Gastkommentar Elektrische Steckverbinder in modernen Elektronik-Systemen

Die rasanten Entwicklungen in der Halbleitertechnik bedingen auch neue Technologien, Methoden und Werkzeuge für zukünftige Steckverbindersysteme.

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Die Anforderungen der passiven Komponenten der Aufbau- und Verbindungstechnik, das heißt an Chip-Gehäuse, Leiterplatten, Kabel und Steckverbinder, werden durch die Entwicklungen im Bereich der Chiptechnologie getrieben.

Das stetige Voranschreiten in der Halbleitertechnik wurden über Jahrzehnte durch das sogenannte Moore'sche Gesetz sehr gut beschrieben. Danach verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren auf der Chip-Fläche alle 18 Monate. Aufgrund neuer Chip-Architekturen und der Möglichkeit, Transistoren nicht nur in einer Ebene sondern auch dreidimensional übereinander herzustellen, wächst die Anzahl der Transistoren mit jedem neuen Technologieschritt schneller als das Moore'sche Gesetz prognostiziert. Es gilt die Parole: „More than Moore“.

Diese Entwicklungen haben unmittelbare Auswirkungen auf die Anforderungen der Verbindungstechnik zwischen den aktiven integrierten Schaltkreisen. Was bedeutet dies für die zukünftigen Herausforderungen in der Steckverbinderindustrie?

Zunächst gibt es unterschiedliche Anforderungen im Bereich der elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften sowohl hinsichtlich des gesamten konstruktiven Steckverbinderaufbaus als auch in Bezug auf die elektrischen Kontakte des Steckverbinders.

Die elektrischen Herausforderungen resultieren im Wesentlichen aus den höheren verfügbaren Datenraten oder besser gesagt aus den schnelleren Pegelübergangszeiten der digitalen Signale und der Vergrößerung der zu übertragenden Bandbreite. Die kürzeren Pegelübergangszeiten bewirken schnelle zeitliche Veränderungen von Strom und Spannung, die die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit des Steckverbinders erhöhen. Darüber hinaus reduzieren sich die Größen der Signal- und Versorgungsspannungen bei gleichzeitig steigender Anzahl von Signalen und Versorgungsspannungen in modernen elektronischen Systemen.

Durch die größere Funktionsdichte der integrierten Schaltkreise erhöht sich auch die Stromdichte der elektrischen Verbindungen zwischen den Schaltkreisen. Dieses hat wiederum signifikante Auswirkungen auf die Stromtragfähigkeit der Kontakte und damit auf die Entwärmungseigenschaften des Kontaktes und des gesamten Steckverbinders.

Letztendlich kommt es im Bereich der Steckverbinder zu einer signifikanten Erhöhung der Integrationsdichte und damit zu einer Erhöhung der Kontaktdichte innerhalb eines Steckverbindersystemes. Immer mehr unterschiedliche elektrische Signale und unterschiedliche Versorgungen müssen in einem engen Bauraum durch den Steckverbinder sicher kontaktiert werden. Dadurch steigen die Anforderungen an die mechanische Kontaktsicherheit und an die Steck- und Ziehkräfte des Steckverbinders.

Für solche Steckverbindersysteme werden filigrane Strukturen im Bereich der Kontakte, der Kontaktträger und der Steckverbindergehäuse benötigt. Dies hat Auswirkungen auf die Kontakttechnologie, auf die Herstellung der Kontakte und die Herstellung der Kontaktträger.

Kontakte und Leiterplatte

Für die Kontakte werden alternative Werkstoffe benötigt, die eine sichere Kontaktierung bei kleinsten Abmessungen und gleichzeitigen hohen elektrischen und thermischen Belastungen gewährleisten. Das heißt geringere Kontaktwiderstände trotz reduzierter Kontaktnormalkraft, verminderter Verschleiß, niedrigere Reibwerte und konstante Temperatureigenschaften bei gleichzeitig geringeren Material und Prozesskosten. Hierzu gibt es zum Beispiel im Bereich Nano-Materialien bereits vielversprechende Ansätze.

Die traditionellen Technologien zur Herstellung der Kontaktträger, zum Beispiel die Stanztechnologie, werden ihre Grenzen erreichen. Es müssen hier neue Verfahren zur Herstellung von filigranen Trägeranordnungen gefunden werden. Auch im Bereich der Gehäusetechnologie werden ebenfalls zunehmend feinere Strukturen mit sehr dünnen Wandstärken benötigt. Dazu werden Kunststoffe mit noch besseren Fließeigenschaften sowie neue Fertigungstechnologien benötigt.

Im Bereich der Anschlusstechnologien für Kabel und Leiterplatten hat der Trend zur weiteren Miniaturisierung ebenfalls gravierende Auswirkungen. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Verbindung eines Steckverbinders mit der Leiterplatte dar. Der Großteil von Steckverbindern wird mit Leiterplatten kontaktiert. Die heute verfügbaren Leiterplattentechnologien zur Herstellung von kostengünstigen und sicheren Anschlüssen an Steckverbinder stellen eine Schwachstelle beim Trend zur Miniaturisierung dar. Insbesondere die Einpresstechnik erreicht hinsichtlich der mechanischen und elektrischen Eigenschaften ihre Grenzen. In diesem Bereich besteht ein sehr großer Innovationsbedarf!

Neben den technologischen Veränderungen sind auch Veränderungen im methodischen Vorgehen sowohl bei der Entwicklung neuer Steckverbinder als auch bei der Integration von Steckverbindern in elektronischen Systemen erforderlich. Hierzu zählt im Wesentlichen der Einsatz von Simulationswerkzeugen im Bereich der thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Nur durch den konsequenten Einsatz von geeigneten Simulationswerkzeugen kann eine kostengünstige Designabsicherung gewährleistet werden!

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