Entscheidungskriterien beim Gerätedesign

Baugruppen- und Kabelsteckverbinder richtig einsetzen

29.07.2008 | Autor / Redakteur: Karl Zettelmeier* / Kristin Rinortner

Der Einbau von elektrischen Steckverbindungen ist nicht nur auf Leiterplatten aus konstruktiver Sicht zu berücksichtigen, sondern auch an Gehäusen bzw. Blenden. Auch bei unterschiedlichen Kabelsteckern an verschiedenen Kabeln ist die Konstruktion gefordert. Um dies effizient zu gestalten, müssen technisches Know-how und Erfahrungen mit den dafür notwendigen Tools gezielt zusammenwirken.

Bei der Konstruktion von Baugruppen werden u. a. auch die benötigten Steckverbinder lagerichtig positioniert. Dazu gehören die Verbindungstechnik zur Leiterplatte (Einpress- oder Löttechnik), die geforderten Toleranzen und mechanischen Kräfte, die während des Steckvorgangs auftreten. Zusätzlich muss der jeweilige Transport- und Einsatzfall bedacht werden. Dabei ist neben den klimatischen Verhältnissen und möglichen permanenten Kabelzugbelastungen auch das Schock- und Schwingverhalten zu beachten.

Beim Einbau von elektrischen Baugruppen in Gehäuse ist wieder der Konstrukteur gefordert. Hier bildet in der Regel der Steckverbinder, der fest auf der Baugruppe sitzt, die Schnittstelle zu anderen Geräten. Sehr häufig muss hier neben der mechanischen Stabilität auch die Störfestigkeit gewährleistet sein. Das bedeutet, dass der Steckverbinder, der fest auf der Leiterplatte montiert ist, gleichzeitig mit seinem elektrisch leitenden Gehäuse galvanisch mit dem Schirmgehäuse des jeweiligen Gerätes verbunden werden muss.

Alle möglichen Anwendungen bei der Konstruktion berücksichtigen

Werden neue Steckkabel eingesetzt, müssen für deren konstruktive Festlegung alle möglichen Anwendungen betrachtet werden. Dabei geht es u.a. auch um die Platzverhältnisse in Geräten und direkt an der Steckerschnittstelle. Die Auswahl der Kabel und der Steckverbinder erfolgt aufgrund elektrischer und mechanischer Anforderungen. Auch das Brandverhalten der Kabel wird hier berücksichtigt. Aus den konstruktiven Dokumenten muss eindeutig eine rationelle Fertigung gewährleistet sein. Bei der Verbindung Kabel mit Stecker kommt die Löt-, Crimp- und Schneidklemmtechnik zum Einsatz. Gegebenenfalls ist auch das Ankontaktieren von Folien- oder Geflechtschirmen eine Herausforderung.

Die Fertigungsunterlagen werden mithilfe geeigneter Tools erstellt. Die konstruktiven Vorgaben übernimmt das Programm direkt zur Layouterstellung.

Überblick zu konstruktiven Aspekten beim Einsatz von Steckverbindern

Die Auswahl von Steckverbindern erfolgt im Entwicklungsprozess meist nach elektrischen und Verdrahtungsgesichtspunkten durch den Baugruppenentwickler. Der Konstrukteur muss basierend auf den mehr oder weniger ausführlichen Unterlagen des Steckerlieferanten die konstruktiven Aspekte beim Einsatz des Steckverbinders in den jeweiligen Produkten klären. Dies sollte bereits in einer sehr frühen Phase des Entwicklungsprozesses erfolgen – am Besten während der Systemspezifikation, da aufgrund der konstruktiven Randbedingungen ein ausgewählter Steckverbinder auch verworfen werden kann.

Im Folgenden werden am Beispiel eines 4-fach RJ45-Steckverbinders der Firma Molex die wichtigsten Anforderungen des Konstrukteurs an das Datenblatt des Steckerherstellers erläutert. Bild 1 zeigt einige Angaben aus den Produktunterlagen 4-fach RJ45 Steckverbinders. In diesem Fall handelt es um sehr ausführliche Angaben, was nicht bei jedem Steckverbinderlieferanten der Fall ist. Darüber hinaus gibt es für diesen Steckverbinder eine sehr ausführliche Kundendokumentation mit allen wichtigen Funktionsmaßen und Einbaubedingungen wie Frontblendenausschnitte, alle Anschlussmaße für die Leiterplatte (Bohrbild, Pad-Größen und Sperrflächen für Montagewerkzeuge), die PIN-Bezeichnung und Zählweise.

Ergänzend dazu stellt der Hersteller oftmals ein 3D-Modell zur Verfügung. Molex bietet in diesem Fall die Formate step, iges und pro/E für die 3D-Modelle an.

Herstellerangaben auf das aktuelle Projekt umstzen

Die Herstellerangaben müssen nun für die Konstruktion des jeweiligen Einsatzfalles umgesetzt werden. Dies ist erforderlich, da der Steckerlieferant nicht alle Randbedingungen des jeweiligen Einsatzfalles berücksichtigen kann. Das 3D-Modell des Herstellers wird zur Reduzierung von Speicherplatz meist in eine vereinfachte Form umgesetzt. Wie in dem Pro/E-3D-Modell dargestellt, ist dem Steckverbinder ein Bezugspunkt und ein Koordinatensystem zugeteilt worden, das auch die Pin-zählweise definiert. In Analogie dazu wird für das Leiterplattenlayout ein Symbol erstellt, das neben dem Bohrbild und Sperrflächen usw. auch den Bezugspunkt und das Koordinatensystem beinhaltet. Somit wird zwischen Konstruktion und Leiterplattenlayout die notwendige Durchgängigkeit gewährleistet.

Die Verbindungstechnik zwischen Leiterplatte und Steckverbinder ist weiterhin eine wesentliche Anforderung bei der Umsetzung der Herstellerangaben an die jeweilige Anwendung. Im Wesentlichen wird hier zwischen der Einpresstechnik mit ihren verschiedenen Ausprägungen des Einpressstiftes bzw. des Einpressbereichs und der Löttechnik wie z.B. SMT, THT oder „pin in paste“ unterschieden.

Beide Technologien stellen unterschiedliche Anforderungen an die Konstruktion. Für die Montage auf der Leiterplatte sind wiederum zwei unterschiedliche Vorgehensweisen zu unterscheiden: das automatische Bestücken oder Bestücken mit speziellen Montagewerkzeugen. Im zweiten Fall müssen im Leiterplattenlayout gesperrte Räume bzw. Flächen freigehalten werden, damit die Montagewerkzeuge genügend Platz haben.

Mechanische Belastungen

Bei der Montage des Steckers kann die Leiterplatte erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden, die zu Verformungen bzw. Durchbiegungen auf der Baugruppe führen. Damit es hier nicht zu einer Beschädigung der Leiterplatte kommt, müssen gegebenenfalls Versteifungen eingebaut werden.

Auch beim Befestigen von Steckverbindern durch die Löttechnik muss der Konstrukteur dafür Sorge tragen, dass dieser Verarbeitungsschritt problemlos erledigt werden kann. Zum Beispiel müssen beim Schwalllöten Gassen für das Lot berücksichtigt werden.

Weiterhin ist die lagerichtige Positionierung des Steckverbinders wichtig. Dazu gehören unter Anderem folgende Maßnahmen:

  • Positionierung von Pin 1 an der ordnungsgemäßen Stelle,
  • eindeutige Markierung des Steckverbinders und
  • genaue Beschreibung dieser Angaben in den Konstruktionsunterlagen.

Kritischer Punkt: Steck- und Ziehkräfte

Steckverbinder sind Bauelemente, mit denen eine lösbare Verbindung zwischen verschiedenen Übertragungsmedien bewerkstelligt werden müssen. Insbesondere bei Anwendungen mit einer hohen Übertragungsdichte werden hochpolige Steckverbinder sowie viele unterschiedliche Steckverbinder benötigt. Dabei sind die Steck- und Ziehkräfte besonders kritisch. Der Konstrukteur muss diese abschätzen und festlegen, ob zusätzliche Werkzeuge und damit auch zusätzlicher Platz auf der Baugruppe zum Stecken bzw. Ziehen des Gegensteckverbinders einzukalkulieren sind.

Auch für eventuelle Anschlusselemente ist Platz zu berücksichtigen. So braucht z.B. eine flach abgehende Leitung oder Flachbandleitung Bauraum, der abhängig vom gewählten Steckverbinder auf der Baugruppe berücksichtigt werden muss. Ebenso muss sich z.B. eine Stecker-Verriegelung frei bewegen können und darf nicht durch Nachbarbauteile behindert werden. Auch Platz für Schraubendreher oder Finger müssen in der Konstruktion eingeplant werden. Werden Kodierungen oder Suchstifte auch außerhalb des Steckverbinders eingesetzt, müssen diese auch konstruktiv berücksichtigt werden.

Zwei Baugruppen verbinden

Um Baugruppen parallel in einem definierten Abstand zu halten, werden Abstandsstücke eingesetzt. Dabei ist bei der Auswahl der Distanzteile auf die Vorgaben des Steckverbindersystems Rücksicht zu nehmen, um eine sichere Überdeckung der Kontakte zu gewährleisten. Dass heißt, der Steckverbinder darf in seiner wesentlichen Funktion einen sicheren elektrischen Kontakt herzustellen durch die konstruktiven Randbedingungen der jeweiligen Anwendung nicht beeinträchtigt werden.

Bei einigen Anwendungen werden die beiden Baugruppen systemgebunden zugeordnet, z.B. in einem Baugruppenträger mit Hilfe von Leiterplattenführungen, muss das Steckverbindersystem in der Lage sein, die systemgebundenen Toleranzen, Durchbiegungen und Schieflagen mit aufzufangen. Mechanische Vorzentrierungen sind hierfür sehr hilfreich. Der Konstrukteur kann hier schon im Vorfeld unter Berücksichtigung der angestrebten Fertigungstoleranzen zuverlässige Berechnungen durchführen und so ein reibungsloses Zusammenfügen der Steckverbinderpaare gewährleisten.

Herausforderung Vor- und nacheilende Kontakte

Neben der Gewährleistung eines sicheren Kontaktes zwischen der Messerleiste und der Federleiste des Steckverbinders gibt es auch unter Umständen eine weitere elektrische Forderung, für die der Konstrukteur geeignete Maßnahmen treffen muss. Dies sind vor- oder nacheilende Kontakte. Beim Zusammenfügen oder Auseinanderziehen zweier Baugruppen – insbesondere im Betriebsfall des Systems – gibt es häufig innerhalb eines Steckverbindersystems Kontakte, die in genau definierter zeitlicher Abfolge geschlossen oder geöffnet werden müssen. Hierfür ist es schon in dem Designentwurf erforderlich, bei einseitig angeordneten Voreilungen mögliche Kippmomente zu reduzieren. Solchen störenden Kippmomenten kann durch eine symmetrische Anordnung der Voreilungen entgegen gewirkt werden.

Die Steck- und Ziehkräfte können dadurch reduziert werden, dass die Anordnung der Steckverbindungen zueinander eng toleriert werden, dass Voreilungen abgestuft werden oder dass störende Querkräfte und Momente eliminiert werden.

Ein konstruktiv festgelegter Verdrehschutz oder auch Kodierungen helfen, unsachgemäßes Zusammenfügen von Baugruppen zu vermeiden und so mechanische und elektrische Defekte am Steck- bzw. kompletten System zu verhindern.

Positionsganauigkeit bei µTCA-Applikationen

Eine weitere wesentliche Anforderung beim Verbinden von Baugruppen durch Steckverbinder, insbesondere bei Anwendungen mit mehreren, hochpoligen Steckverbindern ist die der Positionsgenauigkeit. Die Problematik ist in Bild 3 am Beispiel eines µTCA-Baugruppenträgers an der Verbindung zwischen der Backplane und der MCH-Steckbaugruppe dargestellt. Die MCH-Baugruppe kann entsprechend der Spezifikation aus bis zu vier Leiterplatten bestehen, die zusammengefügt mit Abstandsstücken als Baugruppe in die Backplane gesteckt wird. Diese Steckverbindung ist entweder als Direktverbindung, also Kontakt-Pad auf der Leiterplatte kontaktiert im Steckverbinder der Backplane, oder als Steckverbinderpärchen ausgebildet. Das schematisch, aber übertrieben dargestellte Bild 3 zeigt die negative Auswirkung auf das System. Nur bei drastisch eingeschränkten Positionstoleranzen der Steckverbinder funktioniert diese Verbindung.

Ein weiteres Beispiel bei der die Positionsgenauigkeit eine große Rolle spielt ist in Bild 4 dargestellt. Im rechten Bild, der konstruktiven 3D-Modelldarstellung der Baugruppe, sind als Sub-Module Speicherbaugruppen zu sehen. Jeweils drei Steckverbinder koppeln die Module. Auch das Stecken eines dritten Moduls muss gewährleistet sein. Im linken Bild ist die Realisierung dazu dargestellt. Für solche Anwendungen sind extrem hohe Positionsgenauigkeiten der Steckverbinder auf der Baugruppe maßgebend. Solche Extremanforderungen an die Positionsgenauigkeit müssen in der Konzeptphase durch zuverlässige Machbarkeitsstudien genau abgesichert werden.

Umweltbedingungen berücksichtigen

Elektronische Systeme werden je nach Anwendung unterschiedlichen Umweltbedingungen ausgesetzt. Der Konstrukteur muss bei der Auswahl und dem Einbau der Steckverbinder darauf achten, dass die erforderlichen Qualifizierungstests am Ende der Systemrealisierung auch erfolgreich bestanden werden. Die wichtigsten Anforderungen sind Erdbebentest, Schock, Office Vibration, Transport Vibration und Temperatur- und Feuchteanforderungen.

Frontplatten-Steckverbinder zum Anschluss von Kabeln

Neben der Verbindung von Baugruppen innerhalb eines elektronischen Systems werden Steckverbinder auch zum Anschluss von Kabeln an den Systemgehäusen, sogenannten Schnittstellensteckverbindern, benötigt (Bild 5). Solche Anwendungen stellen ebenfalls besondere Anforderungen an den Konstrukteur. Die wichtigsten Fragestellung, die dabei zu beantworten sind lauten:

  • exakte Positionierung zur Frontblende,
  • exakte Positionierung zum Gehäuse,
  • Steckbarkeit von Kabeln,
  • Befestigung von Kabeln und
  • Gewährleistung von EMV- und ESD-Anforderungen durch geeignete Schirmung.

Für die exakte Positionierung zur Frontblende und zum Gehäuse sind zuverlässige Toleranzrechnungen unerlässlich, damit auch im ungünstigsten Fall die beiden Komponenten mechanisch zueinander passen und der Verwurf in der Fertigung so gering wie möglich gehalten wird.

Vielfach werden sehr viele, eng beieinander liegende Kabelstecker auf einer Frontblende realisiert. Hier ist besonders darauf zu achten, dass sich die Kabelstecker nicht gegenseitig behindern.

Eine besondere Herausforderung stellt die Gewährleistung von Störschutz und ESD-Anforderungen dar. Ob die gewählte Konstruktion die erforderlichen elektrischen Tests besteht, kann erst am Ende der Entwicklung bei der Systemqualifizierung festgestellt werden. Simulationswerkzeuge stehen hierfür nur mit begrenzter Aussagefähigkeit zur Verfügung.

Zusätzliche Verriegelungen

In manchen Anwendungen müssen Steckverbinder durch besondere zusätzliche Verriegelungen gegen unerwünschtes Öffnen der Verbindung gesichert werden. Bild 6 zeigt hierzu ein Powermodul für ein ATCA-Shelf mit den dazugehörigen Befestigungen. Neben der eigentlichen Befestigung ist hier wichtig, dass das komplette Modul möglichst ohne großen Kraftaufwand gesteckt und gezogen werden kann.

Bei dem Einsatz von Kabelsteckverbinder müssen bei der jeweiligen Anwendung noch weitere Anforderungen gerantiert werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Kabelkonfektionierung im Haus durchgeführt wird. Die wesentlichen konstruktiven Aspekte hierbei sind:

  • Löt-, Crimp-, Schneidklemmtechnik,
  • rationelle Fertigung,
  • Ankontaktierung von Folien- und Geflechtsschirmen,
  • Kabelführung,
  • Kabelfixierung,
  • Kabelzugentlastung,
  • Leitung: starr/flexibel

Hierbei ist besonders auf die Platzverhältnisse im Gerät und an der Steckerschnittstelle, die jeweilige Verriegelung und die Zugentlastung zu achten.

Neben den technischen Anforderungen ist gerade bei der mechanischen Konstruktion der Kostenaspekt wichtig. Hierfür bieten Checklisten und Bewertungsmatrizen eine gute Hilfe um sowohl unter technischen Aspekten als auch Kostenabschätzungen die optimale Lösung für die jeweilige Anwendung zu finden. Die Tabelle veranschaulicht dies an einer Gegenüberstellung eines Kabels mit Geflechtschirm und Folienschirm.

*Karl Zettelmeier ist bei TietoEnator Deutschland in München tätig.

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