Leiterplattensteckverbinder Hochstromfähigkeit und Highspeed kombiniert

Von Martin Adamczyk und Laura Mitlewski*

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Viele Anwendungen erfordern sowohl eine hohe Stromtragfähigkeit des verbauten Leiterplattensteckverbinders als auch eine Highspeed-Datenübertragung. Auf den ersten Blick scheinen diese Anforderungen miteinander unvereinbar. Wie sieht ein derartiger Steckverbinder aus und wie groß baut er?

Highspeed-Datenübertragung: Embedded PCs, Industriesteuerungen oder optische Sensoren für autonomes Fahren, wie Radar, LiDAR und Kamerasysteme brauchen sowohl eine hohe Stromtragfähigkeit als auch hohe Datenübertragungsraten. Müssen Strom und Signale über separate Stecker geführt werden?
Highspeed-Datenübertragung: Embedded PCs, Industriesteuerungen oder optische Sensoren für autonomes Fahren, wie Radar, LiDAR und Kamerasysteme brauchen sowohl eine hohe Stromtragfähigkeit als auch hohe Datenübertragungsraten. Müssen Strom und Signale über separate Stecker geführt werden?
(Bild: ept)

Fließt ein elektrischer Strom durch einen Widerstand, führt dies zu Verlustleistung, die sich in Erwärmung des bestromten Materials äußert. Je höher dabei der Stromfluss, desto stärker erwärmt sich dabei auch der Leiter. Diese Heizleistung P – auch Joul’sche Verlustleistung genannt – ergibt sich dabei aus dem Widerstand des Leiters R und der Stromstärke I, welche quadratisch in den Term eingeht (Gleichung 1).

P = R ∙ I2 (Gl. 1)

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Aus Gleichung 1 lassen sich zwei Kernaussagen ableiten: Zum einen führt eine Verdopplung des Stroms zu einer Vervierfachung der Verlustleistung. Zum anderen verhält sich der Widerstand eines elektrischen Bauteils proportional zu seiner Heizleistung P und beeinflusst so das Wärmemanagement unmittelbar. Wovon der Leiterwiderstand R abhängig ist, wird aus Gleichung 2 ersichtlich:

R = ρ (T) ∙ l/A (Gl. 2)

Demnach erhöht sich der Widerstand R mit zunehmendem spezifischen Widerstand des Leitermaterials ρ (T) sowie der Länge l des Leiters und sinkt mit steigender Querschnittsfläche A des Leiters.

Die Temperatur, die auf ein elektrisches Bauteil einwirkt, ist maßgeblich für dessen ordnungsgemäße Funktionsweise entscheidend, denn elektrische und mechanische Eigenschaften verändern sich in Abhängigkeit von thermischen Einflüssen. So nimmt bei einer signifikanten Temperaturerhöhung von Metallen der spezifische elektrische Widerstand ρ zu, während das Metall zugleich an Festigkeit verliert.

Um einen Temperaturanstieg über die bauteilspezifische Grenztemperatur hinaus zu verhindern, ist es daher in der Praxis notwendig, den Stromfluss zu begrenzen.

Theoretische Stromtragfähigkeit pro Pin ermitteln

Möchte man die Stromtragfähigkeit pro Pin ermitteln, muss berücksichtigt werden, dass die maximal zulässige Temperaturerhöhung Δt in Kombination mit der Umgebungstemperatur TUmgebung nicht die maximal zulässige Grenztemperatur TGrenz des Bauteils überschreiten darf. TGrenz ergibt sich dabei aus der thermischen Belastbarkeit der verwendeten Werkstoffe, wohingegen TUmgebung die Temperatur in unmittelbarer Nähe des Steckverbinders, also die geräteinterne Temperatur der Baugruppe während des Betriebs beschreibt.

Mithilfe von Strombelastbarkeits-Kurven kann man ermitteln, wie viel Strom bei einer gegebenen Umgebungstemperatur durch einen Kontakt geführt werden darf, um die maximal zulässige Grenztemperatur des Bauteils nicht zu überschreiten. Je höher dabei die Umgebungstemperatur, desto geringer ist entsprechend auch die Strombelastbarkeit pro Steckverbinderkontakt (Bild 1).

Wird eine Basis-Strombelastbarkeits-Kurve erstellt, muss nach DIN EN IEC 60512-5-2 bei mindestens drei verschiedenen Strömen I der Temperaturanstieg Δt ermittelt werden. Anhand dieser Werte wird die restliche Basis-Strombelastbarkeits-Kurve interpoliert. Je größer die Anzahl der Messungen, desto exakter kann die Basis-Strombelastbarkeits-Kurve abgebildet werden. Dabei sollten insbesondere im Grenzbereich der maximalen Temperaturerhöhung die Werte gemessen werden.

Stromtragfähigkeit: Die normierte Derating-Kurve

Die Basis-Strombelastbarkeits-Kurve wird um den Korrekturfaktor 0,8 reduziert, sodass man die offizielle, in der Norm DIN EN IEC 60512-5-2 definierte Strombelastbarkeits-Kurve (Derating-Kurve) erhält. In Datenblättern wird ausschließlich diese korrigierte Strombelastbarkeits-Kurve angegeben.

Die Gründe für den Korrekturfaktor sind vielschichtig: Es werden damit sowohl Unsicherheiten in der Messanordnung und bei der Temperaturmessung berücksichtigt, als auch eine Widerstandserhöhung, die sich während der Lebensdauer des Steckverbinders ergeben kann.

Bei der Ermittlung der Stromtragfähigkeit von Board-to-Board Steckverbinder gemäß DIN EN IEC 60512-5-2 werden alle Kontakte der Steckpärchen in Reihe geschaltet. An der Position, die sich am Bauteil am stärksten erwärmt, wird ein Temperaturfühler angebracht. Dieser misst die Bauteiltemperatur.

Stromtragfähigkeit in der Praxis: Hotspots

In realen Anwendungen werden jedoch selten alle Kontakte eines Steckverbinders mit dem maximalen Stromwert belastet. In der Regel werden nur ein paar Kontakte für die Stromversorgung eines elektrischen Gerätes benötigt, über den Rest der Kontakte wird die Signalübertragung zwischen zwei Leiterplatten sichergestellt.

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Die Signale werden in Hochfrequenzanwendungen im Milliampere-Bereich übertragen, dies führt zu einer kaum messbaren Erwärmung der Signalkontakte. Bei der Bestromung einzelner Pins wird zudem weniger Wärmeenergie erzeugt, weshalb die Stromtragfähigkeit deutlich besser ausfällt. Diese Ergebnisse sind auch im Labor reproduzierbar.

Bild 2 zeigt beispielhaft, wie sich beim Steckverbinder Zero8 in Abhängigkeit der Polzahl und Anzahl stromführender Kontakte unterschiedliche Stromangaben pro Kontakt ergeben. Grund hierfür ist eine geringere Hotspot-Bildung im Inneren von Steckverbindern mit kleiner Polzahl: Hier entsteht weniger Wärme und diese kann besser verteilt werden. Noch besser wird die Wärme abgeleitet, wenn der Strom nur über einen kleinen Anteil der Kontakte geführt wird.

Außerdem kann bei Anwendungen, die keinen hohen EMV-Schutz benötigen, ebenfalls die Schirmung eines Board-to-Board-Steckverbinders für die Stromübertragung verwendet werden (Bild 3).

Im Gegensatz zu dem Derating-Diagramm der Kontakte in Bild 2 steigt dabei die Strombelastbarkeit pro Schirmblech mit zunehmender Polzahl, da der Strom über eine größere Fläche übertragen werden kann (Bild 4).

Stromtragfähigkeit: Einflussmöglichkeiten beim Steckverbinder

Entscheidend für die elektrische Leitfähigkeit eines Steckverbinders ist unter anderem das Kontaktmaterial. Handelsüblich wird eine Bronzelegierung mit 6-prozentigem Zinnanteil (CuSn6) verwendet. Die Kupferbasislegierung CuNiSi offeriert die dreifache Leitfähigkeit und bietet darüber hinaus eine hervorragende Relaxation. So bleiben in Kombination mit einer doppelten Kontaktierung auch nach Lebensdauer- und Vibrationsprüfungen dauerhaft hohe Kontaktkräfte – und damit geringe Übergangswiderstände – erhalten.

Der Ohm’sche Kontaktwiderstand kann außerdem durch eine große Kontaktfläche und eine hohe Kontaktnormalkraft an der Kontaktstelle möglichst gering gehalten werden. An der Steckverbinderoberfläche können Fremdschichten, beispielsweise durch Abriebpartikel, den Übergangswiderstand erhöhen. Um dies von Vornherein zu vermeiden, sind wertige Steckverbinder zumindest mit einer Flash-Gold-Schicht versehen.

Zudem muss der Isolierkörper eines Steckverbinders aus hitzebeständigem Material bestehen, damit der Steckverbinder dauerhaft hohe Ströme führen kann. Hierzu eignet sich beispielsweise ein wärmebeständiger LCP-Kunststoff.

Ein konstanter Kontaktquerschnitt ermöglicht darüber hinaus, dass hohe Ströme über den Kontakt geführt werden, ohne dass sich der Kontakt partiell überhitzt. Vermeidet man Querschnittsänderungen, wirkt sich das positiv auf den Impedanzverlauf und damit auf die HF-Eigenschaften eines Steckverbinders aus.

Hintergrund: Highspeed – Impedanz und Anstiegszeit

Der Impedanzverlauf eines Steckverbinders beeinflusst die Signalintegrität stark. Sobald sich die Impedanz im Übertragungsweg des Signals verändert, entstehen Reflexionen. Diese reduzieren die Effizienz der Datenübertragung. Schon eine Material- oder Geometrieänderung kann eine Schwankung der Impedanz verursachen.

Doch nicht nur die Kontaktgeometrie des Steckverbinders, sondern auch die sogenannte Rise Time (dt. Anstiegszeit) beeinflusst den Impedanzverlauf und somit auf die Qualität der Signalübertragung (Bild 5). Digitale Systeme operieren zwar idealisiert auf rechteckförmigen Signalen, welche ihren Zustand unmittelbar wechseln können. In der Realität benötigt der Zustandswechsel jedoch Zeit. Die Rise Time beschreibt die Zeit, in der das Signal zwischen zwei definierten Amplitudenwerten (in der Regel 10 und 90 %) liegt. Je geringer die Rise Time ist, desto größer ist die Bandbreite.

Signalreflexionen infolge von Impedanz-Abweichungen sind Verluste, die in der Einfügedämpfung (engl. Insertion Loss) sichtbar werden. Die Einfügedämpfung gibt die Abschwächung des Signals durch den Steckverbinder als Verhältnis von durchgelassenem zu einfallendem Signal wieder.

Hierzu ein Beispiel: Zieht man als Kriterium für die Datenrate des Steckverbinders Zero8 einen typischen Wert für die Einfügedämpfung von –3 dB heran, ergibt sich bei 11 GHz eine Übertragungsgeschwindigkeit von 22 GBit/s. Eine Einfügedämpfung von –3 dB entspricht einem Signalverlust von 30 % bzw. einem Leistungsverlust von 50 % (Bild 6).

Highspeed: Einflussmöglichkeiten beim Steckverbinder

Verluste in der Signalübertragung lassen sich demnach durch einen gleichmäßigen Impedanzverlauf minimieren. Über die Höhe der Leitungsverluste entscheiden dabei Pin-Querschnitt und -material. Überstehende Leitungselemente können darüber hinaus als Antennen wirken und zu unerwünschten Resonanzen führen.

Die besondere Herausforderung im Design von Highspeed-Steckverbindern liegt daher in der Steuerung ihrer Impedanz. Diese wird von induktiven und kapazitiven Eigenschaften bestimmt, welche wiederum von Größe, Anordnung und Design der Pins abhängen. Im besten Fall sollte ein Steckverbinder eine auf die Applikation angepasste Impedanz besitzen – in der Regel 85 oder 100 Ω.

Die Signalintegrität lässt sich außerdem durch die Wahl der Dielektrika beeinflussen, da diese sich auf die Signalausbreitung auswirken. Somit bestimmt das Isolierkörpermaterial nicht nur für die Höhe der Stromtragfähigkeit, sondern spielt auch für die Qualität der Signalübertragung eine entscheidende Rolle.

Stromtragfähigkeit und Highspeed im Steckverbinder kombinieren

Die Verwendung eines Steckverbinders zur simultanen Strom- und Signalübertragung? Was zunächst widersprüchlich klingt, ist durchaus umsetzbar: Voraussetzungen hierfür sind die geeignete Materialbeschaffenheit von Isolierkörper und Pins sowie die Kontaktgeometrie mit geringen Querschnittsänderungen. Sind diese Kriterien erfüllt, können bei der richtigen Pinbelegung in einem Steckverbinder sowohl hohe Ströme als auch HF-Signale übertragen werden.

Hierzu ist es empfehlenswert, die äußeren Kontakte zur Stromübertragung zu nutzen und diese über zusätzliche Massekontakte von den differenziellen Paaren zur Signalübertragung zu trennen. Durch diese Separation werden sowohl Störeffekte der Stromübertragung auf die Signalübertragung vermieden, als auch eine verbesserte thermische Verteilung realisiert. Zusätzlich können die Lötflächen der Boardlocks sowie die Schirmbleche mit den Power-Kontakten zusammengefasst werden und als zusätzliche Kühlkörper fungieren.

Auf diese Weise können Highspeed und Stromtragfähigkeit durchaus miteinander kompatibel sein. Ein entscheidende Vorteil ist, dass zusätzliche Steckverbinder zur Stromübertragung nicht notwendig sind. So können unnötige Kosten, beispielsweise durch doppelte Materialbeschaffung, Freigabeschleifen und Lagerung ebenso eliminiert werden wie der Risikofaktor, der durch einen mangelnden Toleranzausgleich verschiedener Steckverbinder zueinander entsteht.

In Zeiten zunehmender Miniaturisierung kommt ein weiterer Pluspunkt hinzu: Entwickler sparen sich kostbaren Bauraum in ihrer Anwendung. Hohe Ströme und Highspeed-Signale zugleich – das ist also alles eine Frage des Steckverbinder-Designs.  (kr)

* Martin Adamczyk ist Produktmanager bei ept in Peiting.

* Laura Mitlewski ist PR- & Content-Managerin bei ept in Peiting.

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