Leiterplattensteckverbinder Hybride Steckverbinder für einfacheres Leiterplatten-Design

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Heitec AG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Flexible Board-to-Board-Steckverbinder sparen Bauraum beim Leiterplatten-Design und erhöhen die Datenrate. Beide Anforderungen zu verbinden, ohne Strom und Signale über separate Steckverbinder zu führen, funktioniert mit dem hybriden Steckverbinder Zero8.

In realen Anwendungen werden die Kontakte eines Board-to-Board-Steckverbinders i.d.R. nicht ständig mit dem maximalen Stromwert belastet. Ein Grund ist die Sicherheitsmarge, um die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Steckverbinder zu gewährleisten. Auch das Temperaturmanagement hindert den Entwickler, hohe Strömen durch die Kontakte laufen zu lassen, da eine Überhitzung entstehen kann.

Weitere Gründe sind Lebensdauer, Spannungseinbrüche und Signalqualität sowie ein heterogenes Anwendungsprofil mit variierendem Stromverbrauch je nach Betriebszustand. Daher betrachtet man den maximalen Stromwert eines Board-to-Board-Steckverbinders oft als Grenzwert für extreme Bedingungen.

In der Regel werden nur einzelne Kontakte für die Stromversorgung eines elektrischen Gerätes benötigt. Über den Rest der Kontakte wird die Signalübertragung zwischen zwei Leiterplatten sichergestellt. Die Signale werden in Hochfrequenzanwendungen im mA-Bereich übertragen, was wiederum zu einer kaum messbaren Erwärmung der Signalkontakte führt.

Bei der Bestromung einzelner Pins wird laut Laborergebnissen zudem weniger Wärmeenergie erzeugt, weshalb die Stromtragfähigkeit deutlich besser ausfällt. Die Gefahr einer Überhitzung des Steckverbinders besteht nicht, dieses Problem verlagert sich vielmehr auf die Leiterplatte.

Simultane Strom- und Signalübertragung im Steckverbinder

Mit hybriden Board-to-Board-Steckverbindern braucht man nur noch einen Stecker für Strom und Signale: Die Voraussetzungen hierfür sind zum einen die geeignete Materialbeschaffenheit von Isolierkörper und Pins und zum anderen die Kontaktgeometrie mit geringen Querschnittsänderungen. Sind diese Kriterien erfüllt, lassen sich bei der richtigen Pin-Belegung in einem Steckverbinder sowohl hohe Ströme als auch HF-Signale übertragen. Dabei haben Tests gezeigt, dass es ratsam ist, die äußeren Kontakte zur Stromübertragung zu nutzen und diese über zusätzliche Ground-Kontakte von den differenziellen Paaren zur Signalübertragung zu separieren.

Durch diese Separierung werden sowohl elektromagnetische Einflüsse der Stromübertragung auf die Signalübertragung vermieden als auch eine bessere thermische Verteilung realisiert. Zusätzlich können die Lötflächen der Boardlocks sowie die Schirmbleche mit den Power-Kontakten zusammengefasst werden und als zusätzliche Kühlkörper fungieren. Verwendet man hierbei teilbestückte Steckverbinder, lässt sich die Strom- und Signalübertragung noch zusätzlich optimieren.

Highspeed und Stromtragfähigkeit sind daher durchaus miteinander kompatibel skalierbar: Diese Variante bietet für das Leiterplatten-Design den entscheidenden Vorteil, dass auf zusätzliche Steckverbinder zur Stromübertragung verzichtet werden kann. Unnötige Kosten, beispielsweise durch doppelte Materialbeschaffung, Freigabeschleifen und Lagerung lassen sich ebenso eliminieren wie der Risikofaktor, der durch mangelnden Toleranzausgleich verschiedener Steckverbinder zueinander entsteht. In Zeiten zunehmender Miniaturisierung ein weiterer Pluspunkt für die Hardware-Entwickler, denn sie sparen sich kostbaren Bauraum in ihrer Anwendung ein.

Mehr Designflexibilität mit hybriden Steckverbindern

Mit dem Zero8-Steckverbinder hat ept beide Welten kombiniert, denn sowohl hohe Ströme als auch Highspeed-Signale lassen sich in einem Steckverbinder kombinieren. Als reiner Daten-Steckverbinder sind hohe Übertragungsraten über 16 GBit möglich und eingesetzt als reiner Power-Steckverbinder eröffnen sich Stromübertragungen von 1,7 A bei 80-poligem Aufbau und Vollbestromung.

Vereint man nun beide Eigenschaften, indem gezielt definierte Pins zur Stromübertragung genutzt werden, sind noch höhere Ströme bei gleichbleibender Übertragungsrate möglich. In dieser Konfiguration lassen sich pro Pin deutlich höhere Ströme erzielen, wobei die restlichen Pins weiterhin Highspeed-Signale übertragen können.

Im eigens durchgeführten Power-Test wurden in einem speziellen Layout nur die äußeren vier Kontakte bestromt und mit Boardlock über Lötpad zur Hitzeabfuhr kombiniert. Alle anderen Kontakte dienen der Signalübertragung und als Resultat ergibt sich eine Stromübertragung von 7,8 A pro Pin.

Bild 1 zeigt beispielhaft, wie sich beim Steckverbinder Zero8 in Abhängigkeit der Polzahl und Anzahl stromführender Kontakte unterschiedliche Stromangaben pro Kontakt ergeben. Grund hierfür ist unter anderem 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.

Je nach den spezifischen Anforderungen in der Applikation – also den Designprioritäten, dem verfügbaren Platz, den Kosten und der erforderlichen Zuverlässigkeit – entscheidet sich, ob hybride oder separate Steckverbinder zum Einsatz kommen. Hybride Steckverbinder offerieren eine effiziente Lösung für kompakte Designs und enge Bauräume.

Völlig unabhängig von diesen Kriterien eröffnen sich mit den Board-to-Board-Steckverbindern sämtliche Design-Alternativen: Ob Leiterplattenabstände von 6 bis 21 mm oder in 12-poliger bis 80-poliger Ausführung – mit der Zero8-Produktfamilie lassen sich Leiterplatten auch bezüglich der Schirmung flexibel gestalten, insbesondere in Anwendungen, die eine zuverlässige Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung und eine gute Skalierbarkeit in der Board-to-Board-Kommunikation erfordern.

Mit der genderneutralen Anschlusstechnik ScaleX mit ineinander verschränkten Messer- und Federleisten halten die Steckverbinder auch hoher Vibration und Schock stand – und sind damit geeignet für Branchen, die eine zuverlässige, skalierbare und effiziente Verbindungslösung benötigen. (kr)

* Dominik Dotzer ist Produktmanager bei ept in Peiting.

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