Optimiertes Steckverbinder-Design
SMT-Leiterplattenanschlüsse minimieren Ausfälle
Weil Geräte immer kleiner werden, steht die Leiterplattenanschlusstechnik vor neue Herausforderungen. Wie sich trotzdem kompakte und zugleich robuste Designs realisieren lassen, zeigt Provertha mit einer Innovation bei SMT-Steckverbindern.
Mit geraden und abgewinkelten Ruggedized- sowie geraden Slimline-Steckverbindern im M12- und M8-Format eröffnet Provertha für Geräteentwickler neue Wege im Leiterplattendesign.
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SMT-Leiterplattenanschlüsse im robusten Design
Moderne elektronische Geräte erfordern immer mehr Funktionalität auf kleinerem Bauraum. Auch bei I/O-Boxen und Switches geht der Trend zu immer kleineren, kompakteren Bauformen, speziell im Zusammenhang mit Edge-Computing im industriellen Internet der Dinge (IIoT) oder im Bahnbereich. Die kleineren Boxen beziehungsweise Switches müssen trotz ihrer Kompaktheit eine Vielzahl an Komponenten, Anschlüssen und Funktionen vereinen. Das hat Auswirkungen auf die Leiterplatten-Anschlusstechnik.
Miniaturisierung von PCB-Steckverbindern
Steckverbinder werden kleiner und kompakter – müssen zugleich aber hohe elektrische und mechanische Anforderungen erfüllen. Denn trotz des Trends zur Miniaturisierung dürfen elektronische Geräte wie I/O-Boxen oder Switches nicht an Robustheit und Langlebigkeit verlieren. Dies ist besonders in industriellen Anwendungen wichtig, wo die Geräte oft rauen Bedingungen wie Vibrationen, extremen Temperaturen und Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Die eingesetzten
Gleichzeitig fordern Oberflächenmontage-Technologien (SMT) und die Automatisierung der Elektronikfertigung kompakte, automatisierungsfreundliche Steckverbinder, die direkt auf die Leiterplatten gelötet werden können. Ingenieure arbeiten deshalb an der Entwicklung von Steckverbindern, die trotz kleinerer Bauformen neben guten technischen Daten, zum Beispiel hinsichtlich Übertragungseigenschaften und Stromstärken, auch langlebig und prozessoptimiert sind.
Insgesamt kommt es darauf an, dass die SMT-Leiterplattenanschlüsse eine hohe Funktionssicherheit bei Schock und Vibration sowie erweiterte Möglichkeiten beim Routing bieten.
Ein Beispiel: In bestimmten Anwendungsfällen bei I/O-Boxen, zum Beispiel an Spritzgussmaschinen, oder bei Ethernet-Switches in Bahn- und Transportanwendungen treten höhere mechanische Belastungen und Vibrationen auf. Hier sind Steckverbinderkonzepte gefragt, die ein Abreißen des Kontakts im Anschlussbereich zur Leiterplatte oder andere Kontaktunterbrechungen beim Stecken und Ziehen sowie im Betrieb zuverlässig verhindern.
Funktionsausfälle an den Verbindungen sind vermeidbar!
Es hat sich gezeigt, dass bisherige SMT-Leiterplattensteckverbinder mit zwei Befestigungswinkeln und einem marktüblichen Kontaktdesign in speziellen Belastungssituationen zum Ausfall der Verbindung führen können. Zudem ist bei bisherigen Lösungen ein Routing der Leiterbahnen beziehungsweise die Verkabelung am Stecker nur in vertikaler Richtung möglich. Deshalb hat sich Provertha dieser Thematik angenommen und zeigt nun serienreife Lösungen für die PCB-Anschlusstechnik, die auf der Oberflächenmontage-Technik (SMT) basiert.
Hintergrund: In der klassischen THT-Anschlusstechnik gibt es viele Anbieter für PCB-Steckverbinder. Im Bereich der SMT-Anschlusstechnik ist die Anzahl der Hersteller dagegen deutlich geringer. Außerdem sind bisher am Markt keine abgewinkelten M12-Steckverbinder mit SMT-Anschluss erhältlich. Bei Ethernet-Switches oder Gateways sind oft RJ45-Schnittstellen im Einsatz. Hier wünschen sich Hersteller zugunsten der Kompaktheit abgewinkelte M12-Steckverbinder in gleicher Bauhöhe, die genau wie RJ45-Steckverbinder auch für den vollautomatischen SMT-Prozess geeignet sind.
Erste Produkte ihrer Art
Unter diesen Gesichtspunkten hat Provertha die ersten abgewinkelten M12-SMT-Ruggedized-Steckverbinder am Markt entwickelt.
Die Ruggedized- und Slimline-Stecker haben ein spezielles Kontaktdesign für eine hohe Funktionssicherheit bei mechanischen Belastungen und sehr kleine Bauhöhen für begrenzte Einbauräume. Ein weiterer Baustein für die Miniaturisierung ist das spezielle Design des neuen manipulationssicheren Einbaugehäuses für das dichte Aneinanderreihen, wahlweise ausgeführt mit Push-Pull- oder Schraub-Verriegelung.
Die neuen Steckverbinder sind dank der hochtemperaturbeständigen Pick-and-Place-Pads und der Tape-and-Reel-Verpackung für die sichere Verarbeitbarkeit im vollautomatischen SMT-Prozess ausgelegt. Dank schmaler Gurte lassen sich die Anschlüsse platzsparend an der Feederbank des Bestückungsautomaten unterbringen. Die geringe Bauhöhe und das vollsymmetrische Layout der neuen Stecker minimieren Lötwinkelfehler im Verarbeitungsprozess erheblich.
Neben den üblichen Aspekten wie der Gurtverpackung und dem Pick & Place Cap für die sichere Entnahme aus dem Gurt zur Bestückung, ist die garantierte Koplanarität von ±0,05 mm bei den neuen Steckern ein wichtiges Kriterium, das von Provertha durch eine hundertprozentige Prüfung bestätigt wird.
Die Ruggedized- und Slimline-Steckverbinder für die Leiterplattenmontage gibt es in zwei Varianten: ungeschirmt und geschirmt mit einteiliger Schirmfeder in SMT-Anschlusstechnik (Surface Mounting Technology). Alle Steckverbinder in Schutzart IP67 haben optimierte technische Kennwerte, zum Beispiel eine hohe Strombelastbarkeit und einen großen Betriebstemperaturbereich. Sie sind aus hochtemperaturbeständigem High-Performance-Thermoplast mit hoher Kriechstromfestigkeit gefertigt. Der Comparative Tracking Index (CTI-Wert), ein Maß für die Kriechstromfestigkeit von Kunststoffen, liegt bei über 600.
Für Härtefälle
Die Ruggedized-Baureihe vereint die Kundenforderung nach hoher Funktionssicherheit sowie nach optimalem Routing auf der Leiterplatte. Die Baureihe wurde entwickelt, um an den Kontakten des Leiterplattenanschlusses hohe Verbindungssicherheit, zum Beispiel bei Vibration oder Schock gemäß IEC 61076-2-101 und -109, in einem großen Temperaturbereich von -40°C bis +125°C (ohne O-Ring) zu gewährleisten.
Das Design der Stecker wurde nach einer umfassenden Wettbewerbsanalyse so optimiert und spezifiziert, dass sich bessere mechanische Eigenschaften ergeben. Sowohl die geraden als auch die gewinkelten Ruggedized-Versionen haben vier massive SMT-Befestigungswinkel zur Aufnahme der Steck- und Ziehkräfte und für einen erhöhten Verdrehschutz beim Auftreten von Quer- und Scherkräften. Somit bieten die Ruggedized-Steckverbinder eine hohe Funktionssicherheit, da das Abreißen der SMT-Anschlüsse bei hoher Beanspruchung verhindert wird.
Die Kodierungen
Die Ruggedized-Stecker unterstützen den Trend zur Miniaturisierung als Versionen in D-Code und X-Code für Ethernet-Switches und Gigabit-Ethernet-Switches sowie als Versionen in A-Code bei I/O-Boxen und Sensorapplikationen. Sie bewirken eine spürbare Platzersparnis in kleinen Geräten.
Gewinkelte M12-SMT-Ruggedized Steckverbinder bieten mit 15,5 mm x 5,5 mm die derzeit kleinste Einbaufläche auf der Leiterplatte. Sie sind bereits vormontiert und haben dank ihrer kompakten Außenmaße mit einer Bauhöhe von 14 mm die angestrebten RJ45-kompatiblen Abmessungen. Damit eignen sie sich für Ethernet-Switches oder Gateways mit frontseitigen beziehungsweise seitlichen Ausgängen. Die geraden Steckverbinder haben die derzeit kleinste Einbauhöhe am Markt von nur 16 mm und zeichnen sich durch variables Routing in alle vier Richtungen auf der Leiterplatte aus.
Variables Routing für flexible Schnittstellenanordnung:
Mit einem einstellbaren Isolierkörper kann die Lage von acht Kodierungsrichtungen in 45-Grad-Schritten gewählt werden, um den gewünschten Kabelabgang bei einem abgewinkelten Kabelstecker zu realisieren. Der große Vorteil – vor allem bei den gewinkelten Kabelsteckern – ist eine auf die Anwendung zugeschnittene Orientierung der Kabelabgänge. Zwei Positionszapfen gewährleisten die korrekte Erkennung und die richtige Positionierung des Steckers beim Bestücken.
Durch die freie Wahl der Kodierungsposition und damit des Kabelabgangs können bei diesen Steckverbindern die Leiterbahnen auf allen vier Seiten horizontal und vertikal durch und aus dem Stecker geführt werden. Dadurch lässt sich die notwendige Fläche auf der Leiterplatte reduzieren, und es ergeben sich neue Anregungen für die Schnittstellenanordnung bei kompakten Lösungen. Die Steckverbinder ermöglichen eine Platzersparnis um 50 Prozent gegenüber konventionellen THT- oder THR-Rundsteckverbindern.
Kompatibel einsetzbar: die Slimline-Serie nun auch im M8-Formfaktor
Die Slimline-Baureihe im M12- und M8-Formfaktor in den Bauhöhen 16,25 mm und 17 mm hat ein schlankes rechteckiges Design, und die Abmessungen sind kompatibel zu den gängigsten SMT-Steckverbindern. Wie bei der Ruggedized-Baureihe können Kunden mit den Slimline-Steckverbindern durch das neue Kontaktdesign mehr Sicherheit bei den Anschlüssen in Baugruppen und Geräten erzielen.
Durch eine federnde Kontaktanbindung und die vergrößerte Lötflächenanbindung bei den Kontakten erreichen die Slimline-Steckverbinder bei hoher mechanischer Beanspruchung eine um mindestens 30 Prozent höhere Widerstandsfähigkeit gegen das Abreißen der SMT-Anschlüsse als marktübliche SMT-Steckverbinder.
Die M12- und M8-Slimline-Stecker sind durch wählbare Kodierungen (A-3, A-4 und D) flexibel einsetzbar, beispielsweise für Sensor-Aktor-Applikationen in der industriellen Automation und für Industrial-Ethernet-Netzwerke sowie in miniaturisierten Anwendungen mit hoher Beanspruchung. Die Rundsteckverbinder haben einen marktüblichen Footprint für das Drop-in-Replacement an kritischen mechanischen Leiterplattenschnittstellen. Sie sind kompatibel zu den wichtigsten auf dem Markt erhältlichen SMT-Rundsteckverbindern und können ohne Änderungen am Design des Leiterplatten-Layouts einfach als Alternative eingesetzt werden.
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