Board-to-Board-Steckverbinder Verbindungen für alle Dimensionen

Bild 1: Board-to-Board-Steckverbinder dienen der mezzaninen, orthogonalen und koplaneren Verbindung von Leiterplatten im Geräteinneren.

Kaum ein Schlagwort hat die Branche der industriellen Produktion und Automatisierung in den vergangenen fünf Jahren so angetrieben wie die »intelligente« Fabrik. Das stellt auch neue Anforderungen an die dort eingesetzten Komponenten – beispielsweise die Board-to-Board-Steckverbinder.

Selten sind sich die sonst so unterschiedlichen Märkte wie die USA, Europa und China dermaßen einig: Die industrielle Produktion muss vernetzter (Industrial Internet of Things, IIoT), effizienter (Industrie 4.0), »intelligenter« (Made in China 2025) und damit international wettbewerbsfähiger werden. Ein Treiber dafür sollen weiterentwickelte Produktionsmittel sein, die die Produktionslinien leistungsfähiger und flexibler machen und damit die Herstellungskosten senken.

Für das Jahr 2020 prognostizieren unterschiedliche Analysen knapp 20 Milliarden US-Dollar (IDC, 2016), fast 30 Milliarden US-Dollar (Gartner, 2017) oder sogar bis zu 50 Milliarden USD (Cisco IBSG, 2011) informationstechnisch vernetzte Dinge. Selbst die vorsichtigste Prognose geht davon aus, dass es in nur zwei Jahren fast drei Mal mehr miteinander kommunizierende Dinge gibt als Menschen.

Zu diesen Dingen gehören neben den allgegenwärtigen Smart Devices auch die »intelligenten« Geräte der industriellen Produktion: Steuerungen, Stromversorgungen, I/Os, HMIs und vieles mehr. Diese Geräte sind in den vergangenen Jahren selbst intelligenter geworden. Die Kosten für die darin verbauten elektronischen Bauteile, beispielsweise Prozessoren, sanken stetig, während sie gleichzeitig immer leistungsfähiger und zahlreicher wurden. Gemeinsam mit ihren Komponenten wurden folglich auch die industrieelektronischen Geräte selbst immer kleiner, leistungsfähiger und zahlreicher. Damit zog mehr Intelligenz aus einer ehemals zentralen und streng hierarchischen Einheit dezentral in das Feld ein.

Steigt die Anzahl an Feldteilnehmern, steigt auch der Bedarf, diese informationstechnisch zu vernetzen. Das bedeutet, diese mit entsprechender Elektronik und Schnittstellen zur Übertragung von Signalen, Daten und Leistung auszustatten und gegenüber den rauen Umgebungsbedingungen abzuschirmen. Dabei kommt den elektromechanischen Schnittstellen durchaus eine bedeutende Rolle zu: Sie sind ein Schlüssel, um weitere Miniaturisierungspotenziale auszuschöpfen und Geräte zuverlässiger und flexibler im industriellen Einsatz zu machen. Vibrationen, hohe Temperaturen und elektromagnetische Strahlung stellen jedoch hohe Anforderungen an diese passiven Komponenten.

Flexibilität gefragt

Auf diese Anforderungen hat Phoenix Contact mit einer neu entwickelten Serie von Board-to-Board-Steckverbindern namens Finepitch reagiert, die in den Rastern 0,8 mm und 1,27 mm vorliegt. Beide Produktfamilien eignen sich besonders für die geräteinterne Verbindung mehrerer Leiterplatten. Dank horizontal und vertikal ausgeführter Varianten können Gerätehersteller mezzanine, orthogonale oder koplanare Leiterplattenanordnungen realisieren und so flexibel Leiterplattenverbindungen für unterschiedliche Geräteanwendungen anbieten (Bild 1).

Alle Finepitch-Steckverbinder sind für Ströme bis zu 1,4 A und Prüfspannungen bis 500 V (AC) ausgelegt und bieten Lösungen für zwölf bis 80 Kontakte. In den kompakten Rastern ist das robuste Stecken- und Ziehen besonders wichtig, damit die Kontakte beim Ineinanderstecken nicht beschädigt werden. Dafür sorgt die spezielle Gehäusegeometrie. Die Finepitch-Steckverbinder sind entsprechend polarisiert; die spezielle Geometrie des Isoliergehäuses sorgt dafür, dass Pol 1 der Federleiste stets mit Pol 1 der Messerleiste kontaktiert. Ein Fehlstecken um 180° ist also nicht möglich.

Die doppelseitig ausgeführten Kontakte beider Produktfamilien kontaktieren auf den goldbeschichteten Walzflächen der Metalle. Damit soll eine stets optimale Kontaktkraft gewährleistet bleiben, selbst unter hohen Schockeinwirkungen von bis zu 50 g/11 ms. Ein weiterer Vorteil ist die gute Qualität der Oberflächenbeschaffenheit der Kontakte: Bis zu 500 Steckzyklen sind möglich, ohne dass die elektromechanische Stabilität beeinträchtigt wird (Bild 2). Dies sorgt ebenfalls dafür, dass die doppelseitigen Kontakte vibrationssicher verbinden.

Die ungeschirmte Serie Finepitch 1,27 eignet sich für Stapelhöhen von 8 mm bis 13,8 mm. Innerhalb dieses Bereichs kann der Gerätedesigner den Abstand zwischen den Platinen frei wählen. Mit einem variablen Übersteckbereich von 1,5 mm kann er sein Gerät recht flexibel gestalten. Für größere Leiterplattenabstände und für eine komplett flexible Verbindung von Platinen im Gerät bietet die Produktfamilie Finepitch 1,27 konfektionierte IDC-Federleisten mit Flachbandleitung an – die sogenannte Wire-to-Board-Lösung.

Mechanisch robust

Die Serie Finepitch 0,8 bietet besonders kompakte Lösungen für die Highspeed-Datenübertragung mit bis zu 16 Gbit/s. Abhängig von der Anwendung und der geforderten elektromagnetischen Verträglichkeit stehen ungeschirmte Ausführungen sowie Varianten mit seitlichen Schirmmetallen für eine hohe Datenintegrität zur Verfügung. Diese Produktserie ermöglicht lückenlose Stapelhöhen von 6 mm bis 12 mm. Der variable Übersteckbereich beträgt ebenfalls 1,5 mm, was im kompakten Raster 0,8 mm eine große Flexibilität bedeutet. Ein Ausbau von höheren Stapelhöhen bis 20 mm ist bereits in Planung.

Die hermaphroditisch ausgeführten Kontakte bieten verschiedene Vorteile. Der doppelseitige Kontakt ist nicht nur zuverlässig und sicher gegen Schock und Vibration. Das ScaleX-Kontaktdesign ermöglicht eine Gehäusegeometrie, in der die Kontakte besonders geschützt sind. Auch bei eventuellem Fehlstecken liegen die Kontakte im Gehäuse geschützt und werden nicht berührt, was eine Beschädigung durch Fehlstecken verhindert (Bild 3). Die so entstehende langzeitstabile Verbindung im Geräteinneren bewirkt, dass die Geräte wartungsfreundlich sind. Zusätzlich können Geräte modular aufgebaut und nach individuellen Bedürfnissen ergänzt werden.

Die neu entwickelte ScaleX-Technologie gewährleistet nicht nur eine besonders hohe mechanische Stabilität. Sie erlaubt auch hohe Toleranzen bei produktions- oder montagebedingt abweichend positionierten Messer- und Federleisten. Der Fangbereich der Serie Finepitch 0,8 liegt bei ±0,7 mm je Achse, die Winkeltoleranzen beim Stecken bei bis zu ±2° in Längs- und ±4° in Querrichtung. Dadurch ist auch eine einschwenkende Leiterplattenmontage kein Problem.

Die Schirmung der Serie Finepitch 0,8 ist so ausgelegt, dass Störströme auf direktem Weg abgeleitet werden. Dazu gibt es viele Kontaktpunkte zwischen Feder- und Messerleiste sowie zur Leiterplatte. Dadurch sind die Koppelinduktivität gering und die Schirmwirkung gut. Mit Polzahlen zwischen zwölf und 80, verschiedenen Stapelhöhen sowie geschirmten und ungeschirmten Ausführungen bietet die Serie eine recht hohe Flexibilität und Variabilität.

Die neuen Board-to-Board-Steckverbinder der Serie Finepitch eignen sich zur Integration in den voll automatisierten SMT-Prozess.

Speziell geformte und verzinnte Gullwing-Flächen, deren Koplanarität unter 0,1 mm beträgt, bieten eine recht hohe Auflagefläche auf den Lötpads. Damit verbessert sich die mechanische Stabilität zwischen Steckverbinder und Leiterplatten. Die Lötflächen sind so konstruiert, dass sie sich auch »über Kopf« verlöten lassen. Dies ist immer dann notwendig, wenn die Leiterplatte beidseitig bestückt wird. Zudem erlauben die ungeschirmten Ausführungen eine automatisch-optische Inspektion (AOI) und werden prozessgerecht in Gurtverpackung ausgeliefert. Die geschirmten Ausführungen lassen sich durch einen CT-Scan inspizieren.

Finepitch - Technische Daten

  • Raster: 0,8 mm und 1,27 mm
  • Ausführungen: geschirmt und ungeschirmt
  • Polzahlen: 12 bis 80
  • Stapelhöhen: 6 mm bis 12 mm (Finepitch 0,8) bzw. 8 mm bis 13,8 mm (Finepitch 1,27)
  • Variable Überstecklänge: 1,5 mm
  • Datenraten (Finepitch 0,8): bis 16 Gbit/s
  • Ströme: bis 1,4 A
  • Prüfspannung (AC): 500 V