-amerikanische Hersteller Samtec, der sich auf Leiterplatten-Steckverbinder (Bild 2) und Spezialkabel konzentriert, betrachtet die Marktentwicklung industrie- und länderspezifisch: „In Deutschland, wo unser industrielles Umfeld von der Automatisierung, dem Maschinenbau sowie der Automotive-Industrie beeinflusst wird, sehen wir einen eindeutigen Trend hin zur Standardisierung“, sagt Ringo Krumm, Territory Manager DACH & Eastern Europe bei Samtec Europe in Germering. Dabei gehe es nicht immer nur um den standardisierten Formfaktor, sondern vor allen um die Konformität der marktspezifischen Normen (Automotive, Bahn, Aviation) sowie um Qualitätsanforderungen (Langlebigkeit) und Übertragungsprotokolle, präzisiert Krumm. Performance hingegen ist nach seinen Worten „in Europa oft noch nicht so ausschlaggebend, wohingegen Datenübertragungsraten und Signalintegrität in den von High-Tech und Innovation geprägten Märkten in Nordamerika zum Beispiel deutlich im Vordergrund stehen“.

Bild 2: Das Firefly-Steckverbindersystem von Samtec ermöglicht Verbindungen zwischen Chips, Leiterplatten und Systemen bei Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 28 Gbit/s. Samtec

Fischer Elektronik aus Lüdenscheid, ein Hersteller von Kühlkörpern, Gehäusen und Steckverbindern, betrachtet speziell Leiterplatten-Steckverbinder (Bild 3): „Aus unserer Sicht und Erfahrung geht die Entwicklung in diesem Marktsegment zu kleineren Rastern wie 1,27 und 2,00 Millimeter“, berichtet Gerhard Brüser aus der Entwicklungsabteilung des Unternehmens. Ein weiterer Trend ist nach seinen Worten die automatische Bestückung von Steckverbindern, in der Regel in Richtung SMT-Löttechnik, aber auch bei der Durchstecktechnik (THT/THR-Verfahren). Und: „Ein immer wichtiger werdendes Kriterium für eine Kaufentscheidung ist ein konkurrenzfähiger Preis“, sagt Brüser.

Iriso Electronics Europe, ein japanischer Hersteller von Leiterplatten-Steckverbindern (Bild 4), hat festgestellt, dass Anwendungen aus dem Consumer- und Automotive-Bereich verstärkt im industriellen Umfeld eingesetzt werden. „Damit lassen sich erprobte und zuverlässige Steckverbinder-Systeme neu platzieren“, unterstreicht Rolf Aichele, Geschäftsführer der deutschen Niederlassung in Stuttgart.

Vom Einzelkontakt zum Leadframe

Der US-amerikanische Hersteller Molex, einer der großen, international agierenden Anbieter der Steckverbinder-Branche, formuliert, welche fertigungstechnischen Konsequenzen sich aus dem Trend zur Miniaturisierung und höheren Datenraten ergeben: „Die geforderte Kontaktdichte erfordert immer präzisere Konstruktionen“, erklärt Herbert Endres, Director of Technology Marketing von Molex in Walldorf. „Diese können nicht mehr durch Einzelkontakte in einem Gehäuse realisiert werden, sondern mit einem als Leadframe gestanztem Kontaktträger, der anschließend partiell veredelt und umspritzt wird. Diese sogenannten Wafer werden dann je nach Anforderung vertikal oder horizontal gestapelt und mit Schirmung beziehungsweise Gehäusen versehen und ergeben eine Steckverbinderhälfte.“ Dies gelte sowohl bei Backplane-Verbindern (Impact oder Impel) als auch für Ein-/Ausgabeverbinder (USB-C), sagt Endres. „Andererseits werden bei Leistungssteckverbindern mit Stromstärken größer fünf Ampere zuverlässigere Federkontaktsysteme mit Vielfachkontaktgabe entwickelt“, fährt er fort und verweist dabei auf die Steckverbinder-Baureihen Nano-Fit (Bild 5) und Mega-Fit.

Der mit mehr als 1600 Mitarbeitern verhältnismäßig große deutsche Hersteller ODU aus Mühldorf am Inn bestätigt auch die beiden Dauertrends zur Miniaturisierung beziehungsweise mehr Funktionalität auf weniger Raum und höheren Datenübertragungsraten (Bild 6). Thomas Irl, Geschäftsleiter Vertrieb Europa, stellt ergänzend fest: „Dabei müssen alle Produkte trotz gesteigerter Funktionalität in kürzeren Entwicklungszeiten realisiert werden und unterliegen einem steigenden Druck was Design-to-Cost anbelangt.“ Auf diese Herausforderung sei das Unternehmen bestens eingestellt.

Bild 3: Leiterplattensteckverbinder von Fischer Elektronik. Die Raster 2,0 mm und 1,27 mm gewinnen neben dem Standardraster von 2,54 mm stetig an Bedeutung. Fischer Elektronik

Für den japanischen Steckverbinder-Hersteller Yamaichi (Bild 7) ist Industrie 4.0 ein treibendes Element. „Grundsätzlich wächst der Bedarf“, erläutert Manuela Gutmann, Division-Managerin Connector Solutions von Yamaichi Europe mit Sitz nahe bei München. „Dabei werden IP-Schutz und Datenraten zentrale Themen bleiben.“ Außerdem wächst der Bedarf bei hybriden Steckverbindern, die Leistung, Signale und Daten kombiniert übertragen, sagt Gutmann. Und noch eine Entwicklung hat sie ausgemacht: „Auch für Produktionsprozesse wird die drahtlose Kommunikation zunehmend interessanter. Und auch die Frage nach dem intelligenten Steckverbinder ist weiterhin ein zentrales Element.“

Ethernet und Störstrahlung

Der mittelständische Hersteller Inotec-Electronics aus Lauffen am Neckar ist ein Nischenanbieter, der sich ganz auf störstrahlsichere Steckverbinder wie etwa die die klassischen Schnittststellen Sub-D und M12 konzentriert, und aus dieser Perspektive den Markt betrachtet: „Die zunehmende Belastung elektronischer Schaltungen durch drahtlose Datenübertragung wie WLAN oder RFID und Funkkommunikation wie Mobilfunknetze stellt das industrielle Umfeld, aber auch das Transportwesen, vor große Herausforderungen“, sagt Martin Danielczick, Geschäftsführer des Unternehmens. „Mit der zunehmenden Übertragungsgeschwindigkeit wie zum Beispiel bei Fast Ethernet oder Gigabit-Ethernet ist die Empfindlichkeit gegen Störstrahlungseinflüsse gestiegen. Eine vollmetallische Schirmung und eine niederohmige Schirmanbindung sind hier nach wie vor der effizienteste Schutz dieser Steckverbindungen.“ Darüber hinaus sieht Danielczick einen zunehmenden Bedarf an frei konfektionierbaren Sonderlösungen. Mit der Umstellung bestehender Infrastrukturen auf neue Kommunikationstechniken werden auch Steckverbinder mit zusätzlichen Funktionen gesucht, etwa mit integriertem Impedanzwandler.

Für den deutschen Steckverbinder-Hersteller Harting (Bild 8) aus Espelkamp, mit etwa 4200 Mitarbeitern ein Schwergewicht hierzulande, sieht Frank Quast, Leiter Produktmanagement bei Harting Electric, zwei wesentliche Entwicklungslinien bei den Industriesteckverbindern: „Erstens die Optimierung, das heißt die Packungsdichte von Kontakten steigt, das Handling wird einfacher und die Performance besser. Und zweitens die Implementierung neuer Funktionalitäten, etwa wenn Steckverbinder die Identifikation von Maschinenteilen und Komponenten ermöglichen, Abfragemöglichkeiten zur vorausschauenden Instandhaltung erlauben oder Schnittstellenaufgaben in der Datenkommunikation übernehmen.

Franz Binder (Binder Connectors) in Neckarsulm, mit 1600 Mitarbeitern ein großer Hersteller von Rundsteckverbindern, bestätigt für diesen Typ von Steckverbindern den Trend zur Miniaturisierung. „Standardisierung sowie die Forderung nach immer höheren Datenübertragungsraten bestimmen zusätzlich das Anforderungsprofil“, sagt der Vertriebsleiter Werner Fröhlich. So kann man im Ergebnis feststellen, „dass sich für die unterschiedlichsten Anwendungsfelder verstärkt die M12- und M8-Stecker durchsetzen“.

Stecker-Komponenten und Telekommunikation

Bild 4: Für das sichere Stecken von FFC/FPC-Leitern hat Iriso Electronics eine Verbinderserie entwickelt, bei der das Flachbandkabel im Steckprozess automatisch eingerastet wird. Iriso Electronics

Der Bauelemente-Distributor WDI aus Wedel ist kein Steckverbinder-Hersteller, sondern vertreibt unter anderem präzisionsgedrehte Komponenten zum Bau von Steckverbindern, sprich von Kontaktstiften und Präzisionsbuchsen sowie Federkontakten des US-Herstellers Mill-Max. „Diese Produkte werden zum Einen verwendet, um individuelle Stecker herzustellen, zum Anderen zur direkten und individuellen Verbindung von Leiterplatten sowie zum Steckbarmachen von Bauteilen und Komponenten“, erklärt Falko Ladiges, Produktmarketing Pemco bei WDI. „Insbesondere die Blindkontaktierung ohne Gegenstecker mithilfe von einzelnen Federkontakten und Federkontaktmodulen erfreut sich immer größerer Beliebtheit und ist prädestiniert für Anwendungen, in denen durch Schock oder Vibration keine starren Steckverbinder-Lösungen möglich sind.“ Im Übrigen variieren die Produktspezifikationen – mechanisch, elektrisch oder thermisch – je nach Anwendungsfeld wie beispielsweise Outdoor, Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie oder nach der industriellen Anwendung.

Bild 5: Leistungssteckverbinder Nano-Fit von Molex im 2,50-mm-Raster haben eine vollständig geschützte Stiftleiste und zeichnen sich durch höchste Stromdichte auf der Leiterplatte aus. Molex

Cobinet, ein mittelständischer Steckverbinder-Hersteller aus Heddesheim nahe Mannheim, ist stark auf den Telekommunikationmarkt fixiert. Dort geht der Trend zu höheren Übertragungsgeschwindigkeiten und schnellen Kupfer-Verbindungen (40 GBase-T, 100 GBase-T) mit den passenden Kabel-Kategorien (Kategorie 8). Laut Uwe König, Geschäftsführer des mittelständischen Unternehmens, wird „derzeit bei kabelbasierten Steckverbindern an Übertragungsraten von bis zu 40 Gigabit pro Sekunde gearbeitet und bei LWL-Verkabelung in Paralleloptik mit Geschwindigkeiten bis zu 400 Gigabit pro Sekunde“. Aufgrund der zu erwartenden hohen Kosten wird in den meisten Fällen statt Fibre-to-the-home das bereits im Haus verlegte Kupferkabel spätestens ab dem Glasfaseranschlusspunkt im Haus (FTTB- Fibre-to-the-building) weiter genutzt.

Miniaturisierung ohne Ende?

André Beneke vom ZVEI sieht die generelle Entwicklung so: „Das Streben nach mehr Effizienz in der Industrieproduktion führt in der Elektrotechnik zu immer kleineren, komplexeren und intelligenteren Systemen. Ermöglicht wird dies durch Digitalisierung, durch leistungsfähigere Prozessoren und Speicherelemente sowie die Vernetzung und Steuerung per Mikrosystem und/oder Internet. Voraussetzung für das Gelingen der Miniaturisierung sind Schnittstellen, die das Miteinander der Systeme ermöglichen.“

Bild 6: AMC High-Density-Steckverbinder von ODU. Den zwei- bis 40-poligen Steckverbinder gibt es in vier Baugrößen mit Durchmessern von weniger als 10 bis zu 18,5 mm. ODU

„Mehr Funktionen im Steckverbinder bei gleicher Baugröße – Thema Hybrid – sowie schrumpfende Bauform bei gleichem Funktionsumfang“, so sieht Franz-Josef Niebur von Phoenix Contact den wesentlichen Trend bei den Steckverbinder-Bauformen für die Industrie. Bei den Steckverbindungssystemen für Ethernet und Bussysteme in Industrieumgebungen werden nach seiner Einschätzung „RJ45 und M12 auch künftig den Markt dominieren“. Die verfügbaren Steckverbinder werden für die nächst höhere Datenübertragungsrate ertüchtigt. Niebur weiter: „Die Miniaturisierung zeigt sich auch bei M8 – dort geht es in Richtung 100-MBit-Übertragung – und auch die 1-GBit-Übertragung wird hier kommen. Am anderen Ende, etwa für Industrie 4.0, werden künftig Datenraten bis 100 GBit gefordert. Aber auch der Wunsch nach robusten Steckverbindern ist in Teilbereichen ein Trend.

Bei ODU sieht der Vertriebsgeschäftsleiter für Europa, Thomas Irl, die Entwicklung bei den Baugrößen sehr ähnlich wie Phoenix Contact, weist aber zusätzlich darauf hin, dass alle Produkte trotz gesteigerter Funktionalität in kürzeren Entwicklungszeiten realisiert werden müssen und stellt einem steigenden Druck fest, was Design-to-Cost anbelangt.

Bild 7: Die Push-Pull-Steckverbinder der Serie Y-Circ P von Yamaichi Electronics sind EMV-geschirmt und mit 2 bis 30 Polen in vier Baugrößen von 9 bis 18 mm verfügbar. Yamaichi Electronics

Yamaichi (Bild 7) betont vor allem den Trend zu robusten Lösungen in der Industrie-Elektronik, auch wenn Handheld-Geräte und die weitere Integration von Sensorik in diesem Bereich eine Reduzierung der Baugröße fordern. „Bei Themen wie Qualität, Langlebigkeit, Temperaturverhalten, muss ein miniaturisiertes System nicht zwangsläufig schlechtere Eigenschaften aufweisen – mit entsprechendem Know-how in Design und Materialauswahl sind diese Anforderungen beherrschbar. Allerdings sind miniaturisierten Systemen im Hinblick auf Robustheit Grenzen gesetzt sowie bezüglich der Polzahl aufgrund der begrenzten Luft- und Kriechstrecken und somit zum Teil auch den Signalverläufen“.

Im Hinblick auf die Baugrößen bei Kabel-Geräteverbindungen sieht Molex bei Steckverbindungen mit Kontaktrastern von 0,5 mm das „wirtschaftliche Ende der Fahnenstange“ unter der Voraussetzung, dass diese dann immer noch 10.000 Steckzyklen (mit einem erweiterten Übergangswiderstandsfenster von 50 Milliohm) im Consumer-Bereich erfüllen müssen. Im industriellen Umfeld wird diese Miniaturisierung nach Einschätzung von Molex nicht unbedingt erforderlich sein, dafür sind redundante Kontakte und Korrosionsbeständigkeit und lange Lebensdauer im erhöhten Temperaturbereich gefordert, was durch Konstruktion, bessere Federmaterialien und zuverlässige Veredelung mit Lubrikation erreicht wird.

Bild 8: Han 34 HPR-Steckverbinder von Harting in gewinkelter Form: links zur Leistungsübertragung mit 4 x 650 A, rechts 3 x 200 A Leistung sowie Daten. Harting

Steckverbinder für Leiterplatten

Bei Inotec-Electronics (Bild 9) spielt die Miniaturisierung eine untergeordnete Rolle, weil sich das Unternehmen primär auf Steckverbindersysteme für die Feldkonfektionierung konzentriert: „Hier sind der Miniaturisierung Grenzen gesetzt. Generell ist die Bauraumoptimierung aber auch im industriellen Design relevant.

Samtec betrachtet speziell die Board-to-Board-Lösungen. Hier gibt es, so sagt Ringo Krumm, im Bereich miniaturisierte Steckverbinder „bereits ein gutes Angebot am Markt in den Rastermaßen von 0,3 bis 0,6 Millimeter“. Dies sei für die meisten Kundenanforderungen ausreichend. Krumm weiter: „Schwerpunkt bei Entwicklung dieser Produkte ist immer die hohe Dichte der Signalkontakte. Das Kontaktdesign ist hierbei ausschlaggebend um ein Übersprechen der Signale auf engstem Raum zu vermeiden. Herausforderungen, die sich im Feld stellen, sind die deutlich geringeren Toleranzen welche bei Layout, Verarbeitung und Leiterplatten eingehalten werden müssen. Das Entflechten der Signale auf der Leiterplatte kann bei hochpoligen Steckverbindern in kleinen Rastermaßen sehr schwierig sein. Das damit verbundene Routing der Signale auf mehrlagigen Leiterplatten ebenso.“

Bild 9: Das M12-Steckverbindersystem von Inotec-Electronics ist für die freie Konfektionierung von Steckverbindungen mit besonders hohen Anforderungen an Robustheit und Störstrahlsicherheit entwickelt. Inotec-Electronics

Nach Beobachtungen von Fischer Elektronik geht der Trend bei Leiterplatten-Steckverbindern hin zu kleineren Rastern und damit einher eine höhere maßliche Qualitätsanforderung sowie höhere Temperaturbeständigkeit der Isolierkörper für SMT-Lötverfahren. Laut Iriso Electronics Europe – das Unternehmen ist stark auf Board-to-Board-Steckverbinder (B-t-B) fokussiert – wird durch die Miniaturisierung der Systeme auch ein entsprechender Toleranzausgleich immer wichtiger, um auf die mechanischen Herausforderungen zwischen den Leiterplatten zu reagieren. „Unser Toleranzausgleich schützt die empfindlichen Kontaktflächen vor mechanischer Belastung und Reibkorrosion“, sagt Geschäftsführer Rolf Aichele. Das Unternehmen hat inzwischen ein breites Portfolio an entsprechenden Steckverbindern im B-t-B–Bereich für die Raster 0,50 bis 2,00 mm entwickelt. Des Weiteren arbeitet Iriso an der Weiterentwcklung der toleranzausgleichenden B-t-B-Systeme hin zu Systemen, die zudem auch die Schwingungen der Platinen während des Betriebes aufnehmen können (Z-Move-Systeme).

Bild 10: Miniatur-Flanschsteckverbinder M16 von Franz Binder (Binder Connectors) gibt es zahlreichen Varianten in Schutzart IP40 oder IP67 Binder Connectors

Miniaturisierung stößt an Grenzen

Bei Harting kommt es vor allem darauf an, dass die steigende Packungsdichte nicht zu Lasten des Handlings und der Unempfindlichkeit gegenüber Störungen geht. Der Hersteller setzt deshalb auf technische Lösungen, die die Komplexität von Steckverbindungen reduzieren und die Montage vereinfachen, wie zum Beispiel bei dem Stecksystem Ha-VIS Prelink, bei dem sich ein universeller Anschlussblock prozesssicher auf eine Vielzahl passender Steckgesichter aufrasten lässt. Die Miniaturisierung liest sich bei Harting konkret so: Ein neuer Steckverbinder für den Leistungsbereich, Han 34 HPR Easycon, bietet auf einer Breite von 250 mm genug Platz für bis zu vier 650-A-Kontakte; bislang reichte der Bauraum in HPR-Gehäusen nur für drei 650 A-Kontakte. Im Signal-Bereich steigt die Packungsdichte. So kann das Han-DD-Quad-Modul beispielsweise bis zu 42 Han-D-Kontakte (10 A, 250 V) zur Übertragung von Signalen enthalten – also 25 % mehr als zuvor. Im Datenübertragungsbereich ersetzt das Format M8-D-kodiert zunehmend das Format M12-D-kodiert – der Durchmesser verringert sich, die Leistungsfähigkeit bleibt gleich.

Bild 11: Kontaktstifte und Präzisionsbuchsen von Mill Max, vertrieben vom Distributor WDI. Sie werden unter anderem als Komponenten für individuelle Steckverbinder und zur direkten und individuellen Verbindung von Leiterplatten eingesetzt. Mill Max/WDI

Der Rundsteckverbinder-Hersteller Binder (Bild 10) ist, was die Miniaturisierung anbelangt, „bereits an die Grenze des derzeit mechanisch Machbaren gegangen, beispielswesie beim M5-Steckverbinder“, meint Vertriebsleiter Fröhlich. „Ein Trend ist aber deutlich zu erkennen: höchstmögliche Daten-Übertragungsraten bei 360-Grad-Schirmung. Aber den einen Stecker, der für alle Anwendungsfelder geeignet ist, gibt es nicht, zumindest noch nicht.“

Für Falko Ladiges von WDI wird die Miniaturisierung vor allem durch immer kleiner und leistungsfähiger werdende portable Geräte voran getrieben (Bild 11). In Bezug auf immer höhere zu verarbeitende Datenraten in immer kleinerer Packdichte ist die Qualität durch eine gut geschirmte und sichere Verbindung von immer größerer Bedeutung, um die Signale störungsfrei zu übertragen. „Bei Leiterplatten sind Abstände im 0,8-Millimeter-Raster zwischen den Kontaktbuchsen realisierbar“, führt Ladiges aus. „Auch im Bereich der Federkontakte gibt es immer mehr Miniaturausführungen, die aktuell ein Raster von 1,27 Millimeter ermöglichen.“

Bild 12: Trennleiste LSA-TL, von Cobinet für British Telecom entwickelt. Die Trennleiste für Telekommunikationsnetze einschließlich Breitband ist wasserdicht und werkzeuglos beschaltbar. Cobinet

Speziell bei den RJ45-Steckkontakten (Bild 12) geht laut Uwe König von Cobinet „der Trend weg von Messing-Kontaktmaterialien zu vergoldeten federnden Edelstahlkontakten“. Eine Miniaturisierung werde derzeit nur bei den LSA-Anschlussleisten umgesetzt. Beispiel dafür ist die neue Anschlussleiste LSA-HD für Verteiler, Endverschlüsse und Kabelverzweiger in Telekommunikationsnetzen. Die Leiste ermöglicht eine Verdopplung der Anschlusskapazitäten für passive Komponenten bei gleichbleibendem Bauraum.