Medizintechnik Fünf Tipps zur Auswahl von Steckverbindern

Von Rolf Horn *

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Welche Faktoren sind bei der Auswahl von Steckverbindern für Medizintechnik-Anwendungen zu beachten? Wie lassen sie sich in Highspeed-Systeme integrieren? Eine Auswahlhilfe.

Steckverbinder für Anwendungen in der Medizintechnik: Entwickler müssen aus einer immensen Vielfalt von Steckverbindern wählen. Das Bild zeigt eine kleine Auswahl aus der Masse der verfügbaren Raster, Anschlussarten und Größen. Dazu kommen elektrische Parameter und Umweltstandards.
Steckverbinder für Anwendungen in der Medizintechnik: Entwickler müssen aus einer immensen Vielfalt von Steckverbindern wählen. Das Bild zeigt eine kleine Auswahl aus der Masse der verfügbaren Raster, Anschlussarten und Größen. Dazu kommen elektrische Parameter und Umweltstandards.
(Bild: Samtec)

Je nach Anwendung müssen Steckverbinder für medizinische Geräte und Systeme Normen wie die IEC 60601, ISO 80369-1 und ISO 13485 erfüllen und Umgebungsbedingungen, die über die üblichen Industrienormen und -spezifikationen hinausgehen, genügen.

Neben Nutzbarkeit und spezifischen Normen müssen Entwickler auch technische Kompromisse zwischen NRZ- (Non-Return-to-Zero), auch PAM2 (Pulsamplitudenmodulation mit 2 Pegeln), und PAM4-Steckverbindertechnologien (Pulsamplitudenmodulation mit 4 Pegeln) in Betracht ziehen, um die optimalen Kosten und Leistungen für einen bestimmten Anwendungsfall zu erreichen.

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Im Artikel erläutere ich fünf Faktoren erläutert, die bei der Spezifikation von Steckverbindern für medizinische Geräte zu beachten sind. Anschließend stelle ich Beispiele für Steckverbinderoptionen von Samtec vor. Den Abschluss bilden Überlegungen zur Integration von Steckverbindern in Hochgeschwindigkeitssysteme.

NRZ und PAM4: Qualität kontra Geschwindigkeit

Bei NRZ wird pro Signalintervall 1 Bit an Informationen übertragen. PAM4 ist ein Mehrpegel-Signalmodulationsformat mit einem Durchsatz von 2 Bit pro Intervall. Beim NRZ-Auge repräsentiert der obere Teil die „1“ und der untere Teil die „0“, während das PAM4-Signal aus drei gestapelten Augen besteht, die durch vier Spannungspegel gebildet werden: 00, 01, 10 und 11 (Bild 1).

Die Höhe der Augen ist ein wichtiger Faktor. Die größere Augenhöhe des NRZ-Signals führt zu einer besseren Signalqualität. NRZ ist einfacher zu implementieren, punktet durch weniger Reflexionen sowie einen besseren Rauschabstand und ist im Vergleich zu PAM4 kostengünstiger. PAM4 ist jedoch von Natur aus schneller und wird bei Hochgeschwindigkeitsverbindungen wie der Multi-Gigabit-Kommunikation eingesetzt.

Mechanik: Raster, Verbindung, Montage und Größe

Zu den mechanischen Erwägungen bei der Auswahl von Steckverbindern gehören Raster, Verbindungsart, Montageart und Größe (Bild 2). Das Raster bemisst den Abstand der Kontakte von der Mitte des einen zur Mitte des nächsten. Es wird unter Umständen mit mehreren Zahlen angegeben, da der Abstand zwischen den Kontakten in jeder Reihe und der Abstand zwischen den Reihen gleich oder unterschiedlich ausfallen kann.

Steckverbinder auf Leiterplatten können horizontal, vertikal oder rechtwinklig gesteckt werden. Die Haltekraft ist ein weiterer Faktor, der angibt, wie leicht sich der Steckverbinder entfernen lässt.

Gängige Anschlussarten sind Durchkontaktierung, Oberflächenmontage, Paste-in-Hole (PiH) und Einpresstechnik (Pressfit). Durchsteckkontakte werden durch ein Loch in der Leiterplatte geführt und sorgen für feste Verbindungen zwischen den Leiterplattenschichten.

SMD-Steckverbinder werden auf der Leiterplatte montiert und erfordern keine Bohrungen. Sie können im Vergleich zu durchkontaktierten Steckverbindern kleinere Raster nutzen. Bei einer wachsenden Zahl von Anwendungen werden Durchkontaktierungen durch oberflächenmontierbare Bauelemente ersetzt.

Paste-in-Hole-Steckverbinder werden in Löchern montiert, die nicht durch die gesamte Leiterplatte verlaufen. Um für oberflächenmontierte oder Paste-in-Hole-Designs verwendet werden zu können, muss das Steckverbindergehäuse Reflow-Löttemperaturen standhalten können. Außerdem ist ein horizontaler und vertikaler Freiraum um die Leitungen nötig, um die Lötpaste aufzunehmen.

Einpressanschlüsse sind lötfrei und kostengünstiger, erfordern aber spezielle Werkzeuge für die Installation. Sie werden in ein Loch auf der Leiterplatte gepresst und durch Druckkräfte in Position gehalten. Zu den weniger verbreiteten Anschlussarten gehören Land-Grid-Arrays, Ball-Grid-Arrays, Drahtumwicklung, Crimpen und Schraubanschlüsse.

Benutzerfreundlichkeit: Steckkraft, Kontaktwiderstand und Steckzyklen

Kontaktwiderstand, Steckzyklen und Steck-/Lösekraft sind Kriterien bei Steckverbindern in Anwendungen, in denen diese regelmäßig gesteckt und getrennt werden müssen. Je geringer der Kontaktwiderstand, desto weniger Strom geht über den Steckverbinder verloren.

Eine niedrige Steck- bzw. Lösekraft kann zur Benutzerfreundlichkeit beitragen, solange der Kontaktwiderstand niedrig genug ist, um die elektrischen Anforderungen zu erfüllen. Steckverbinder haben eine begrenzte Anzahl von Steckzyklen, die von einigen Dutzend bis zu mehreren Tausend Zyklen reichen. Die Lebensdauer des Steckverbinders muss auf die Anforderungen der Anwendung abgestimmt sein.

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Wenn Steckverbinderkontakte zusammengesteckt werden, wird der Kontakt verschoben und das Metall gebogen. Die Biegung ist wichtig und bestimmt die Kraft, die zum Stecken und Ziehen des Steckers benötigt wird, sowie den Kontaktwiderstand. Die Biegung verursacht auch Spannungen in den Kontakten, die dazu führen, dass sowohl die Steckkraft als auch der Kontaktwiderstand mit der Zeit abnehmen.

Ersetzt man das üblicherweise in Steckverbinderkontakten verwendete Grundmetall Messing durch die teurere Phosphorbronze, erhöht sich die Lebensdauer der Kontakte. Phosphorbronze ist elastischer als Messing und weniger anfällig für Spannungen, die die Lebensdauer von Bronzekontakten begrenzen.

Die Normen: IEC 60601, ISO 80369-1 und ISO 13485

Es gibt zahlreiche anwendungsspezifische Industrienormen für verschiedene medizinische Systeme und Geräte. Drei der allgemeineren Normen, die bei allen Entwürfen berücksichtigt werden müssen, sind:

  • ISO 80369-1: Diese Norm befasst sich mit der Entwurfsmethodik zur Verringerung des Risikos eines Fehlanschlusses von medizinischen Geräten oder Zubehör für verschiedene Anwendungen.
  • IEC 60601: Hier geht es um die allgemeinen Anforderungen an die grundlegende Sicherheit und die wesentlichen Leistungsmerkmale, einschließlich elektromagnetischer Störungen (EMI) und elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV).
  • ISO 13485: Diese Norm konzentriert sich auf die Qualitätssysteme, die für die Verfolgung der im Herstellungsprozess verwendeten Komponenten und Verfahren erforderlich sind. Sie ist mit ISO-9001 verwandt.
  • Prüfungen über die Industriestandards hinaus
  • Severe Environment Testing (SET), das Testen in extremen Umgebungen, ist eine von Samtec entwickelte Prüfreihe, die über die typischen Industrienormen und -spezifikationen hinausgeht und Folgendes umfasst:
  • 250 Steckzyklen bei 100 Prozent Luftfeuchtigkeit
  • Intensive Stöße und Vibrationen auf der Basis einer Kontaktwiderstandsprüfung und einer Ereigniserkennung:
    –> Kontaktwiderstandsprüfung mit dem 40-fachen der Standard-Gravitationskraft (g), 11 ms, Halbsinus und 12 g RMS, 5 bis 2000 Hz, 1 Stunde/Achse
    –> Ereigniserkennung gemäß EIA-364-87, EIA-364-27 und EIA-364-28 unter Verwendung desselben Prüfverfahrens wie bei der Kontaktwiderstandsprüfung
  • 500 Temperaturzyklen
  • Prüfungen außerhalb des Betriebstemperaturbereichs, bei denen der Steckverbinder einer Kontaktwiderstandsprüfung unterzogen und dann 100 Zyklen lang –55 bis 105 °C ausgesetzt wird, gefolgt von einer erneuten Kontaktwiderstandsprüfung, weiteren 100 Zyklen bei –65 bis 125 °C und noch einer Kontaktwiderstandsprüfung, wobei der Steckverbinder zum Bestehen eine Änderung des Kontaktwiderstands von ≤5 mΩ einhalten muss.
  • Spannungsfestigkeit über 2.000 m NN.
  • Eine ESD-Prüfung (Prüfung zur elektrostatische Entladung) wird normalerweise nicht an Steckverbindern durchgeführt, ist aber in verschiedenen Umwelttests enthalten.

Lebensdauer: Bis zu 10.000 Steckzyklen

Entwickler, die Steckverbinder mit einer Lebensdauer bis zu 10.000 Steckzyklen benötigen, profitieren von den Serien TFM und SFM des Verbindungssystems Tiger Eye-von Samtec. Diese Steckverbinder sind für robuste Mikroanwendungen mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Haltbarkeit ausgelegt und in drei Rastermaßen erhältlich: 0,80, 1,27 und 2,00 mm.

Sie verfügen über wärmebehandelte Mehrfachkontakte aus Berylliumkupfer (BeCu), die für Anwendungen mit hoher Steckzyklenzahl optimiert und für raue Umgebungen ausgelegt sind (Bild 3). Das Modell TFM-105-01-S-D-A zum Beispiel ist eine 10-polige Steckleiste mit Kontakten im Raster von 1,27 mm.

Die glatte Kontaktfläche belastet die Beschichtung nicht, was zu einem geringeren Kontaktwiderstand, einer längeren Lebensdauer der Beschichtung und einer höheren Haltbarkeit führt. Das Lötzinn kann leicht in den Mikroschlitz am Ende eindringen und sorgt so für eine festere Lötstelle. Diese Steckverbinder sind polarisiert, um Fehlstecken zu vermeiden, und optionale Reibverriegelungen verbessern die Sicherheit der Verbindung.

Highspeed-Steckverbinder: Extrem kompakt

Bei Anwendungen, die eine hohe Geschwindigkeit und eine hohe Dichte erfordern, können die Einpress-Arrays SEARAY 1,27 mm von Samtec mit offenem Stiftfeld verwendet werden. Diese Steckverbinder offerieren bis zu 500 Kontakte, die für Signalintegrität optimiert wurden, und optional zur vertikalen oder rechtwinkligen Montage erhältlich sind (Bild 4).

Dieses System bietet bis zu 10 Reihen und 50 Kontakte pro Reihe für eine hohe Flexibilität bei Erdung und Routing und wählbare Stapelhöhen von 7; 8; 8,5 und 9,5 mm bei einer Signalverarbeitungsrate von bis zu 28 GBit/s. Bei Artikelnummer SEAFP-40-05.0-S-06 zum Beispiel handelt es sich um eine vertikal montierte Ausführung mit 240 Kontakten zur Durchkontaktierung.

Leitkongress zu Trends und Einsatz moderner Steckverbinder

Der Anwenderkongress Steckverbinder beleuchtet praxisorientiert technische Aspekte beim Design und Einsatz moderner Steckverbinder. In Praxis-Workshops vermitteln hochkarätige Experten elektrotechnische Grundlagen, spezifisches Knowhow und helfen bei der Auswahl des richtigen Steckverbinders.

Der Kongress ist eine in Europa einzigartige Veranstaltung, die sich den Themen rund um das Steckverbinder-Design, Design-in, Werkstoffe, Qualifizierung und Einsatz von Steckverbindern widmet.

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Steckverbinder für PAM4 oder NRZ?

Für Anwendungen, die eine höhere Kontaktdichte und eine Geschwindigkeit von mehr als 28 GBit/s benötigen, kann die Serie SEARAY mit Datenraten von 56 GBit/s eingesetzt werden. Mit einem Raster von 0,8 mm bietet sie die doppelte Kontaktdichte im Raster 1,27 mm. Sie ist mit einer Stapelhöhe von 7 mm und 10 mm erhältlich und eignet sich für PAM4 oder NRZ.

Konfigurationen mit bis zu 12 Reihen zu je 60 Kontakten für insgesamt 720 Kontakte sind erhältlich. Diese Arrays mit offenem Stiftfeld bieten ein Höchstmaß an Flexibilität bei Erdung und Routing, einschließlich differenzieller Signalpaare, asymmetrischer Signalübertragung und Stromversorgung (Bild 4). Der Steckverbinder SEAF8-20-05.0-S-04-2-K verfügt über 80 vergoldete Kontakte und ist oberflächenmontierbar sowie umweltgetestet.

Anwendung von Highspeed-Steckverbindern

Bei der Verwendung von Hochgeschwindigkeitssteckverbindern in medizinischen Anwendungen müssen Entwickler zahlreiche Faktoren in Bezug auf Signalintegrität und elektromagnetische Störungen berücksichtigen:

  • Kürzer ist besser. Kürzere Steckverbinder verbessern die Signalqualität. Je kürzer der Steckverbinder ist, desto kürzer ist die Zeit, die für Reflexionen und Nebensprechen zur Verfügung steht.
  • Das Signal-Masse-Verhältnis ist wichtig. In den meisten Fällen ist ein Verhältnis von 1:1 optimal, aber bei Steckverbindern mit einer großen Stiftanzahl kann ein kleineres Verhältnis als 1:1 für einen zuverlässigen asymmetrischen Hochgeschwindigkeitsbetrieb erforderlich sein.
  • Eine Masseabschirmung der Kontaktpaare wird für differenzielle Steckverbinder empfohlen, die Signale mit 2,5 GBits/s oder mehr übertragen.
  • Ausrichtungsfehler können bei Leiterplatten mit mehreren Anschlüssen ein großes Problem darstellen. Die vom Hersteller empfohlenen Spezifikationen für die Anschlussverbindungen sind genau zu befolgen und die Toleranzen für den Lochdurchmesser der Ausrichtungsstifte auf maximal 0,05 mm zu begrenzen.
  • Elektromagnetische Störungen sind nicht nur ein Leiterplattenproblem. Leiterplattenverbinder können zu elektromagnetischen Störungen beitragen und müssen von Anfang an als Teil des Gesamtdesigns berücksichtigt werden.

Fazit: Die Auswahl von Steckverbindern für medizinische Systeme ist eine wichtige und komplexe Aufgabe. Die Steckverbinder müssen optimiert werden, um die Forderungen an mechanische Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit zu erfüllen. Darüber hinaus müssen sie die elektrischen Spezifikationen erfüllen und Kommunikationsprotokolle wie NRZ und PAM4 unterstützen.

Die Einhaltung einschlägiger Industrienormen ist wichtig, aber Prüfungen, die über diese hinausgehen, wie bei den hier erwähnten Komponenten von Samtec, sind oft erforderlich, um die hohen Leistungsniveaus zu gewährleisten, die von Steckverbindern in medizinischen Geräten und Systemen erwartet werden.

* Rolf Horn ist Applikationsingenieur bei Digi-Key Electronics in München.

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