Neue Dimension der Miniaturisierung

Die Autoren Bömmel und Jetter waren maßgeblich an der Entwicklung und Patentierung der Steckverbinderreihe NanoMQS beteiligt.TE Connectivity

Seit langem geht die Entwicklung bei den elektronischen Funktionsumfängen im Fahrzeug nur in eine Richtung: aufwärts. TE Connectivity begleitet diesen Markt seit Jahrzehnten und setzt Anforderungen an elektrische Schnittstellen in neue Steckverbinderkonzepte um. So fiel 2009 die Entscheidung, den nächsten Schritt bei der Miniaturisierung vorwegzunehmen. Zu diesem Zeitpunkt war die – ebenfalls von TE Connectivity entwickelte – MQS Steckverbinderreihe in Europa unverändert die Größenordnung der Wahl für kompakte automobile Steckverbinder, aber der nächste Schritt war absehbar.

Bereits vor geraumer Zeit begann bei TE Connectivity mit der Entwicklung einer neuen Steckverbinderreihe, die den Platzbedarf gegenüber der MQS-Reihe – einem Standard des VDA-Arbeitskreises – halbieren sollte. Dieses neue NanoMQS-Baukastensystem für Drahtquerschnitte bis hinab zu 0,13 mm² wurde gezielt unter drei Vorgaben entwickelt: Erstens sollte es Leichtbaumaßnahmen im Kabelbaum ermöglichen. Zweitens sollte es bei minimalen Bauraumanforderungen eine höhere Packungsdichte erlauben, und drittens musste es vollautomatisch verarbeitbar sein. Auf der Productronica 2009 war die Steckverbinderreihe NanoMQS samt der Verarbeitungsmaschine 2009 erstmals zu sehen. Obwohl die Steckverbinderserie NanoMQS eine wegweisende Crimp-Anschlusstechnik ist, war die Reaktion der Automobilbranche zunächst verhalten. Die ersten gedichteten Applikationen erfolgten im Motorrad und bei Elektrofahrrädern. Inzwischen jedoch nutzen OEM NanoMQS-Steckverbinder in rapide zunehmendem Umfang, um den wachsenden elektronischen Funktionsumfang im Auto unterzubringen.

Nahezu halbierter Platzbedarf bei der Steckverbindung

Das Herzstück der NanoMQS-Reihe ist der Crimp-Buchsenkontakt für Kontaktmesser mit 0,5 x 0,4 mm²  Querschnitt. Der Buchsenkontakt ist in zwei Ausführungen für Leitungen mit 0,13 mm² bis zu 0,22 mm² sowie für „größere“ Leitungen mit 0,35 mm² verfügbar. Welche Packungsdichte das NanoMQS-Steckverbindungssystem erlaubt, zeigt der nominale Pitch: Von Pin zu Pin liegt er bei nur noch 1,8 mm. Zwischen den Pin-Reihen beträgt der Abstand sogar nur 1,5 mm (Bild 1). Damit handelt es sich hierbei um die kleinsten derzeit am Markt verfügbaren Abmessungen für ein automobiles Steckverbindersystem mit bis zu 32 Polen pro Standardstecker.

Bild 1: Mit seinem nominalen Pitch von 1,8 mm (Pin zu Pin) und einem Reihenabstand von nur 1,5 mm erlaubt die Steckverbinderreihe NanoMQS einen weiteren Schritt bei der Miniaturisierung.TE Connectivity

Wie exakt die frühzeitige Entwicklung der NanoMQS-Reihe heutige Anforderungen vorweg nahm, kann man daran ablesen, dass sich die Nachfrage auf hochpolige Schnittstellen für Leitungen mit 0,17 mm² konzentriert. Hier eröffnet das Steckverbindersystem NanoMQS eine völlig neue Dimension der Miniaturisierung. Bild 2 stellt als Beispiel das Bauraumvolumen einer MQS-Stiftleiste der entsprechenden NanoMQS-Ausführung gleicher Pinzahl gegenüber.

Die zugehörigen generischen NanoMQS-Stiftleisten und Buchsengehäuse mit einer Orientierung von 180° und 90° gibt es wahlweise als anreihbare Top-Latch-Ausführung (TL) mit Verrast-Element auf der Oberseite sowie als Side-Latch-Ausführung (SL) mit seitlicher Verrastung. Sie bestehen aus einem hochwertigen Thermoplast und sind in der TL-Version mit bis zu 32 Positionen als Standardteile lieferbar. Die SL-Ausführung ist mit bis zu 20 Positionen erhältlich. Sie eignet sich vor allem für Stand-Alone-Schnittstellen.

Robustes und vibrationsfestes Design

In der Standardausführung aus verzinntem Kupfer ist das NanoMQS-Terminal für Betriebstemperaturen von -40 °C bis 105 °C und Ströme bis 3 A ausgelegt. Eine versilberte Ausführung erweitert diesen Bereich bei Bedarf auf bis zu 170 °C. Im gesteckten Zustand etabliert der Buchsenkontakt über eine robuste L-förmige Feder zwei elektrische Kontaktpunkte mit hoher Kontaktkraft zum Messer. Zu den weiteren Qualitätsmerkmalen der polarisierten Buchsenkontakte gehört ihre geschlossene Kontaktkammer. In Verbindung mit verhältnismäßig großen Einführschrägen am Gehäuse verhindert dieses Design Kontaktbeschädigungen beim Stecken.

Bild 2: Bauraumvolumen eines hochpoligen Musters einer NanoMQS-Stiftleiste im Vergleich zur Ausführung auf Basis des MQS-Steckverbindersystems.

Eine Rastlanze auf der Kontaktoberseite ergibt bei maximal 5 N Einsteckkraft bereits eine primäre Kontaktverriegelung mit einer Auszugskraft von mindestens 30 N. Die unabhängige sekundäre Verriegelung, die in einem Hinterschnitt am Gehäuse einrastet, erzeugt eine Gesamtauszugskraft von über 50 N. Um hybride Steckverbinder zu ermöglichen, befindet sich diese Sekundärverriegelung bei allen Gehäusen des MQS-Steckverbindungssystems auf derselben Höhe. Dadurch ist jeder Kontakt der Steckverbinderfamilie MQS als ganzzahliges Vielfaches der nächsten größeren Ausführung realisierbar.

Als automobiles Steckverbindersystem ist die NanoMQS-Reihe außerordentlich resistent gegenüber Vibration und Schock. Bereits die ungedichteten NanoMQS-Standardausführungen erfüllen Prüfschärfe 2 gemäß LV 214. Mit einer zusätzlichen Dichtung im Steckverbinder lässt sich wegen der hohen Kontaktkraft auch die Prüfschärfe 3 für eine „aggregatenahe Anwendung“ sowie Prüfschärfe 4 für den „Motoranbau“ erfüllen. Sogar die extreme Anforderung von 400 g Sinus, die an Einspritzventilen ermittelt wurde, können gedichtete NanoMQS-Systeme erreichen.

Vollautomatisches Blockloading

Dank eines Design-for-Handling lassen sich NanoMQS Umgehäuse und Terminals sowohl gedichtet als auch ungedichtet vollautomatisch verarbeiten. Die entsprechenden Applikatoren mit pneumatischer oder elektromotorischer Zufuhr erlauben ein Blockloading der Terminals in die Buchsengehäuse einschließlich der Crimp-Qualitätsüberwachung. Ergänzend gibt es manuelle Crimpwerkzeuge.

Die Anschlusspins für die Leiterplattenseite sind für Durchsteckmontage, zum Wellenlöten und für den Pin-and-Paste-Prozess (Reflow-Löten) ausgeführt. Eine Einpressseite (Pressfit) folgt. Bei der ebenfalls in Vorbereitung befindlichen Version zur Oberflächenmontage (SMT) ist an die erforderliche Ebenenhaltigkeit gedacht. Ein Anbaublech für ein Board-Lock ist verfügbar, um einen Test vor dem Löten zu ermöglichen.

Engineering für Miniaturisierung und Leichtbau

Durch die Entwicklung in Eigeninitiative war der NanoMQS-Baukasten unmittelbar verfügbar, sobald die Packungsdichte bisherige Lösungen an ihre Grenze brachte. Bereits heute ist die Nachfrage nach den hochpoligen Umgehäusen in generischer Ausführung groß, und die Entwicklung geht weiter. Kundenspezifische Applikationen für Motorsteuergeräte mit über 250 Positionen in verschiedenen Steckerkörben beispielsweise sollen bereits ab 2015 in Produktion gehen.

Parallel dazu eröffnet die NanoMQS-Reihe neue Möglichkeiten, den Kabelstrang „abzuspecken“, indem die Leitungsquerschnitte wo immer möglich reduziert werden. Hier bietet TE Connectivity beispielsweise eine dynamische Lastanalyse. Mit diesem Tool lässt sich der tatsächlich erforderliche Leitungsquerschnitt auf der Basis mathematischer Modelle bestimmen. Das Steckverbindungssystem NanoMQS schafft als robuste elektromechanische Schnittstelle die Voraussetzung, dieses Potenzial zu heben.

(av)