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Sicherheit beim autonomen Fahren

Board-to-Board-Verbindung von Steuergeräten

25. März 2025, 11:30 Uhr | Autor: Sohrab Moradi, Redaktion: Irina Hübner

Der Vormarsch in Richtung autonomes Fahren erfordert robuste und zuverlässige Lösungen für die Board-to-Board-Verbindung von Steuergeräten. Die traditionellen lötbasierten Verbindungsstrukturen weichen der Einpresstechnik, die eine höhere Haltbarkeit und Signalintegrität verspricht.

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Die Entwicklung hin zum vollständig autonomen Fahren hat zu einem Anstieg der Anzahl und Vielfalt von Sensoren geführt. Sie werden benötigt, um ein vollständiges und verwertbares Bild der sich dynamisch verändernden Fahrzeugumgebung zu erhalten. Die exponentielle Zunahme der von diesen fortschrittlichen Sensoren erzeugten Datenmenge erfordert eine 10-Gbit/s-Verbindung zum elektronischen Steuergerät (ECU) und ebnete den Weg für die Einführung von Automotive Ethernet.

Aktuelle Steuergeräte basieren in der Regel auf einer einzigen Platine. Um mehr Daten zu verarbeiten und da die Außenabmessungen des Steuergeräts in X- und Y-Richtung festgelegt sind, besteht der einzige Spielraum darin, die Z-Achse zu nutzen. Aus diesem Grund erwägen die Entwickler den Einsatz mehrerer Boards – zwei bis drei – innerhalb des Steuergeräts. Für die Kommunikation zwischen diesen Boards benötigen Sie jedoch einen Hochgeschwindigkeitsstecker von Board zu Board.

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Heute befinden wir uns auf Level 2 des eigenen Fahrens, wobei einige Modelle bereits Level 2+ oder sogar Level 2++ erreichen. Bei Level 3 wird die Verantwortung für einen Unfall vom Fahrer auf den Hersteller übertragen. Bei Level 2 liegt die Verantwortung im Falle eines Unfalls beim Fahrer, der beispielsweise nicht rechtzeitig gebremst oder das Fahrzeug nicht rechtzeitig manövriert hat, um einem Hindernis auszuweichen. Bei Level 3 hingegen hat das autonome Fahrsystem die Kontrolle. Sollte es nicht rechtzeitig bremsen oder manövrieren, hat das Auto ein Steuergeräteproblem.

Vorteile der Einpresstechnik

Natürlich kann man eine Standardlösung auf Lötbasis nehmen, von denen es viele auf dem Markt gibt. Bei einer lötbasierten Struktur könnte jedoch die Lötstelle bei Belastung reißen, was zu Problemen mit der Signalverbindung führen würde. Eine Einpresstechnik-Lösung hat den Vorteil, dass sie robuster ist als ein Board-to-Board-Steckverbinder auf Lötbasis (Bild 1). Auf dem Weg zum autonomen Fahren wird diese Robustheit der Verbindungen zu einem entscheidenden Designkriterium.

Die Beobachtung von Trends in der Datenübertragungsbranche zeigt eine deutliche Präferenz für die Einpresstechnik, insbesondere bei Backplane-Steckverbindern, die mit 112 Gbit/s und mehr arbeiten. Die Seltenheit von lötbasierten Backplane-Steckverbindern auf dem Markt ist ein Beweis für die Konsistenz und Effizienz von Einpress-Steckverbindern, die für immer dünnere und kürzere Pins ausgelegt sind, um die bestmögliche elektrische Hochgeschwindigkeitsleistung zu erzielen.

Bei der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung wird die Präzision immer wichtiger - schon geringe Formabweichungen können die elektrische Leistung beeinträchtigen. Die Form und Länge der Einpressstifte sind präzise, was durch die Einhaltung strenger Fertigungstoleranzen erreicht wird. Wenn diese Stifte auf eine Leiterplatte mit der entsprechenden Lochgröße abgestimmt sind, ergibt sich eine besonders konsistente und zuverlässige Verbindung mit wenig Spielraum für Fehler.

Im Gegensatz dazu kann es bei lötbasierten Verbindungen zu Schwankungen in der Menge des verwendeten Lots kommen, was die Integrität und Leistung der Verbindung beeinträchtigen kann.

Darüber hinaus bedeuten die Kürze und die geringere Kapazität von Einpressstiften im Vergleich zu Lötstiften auf der Leiterplatte, dass Resonanzen reduziert werden. Aus den beiden oben genannten Gründen kann eine höhere Signalintegrität erreicht werden. Darüber hinaus unterstützt eine Einpress-Strategie die sozialverträgliche Fertigung mit deutlich geringeren Auswirkungen auf die Umwelt im Vergleich zu Lötverfahren, bei denen während der Montage Lötdämpfe entstehen.

OEMs und ihre Tier-1-Partner müssen sicherstellen, dass ihre Konnektivitätslösungen innerhalb des Steuergeräts robust sind, damit es bei der Transformation zum hochautomatisierten Fahren gemäß Level 3 zu keinen Problemen diesbezüglich kommt. Aus diesem Grund nimmt die Dominanz von lötbasierten Verbindungsstrukturen, insbesondere im Steuergerät, sukzessive ab und der Trend auf dem Markt geht zu Einpresstechnologien, wie der mehrreihigen Board-to-Board-Steckverbinderplattform von Ennovi (Bild 2).

Diese robuste Standardplattform umfasst Steckverbinder mit Board-Stapelhöhen von 7 mm bis 30 mm, mit ein bis sechs Reihen, von denen jede 4 bis 30 Kontaktanschlüsse haben kann, die den Normen IEC 60352-5 und IPC-9797 entsprechen. Sie bietet Ingenieuren die Flexibilität, die sie für eine kundenspezifische Designstrategie benötigen. Eine optionale Beschichtungstechnologie trägt dazu bei, die Bildung von Zinnwhiskern zu verringern, wodurch das Risiko von Kurzschlüssen verringert und die Lebensdauer der Plattform verlängert wird.

Die Möglichkeit, ausreichend Hochgeschwindigkeits-Verbindungsanschlüsse auf kleinem Raum unterzubringen und dabei dennoch nicht zu viele zu haben, ist eine Priorität und minimiert die Gesamtbetriebskosten. Die aktuelle Plattform basiert auf dem 0,4-mm-Einpressstift, der Datenübertragungsraten von bis zu 10 Gbit/s (5 GHz) ermöglicht und den Spezifikationen der Automobilindustrie entspricht – einschließlich Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen, Vibrationen und mechanische Stöße.

Die Produkt-Roadmap sieht vor, die Plattform auf 0,2-mm-Einpressstifte zu verlagern. Die neue Plattform wird kleiner sein und mehr Daten verarbeiten können. Mit einem noch höheren Level des autonomen Fahrens benötigen die OEMs und Tier-1-Zulieferer höhere Datenübertragungsraten. Derselbe oder ein geringerer Platzbedarf im Steuergerät kann nur durch eine Verkleinerung der Pins erreicht werden, wodurch mehr Pins pro Quadratmillimeter möglich sind und die Datenübertragungsrate erhöht werden kann.

Für eine smarte und sichere Zukunft

Die mehrreihige Board-to-Board-Steckverbinderplattform von Ennovi ist ein Beispiel für den Wandel von traditionellen lötbasierten Strukturen hin zur Einpresstechnik. Sie bietet eine vielseitige und widerstandsfähige Lösung, die den strengen Anforderungen der Automobilindustrie gerecht wird. Mit der Fähigkeit, hohe Datenübertragungsraten zu verarbeiten und eine konsistente elektrische Leistung zu gewährleisten, werden Einpress-Steckverbinder zum Eckpfeiler des Steuergeräte-Designs auf dem Weg zur Level 3 und darüber hinaus. Die Zukunft der Kfz-Steckverbindungen geht eindeutig in Richtung kleinerer, effizienterer Designs, die den steigenden Datenanforderungen gerecht werden, ohne Kompromisse bei der Zuverlässigkeit oder Sicherheit einzugehen, damit die Fahrzeuge von morgen nicht nur intelligenter, sondern auch sicherer werden.

Der Autor

Sohrab Moradi

ist Produktmanager für Einpress-Technologie bei Ennovi. Er verfügt über mehr als zehn Jahre Erfahrung in der Elektronikindustrie und über fünf Jahre Erfahrung im Produktmanagement. Seine Karriere begann er im Bereich Rundsteckverbinder, wo er sich auf das Design elektrischer Komponenten spezialisierte. Inzwischen beschäftigt er sich seit etwa fünf Jahren mit der Einpress-Technologie. Bei Ennovi hat er hierzu ein Produktportfolio aufgebaut, das die Anforderungen des Marktes an Signal- und Leistungsverbindungen erfüllt.