Verbindung zwischen Platinen:
Eine Mezzanine- oder Tochterplatine bietet Ingenieuren eine praktische Lösung zur Erreichung ihrer Designziele. Durch das Übereinanderstapeln von Platinen lässt sich die Platzausnutzung im Gehäuse optimieren, das Design der Hauptplatine vereinfachen, die Hardwareanpassung für einen spezifischen Markt ermöglichen oder die Reparierbarkeit verbessern.
Unter den bestehenden Möglichkeiten zur Signalübertragung zwischen zwei Platinen kann ein zwischen ihnen platzierter Steckverbinder die Verbindung vereinfachen und die Zuverlässigkeit erhöhen, indem er jederzeit mechanisch robuste und korrekte Verbindungen gewährleistet. Es stehen zahlreiche Optionen zur Verfügung, von flachen Steckverbindern, die sehr eng beieinander platziert werden, wenn eine geringe Gesamthöhe Priorität hat, bis hin zu höheren Steckverbindern, die Platz für Komponenten auf der Hauptplatine schaffen oder die Luftzirkulation verbessern.
Ein einzelner Steckverbinder kann das Design vereinfachen, und die beiden Platinen lassen sich während der Produktfertigung problemlos verbinden. Enthält die Hauptplatine jedoch zu viele Komponenten oder Lagen, um alle Signale über einen einzigen Steckverbinder zu übertragen, können zwei oder mehr Steckverbinder erforderlich sein. Andererseits können Probleme mit der Signalintegrität die Verwendung zweier separater digitaler Signale aus einem analogen Signal oder die optimale Anordnung der Differenzsignale erforderlich machen.
Exakte Platzierung:
Wenn mehr als ein Verbinder benötigt wird, gestaltet sich das Verbinden schwieriger, da beide Teile jedes Verbinders exakt mit den Platten ausgerichtet werden müssen (Abbildung 1).
Abbildung 1. Die Positionierung muss beim Verbinden von zwei oder mehr Platten mit Verbindern sehr genau sein.
Steckverbinder weisen oft einen sehr kleinen Kontaktabstand im Submillimeterbereich auf und werden aufgrund ihrer Effizienz und Genauigkeit mit denselben automatisierten Prozessen wie SMD-Bauteile auf Leiterplatten bestückt. Obwohl Hochgeschwindigkeits-Inline-Bestückungssysteme extrem genau arbeiten, können sich kleine Fehler summieren. Das Datenblatt einer High-End-Maschine gibt beispielsweise eine Positionsgenauigkeit von ±0,035 mm an. Ähnlich verhält es sich mit Siebdruckmaschinen, die Lötpaste mit einer Genauigkeit von ±0,08 mm auftragen. Darüber hinaus können Toleranzen in der Leiterplattenfertigung die Positionen der Lötpunkte beeinflussen, und Bauteile können sich während des Lötens verschieben.
Im schlimmsten Fall können sich über die vier Hälften der Verbindung zwischen zwei separaten Steckverbindern summierende Fehler so stark auswirken, dass die Steckverbindergehäuse und Lötstellen beim Verbinden der Steckverbinder stark beansprucht werden. Diese Beanspruchung kann zu Problemen wie schlechtem elektrischem Kontakt und Brüchen des Steckverbindergehäuses oder der Lötstelle führen und letztendlich zum Ausfall des Geräts bei End-of-Line- oder Feldtests.
Anpassung von Steckverbindern an Ausrichtungstoleranzen:
Eine Möglichkeit, diese Folgen zu vermeiden und eine präzise Ausrichtung ohne potenziell gefährliche mechanische Spannungen zu gewährleisten, ist der „schwimmende“ Steckverbinder. Diese Steckverbinder ermöglichen die Bewegung einer Reihe von Kontakten entlang der x- und z-Achse und gleichen so Fehlausrichtungen aus. Dadurch wird die Abhängigkeit von der absoluten Positionsgenauigkeit beim Verbinden von Platten mit mehreren Steckverbindern reduziert.
Beispielsweise besteht die Flecto-Serie von Harwin aus Feinraster-Steckverbindern zum Verbinden von Platten und bietet eine große Anzahl von Pins – bis zu 160 Steckverbinder in einer symmetrischen zweireihigen Anordnung. Sie basiert auf einer schwimmenden Konstruktion, die es den Steckern ermöglicht, sich um bis zu ±0,8 mm von der Mittellinie des Steckverbinders auf jeder Achse zu bewegen.
Abbildung 2: Schwimmende Steckverbinder erfordern keine absolute Ausrichtung.
Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von schwimmenden Steckverbindern besteht darin, nach dem ersten Verbinden ein sicheres und zuverlässiges Stecken sowie einen permanenten elektrischen Kontakt zwischen den einzelnen Verbindungen zu gewährleisten. Um dies zu erreichen, sind die Kontakte auf der Steckerseite des Flecto-Steckverbinders flexibel und an den Gehäusen aufgehängt. Dadurch wird beim Zusammenfügen der beiden Teile eine vollständige mechanische und elektrische Verbindung sichergestellt. Die Elastizität des Aufhängungsmechanismus gewährleistet die elektrische Integrität, indem sie Stöße und Vibrationen absorbiert und so einen dauerhaften Kontakt garantiert.
Die flexiblen Anschlussbereiche gleichen Fehlausrichtungen aus, während die Stifte an der Basis des Steckverbinders beim Einstecken in die vorgesehenen Löcher der Leiterplatte eine präzise Positionierung gewährleisten. Die verfügbaren Steckverbinder verfügen über Rastermaße von 0,5 mm, 0,63 mm und 0,8 mm, darunter eine Serie mit 0,5 mm Rastermaß für Signalstifte und 3,0-A-Leistungskontakten. Die Leistungskontakte sind für einfaches Blindlöten ausgelegt, und durch die Leiterplatte lötbare Stifte verbessern die Positionierungsgenauigkeit und die mechanische Festigkeit. Die reinen Signalsteckverbinder dieser Familie nutzen SMT-Verankerungselemente zur Erhöhung der Auszugsfestigkeit.
Hohe Datenübertragungsraten
: Um Entwicklern die Erfüllung der steigenden Anforderungen an Datenübertragungsraten in Hochgeschwindigkeitskommunikationsanwendungen zu ermöglichen, wurden die Einfügungsdämpfung, Rückflussdämpfung, Impedanz und das Nahnebensprechen (NEXT) dieser Steckverbinder getestet. Dank ihres NEXT von -40 dB oder besser über einen breiten Frequenzbereich sowie ihrer geringen Einfügungs- und Rückflussdämpfung eignet sich Flecto für Anwendungen wie Bildverarbeitung, medizinische Bildverarbeitung und Elektrofahrzeuge. Die Leistungsfähigkeit der F20-Serie, dargestellt in Abbildung 3(a) und (b), ermöglicht es diesen Steckverbindern, Datenraten von bis zu 12 Gbit/s zu erreichen.
Abbildung 3 (a) und (b). Ergebnisse des Signalintegritätstests.
Zusammenfassung:
Das Verbinden gestapelter Leiterplatten erfordert oft höchste Präzision, wenn mehrere Steckverbinder benötigt werden. Schwebende Steckverbinder ermöglichen nicht nur eine geringere absolute Positionsgenauigkeit, sondern gewährleisten auch Signalzuverlässigkeit und -integrität in zahlreichen industriellen, medizinischen und Elektrofahrzeuganwendungen.
Entwicklungen in der Steckverbindertechnologie zur Reduzierung von Fehlausrichtungen.
Autor: Ryan Smart, Vizepräsident Produktentwicklung, Harwin
