Sicherer Kontakt Steckverbinder für AMC-Karten

Für die kostengünstigen „Advanced“-Telekommunikationssysteme packt man möglichst wenig Funktionen in die einzelnen Module. Diese „Minimodule“ werden zu Multifunktionsmodulen kombiniert. Um auch bei der Fertigung die Kosten zu minimieren, wurde für den Einsatz von AMC-Karten statt eines zweiteiligen Steckverbinders (male/female) ein Kartenrandsteckverbinder definiert, der die Goldpads der AMC-Leiterkarte direkt kontaktiert.

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Gemäß Spezifikation sollen die AMC-Steckverbinder eine maximale Datenübertragungsrate von 12,5 GBit/s pro Kontaktpaar aufweisen. Daher muss besonderer Wert auf eine hohe Signalintegrität gelegt werden – und dies bei stetig voranschreitender Miniaturisierung. Bei AMC bedeutet das: Auf einer Modulbreite von 73,5 mm sollen bis zu 170 Kontakte über die Steckverbindung geführt werden. Dies, bei gleichzeitig steigenden Anforderungen an die Signalübertragung, stellt sowohl die Hersteller von Steckverbindern als auch von Leiterkarten vor eine Herausforderung, die eine neue Größenordnung hat.

Das Prinzip der Direktsteckung ist aus dem PICMG-1.x-Standard (ISA und PCI) bekannt. Die Anforderungen an die AMC-Systeme sind jedoch signifikant höher. So wurde ein Kontaktraster von 0,75 mm festgelegt – mit entsprechend verkleinerten Toleranzen. Zum Vergleich: Bei ISA beträgt dieses 2,54, bei PCI 1,27 mm. Darüber hinaus sollen AMC-Module in Fertigungsumgebungen und in Outdoor-Anwendungen eingesetzt werden, das PCI-Steckverbindersystem dagegen wurde für den Einsatz in der erweiterten Büroumgebung konzipiert. Verschärft sind deshalb beispielsweise auch die Anforderungen für den Schadgastest.

Heikles Thema: Kontaktzuverlässigkeit im Industrieeinsatz

Als Konsequenz ergibt sich: Die Kontaktzuverlässigkeit um die geforderte Verfügbarkeit von 99,999% zu erreichen ist schwierig. „Kontaktzuverlässigkeit“ beinhaltet hier sowohl die sichere elektrische Verbindung über die gesamte Lebenszeit der Baugruppe im Industrieeinsatz als auch die Stecksicherheit bei extremem Zusammentreffen von Einzeltoleranzen.

Daher mussten die bisher vorhandenen Produkte systematisch weiterentwickelt werden. Im folgenden werden am Beispiel der HARTING Technologiegruppe die speziellen Eigenschaften der con:card+ Steckverbinder erläutert. Das Espelkamper Unternehmen hat diese neue Generation von AMC-Steckverbindern für MicroTCA- und ATCA-Systeme gemeinsam mit ept entwickelt, um das störungsfreie Zusammenspiel mit den AMC-Modulen zukünftig zu optimieren.

Kontaktsicherheit durch exakte Positionierung der Steckkarten steigern

Aus dem geforderten Kontaktraster von 0,75 mm resultiert – unter Berücksichtigung der Luft- und Kriechstrecken – eine Breite der Goldpads von maximal 0,5 mm. Die weiteren Toleranzen im Zusammenspiel von AMC-Karte und Steckverbinder sind so eng definiert, dass im schlimmsten Fall der Kontakt zwar auf dem Goldpad (gerade noch) aufliegt, dabei aber kaum Sicherheiten vorhanden sind – beispielsweise bei Erschütterungen.

Schon bei einer geringfügigen Abweichung über die erlaubten Toleranzen hinaus ist keine verbürgte Funktion des Systems gewährleistet. Nach den Erfahrungen von Systemherstellern ist das Einhalten dieser engen Toleranzen ein ernsthaftes Problem für die Leiterkartenhersteller. Obwohl bisher nur in Kleinserien gefertigt wird, liegen die Leiterkarten, selbst bei renommierten Herstellern, oft außerhalb der geforderten Toleranzen. In der Serienproduktion wird sich der Ausschuss noch erhöhen.

Zwei kritische Punkte sind bei diesen Betrachtungen besonders zu beachten. Zum einen ist dies die kleine Toleranz in Bezug auf die Breite der Steckzunge des AMC-Moduls. Für eine wirtschaftliche Fertigung werden mehrere Leiterkarten auf einmal innerhalb eines großen Nut-zens gefertigt, aus dem sie am Ende herausgetrennt werden müssen. Das geforderte Maß ist 65 mm ±0,1 mm. Die Toleranz von zwei Zehntel Millimeter liegt für ein derartiges Fertigungsverfahren an der Grenze des Machbaren.

Kritischer Punkt: Symmetrie des Padfeldes

Der zweite kritische Punkt ist die Symmetrie des Padfeldes auf der Leiterkarte. Die Padfelder der Ober- und Unterseite der Leiterkarte werden in zwei getrennten Lithografieprozessen aufgebracht. Das kann zu Abweichungen zwischen Ober- und Unterseite führen. Der mechanische Prozess zum Ausfräsen der Steckzunge ist ein dritter unabhängiger Prozess, sodass auch hier die Gefahr einer Addition der Toleranzen und damit einer zu großen Abweichung besteht.

Diese kritischen Punkte beeinflussen die Stecksicherheit unmiittelbar. Sie ist dann am größten, wenn sich die Symmetrieachsen der beiden Padfelder und des Steckverbinders decken. Aus Toleranzgründen muss der Slot der AMC-Steckverbinder breiter sein, als die maximal zulässige Breite der AMC-Module. Eine Karte mit minimal zulässiger Breite hat also verhältnismäßig viel Spiel. Als Folge davon können die Symmetrieachsen der Padfelder und des Steckverbinders sehr weit auseinander liegen. Ein Padfeld, dass nicht symmetrisch zu den Kartenrändern liegt, kann diesen Effekt noch verstärken.

Leiterplatten mit den engen Toleranzen des AMC-Standards herzustellen, ist mit heutigen Fertigungsanlagen problematisch. Mit con:card+ wurde der Steckverbinder deshalb über den geforderten Standard hinaus verbessert. Mittels einer Andruckfeder am oberen Ende des Slots, der so genannten GuideSpring, wird die Stecksicherheit entscheidend erhöht. Darüber hinaus kann con:card+ die er-laubten Toleranzwerte der Leiterkarten bei gleicher Stecksicherheit vergrößern. So können auch Leiterkarten verwendet werden, die mit dem heutigen Stand der Technik in Serie produziert werden können.

Im Detail funktioniert das so: Durch die GuideSpring wird das Modul immer an die untere Wand des Steckverbinders gedrückt. Gleichzeitig ist diese Wand um 0,075 mm in Richtung Mitte verschoben. So wird die Überdeckung der Symmetrieachsen des Padfeldes und des Steck-verbinders für Module in Nennbreite optimiert. D.h., das nach Norm mögliche maximale Spiel der Leiterplatte wird um 60% reduziert. Klei-nere Karten werden durch die Feder in Position gehalten und können nicht verrutschen.

Größere Karten können trotz der verengten Wand gesteckt werden, da die GuideSpring auf der gegenüberliegenden Seite ausweicht. Werden alle Toleranzen eingehalten, reduziert sich der Abstand von der Mitte des Kontaktpunktes zur Padmitte um 0,075 mm auf 0,1525 mm. Der Kontakt liegt auch im ungünstigsten Fall fast vollständig auf dem Goldpad auf und gewährleistet eine hohe Stecksicherheit.

Neben der Möglichkeit, die Toleranzen der Karten zu vergrößern, bietet der AMC-Steckverbinder mit Andruckfeder noch weitere Vorteile:

• Schon beim Einführen wird die Karte positioniert. So kann ein Fehlstecken der Kontakte über zwei Pads vermieden werden.
• Nach erfolgter Kontaktierung wird die Karte während des Einsteckvorgangs zusätzlich geführt.
• Nach dem Stecken wird die Karte in ihrer Position gehalten. Das gewährleistet die Kontaktierung auch bei Vibrationen und beugt Durchrieb oder Reibkorrosion zwischen Kontakt und Pad vor.

Kontakte mit glatter Oberfläche schützen die Goldpads

Die Spezifikation für AMC sieht 200 Steckzyklen für ein Modul vor. Für die Goldpads auf der Leiterkarte stellt dies eine enorme Belastung dar. In der Regel sieht der Aufbau der Pads von „unten nach oben“ folgendermaßen aus: Trägermaterial (FR4), Kupferschicht (ca. 40 µm), Nickel (ca. 2 bis 4 µm) und schließlich Gold als Korrosionsschutz (ca. 1 µm). Die Kupferschicht ist relativ weich, die Oberfläche aus Nickel/Gold sehr dünn. Diesem Pad steht ein massiver und harter Kontakt aus einer Kupferlegierung gegenüber.

Um 200 Steckzyklen zu gewährleisten, müssen die Belastungen des Pads deshalb minimiert werden. Dazu ist eine sehr glatte Oberfläche des Kontaktes notwendig. Aufgrund der Toleranzproblematik ist bei einem effektiven Steckverbinderdesign eine Kontaktierung an der Stanzkante der Kontakte unumgänglich. Im konventionellen Stanzprozess erhält man dabei immer eine Abrisskante, die den Kontakt äußerst rau macht. Diese erstreckt sich typischer Weise über 30 bis 50% der Kontaktoberfläche.

Kontakte mit einem derart hohen Anteil von Rauhigkeit verursachen schon nach wenigen Steckzyklen Beschädigungen auf der Oberfläche der Pads, denn die Nickel/Goldschicht auf dem weichen Kupfer kann einer solchen Belastung nicht mehrfach standhalten. Mit der neusten Generation von Hochleistungsstanzwerkzeugen ließ sich die Rauhigkeit auf der Stanzkante nahezu vollständig eliminieren.

Dies zeigte sich bei Steckzyklentests mit con:card+ im Vergleich mit herkömmlichen AdvancedMC-Steckverbindern. Die con:card+-Steckverbinder hinterlassen nur wenig Verschleißspuren, die anderen getesteten Steckverbinder haben teilweise starke Beschädigungen auf den Goldpads verursacht, die in der Folgezeit zu Korrosion und möglicherweise zu Kontaktunterbrechungen führen – 200 Steckzyklen sind illusorisch.

Auch die Leiterplatte ist ein Aggressor

Bei dem definierten, einteiligen Steckverbindersystem ohne Gegenstecker kann der Hersteller nicht den Gegenpart des Steckverbinders beeinflussen, der die Abnutzung der Kontakte maßgeblich verursacht: die Leiterplatte. Sie wirkt bei zwei wesentlichen Abläufen auf die Le-bensdauer des Kontaktes ein. Zum einen beim Stecken der Karte, wenn die Kontaktfläche über die Fräskante der Leiterkarte reibt. Das sehr raue, mit Glasfasern durchsetzte FR4-Material strapaziert die Oberfläche des Kontaktes beim Stecken und Ziehen stark.

Zum zweiten ist dies der Kontaktierungszeitpunkt selbst. Hierbei entsteht eine besondere Beanspruchung beim Gleiten über die Kante des Pads. Jedes zweite Pad hat dazu noch ein Prepad, bei dem die dreifache Belastung auftritt: auf das Prepad hinauf, vom Prepad hinunter und auf das eigentliche Kontaktpad wieder hinauf.

Die Kanten der Pads sind teilweise scharfkantig oder durch die Galvanisierung unterätzt. Bei häufigen Steckzyklen können sie die Kontakt-oberfläche nachhaltig beschädigen. Derartig aufgeriebene Oberflächen sind Angriffspunkte für Korrosionen, die die Kontaktsicherheit der Steckverbindung gefährden. Abhilfe bringt eine besonders widerstandsfähige Kontaktoberfläche aus Nickel-Palladium: Sie beugt Korrosion vor und erhält die Kontaktsicherheit aufrecht, in Verbindung mit einem Gold-Flash wird eine um 30% bessere Verschleißfestigkeit im Vergleich zu reinem Gold erreicht.

Gefürchtet: Ermüden der Federkraft

Relaxation ist bei Steckverbindern als das Nachlassen der Federkraft gefürchtet. Ein wesentlicher Unterschied zwischen einteiligem AMC- zum zweiteiligen Stecksystem mit Messer- und Federleiste ist die Halbierung der Kontaktpunkte. In der Regel hat ein zweiteiliges Stecksys-tem mindestens zwei Kontaktpunkte, so zum Beispiel bei DIN 41612 oder bei den hart metrischen 2-mm-Steckverbindern. Hier umfasst die Federtulpe den Messerkontakt und drückt und kontaktiert beidseitig.

Bei den AMC-Karten sind die 170 Kontakte auf die Pads der Ober- und Unterseite verteilt. Das bedeutet, dass es für jedes Pad nur einen Ge-genspieler im Stecker gibt, der dieses damit auch nur von einer Seite her kontaktieren kann. Um dabei die Stecksicherheit zu gewährleisten, muss dieser Kontakt mit einer ausreichend hohen Kraft über die gesamte Lebensdauer auf das Pad drücken. Die Stärke der AMC-Karten ist definiert mit 1,6 mm ±10% und kann damit zwischen 1,44 und 1,76 mm schwanken. Sowohl bei der maximalen als auch noch bei einer minimalen Stärke der Steckkarte müssen ausreichend große Normalkräfte auf das Pad wirken. Die Federkraft darf auch beim Wechsel zwischen sehr dicken und sehr dünnen Leiterkarten nicht nachlassen.

Über die Lebensdauer definierte Normalkraft

Die con:card+-Steckverbinder sind so spezifiziert, dass sie am Ende der Lebenszeit eine Normalkraft von 0,5 N pro Kontakt nicht unter-schreiten sollen. Dieses wurde im Laborversuch nach anerkannten Testkriterien im Relaxationstest mit Temperaturauslagerungen nachgewiesen. Die Vergleichssteckverbinder unterschreiten die Grenze von 0,5 N bereits bei der Anlieferung.

Diese Anforderungen sind mit normalen Kontaktwerkstoffen kaum zu bewältigen. Erforderlich für eine hohe Relaxationsbeständigkeit ist eine besondere Legierung, die eine höhere und längere Belastbarkeit der Kontakte ermöglicht. Die Normalkräfte nehmen wesentlich langsamer ab als bei normalen Kupferlegierungen.

Öffnen der Spezifikation für die Einpresstechnik

Im Frühjahr 2005 wurde die AMC.0-Spezifikation auf Wunsch vieler Mitglieder der PICMG geöffnet, um neben der Compression Mount Technology (CMT) den Standard um alternative Anschlusstechnologien zu erweitern: Die Einpresstechnik, die Surface Mount Technology (SMT) und die „Pin-In-Hole-Reflow“ (PIHR) Löt-Technik. Bei der jüngeren MicroTCA-Spezifikation wurden von Anfang an die Einpresstechnik, CMT und SMT definiert.

Seitens der Steckverbinderhersteller hat HARTING von Beginn an die Gestaltung der Spezifikation mit vorangetrieben. Die Einpresstechnik ist eine bewährte Anschlusstechnologie und das Footprint für die Einpressvariante des MicroTCA-Steckverbinders wurde nach einem Vor-schlag von HARTING in die Spezifikation aufgenommen.

Konsequenterweise wurde die Einpresstechnik auch in die con:card+-Generation übernommen. Die Verbindung ist mechanisch stabil und gasdicht, die Verarbeitung schnell und problemlos. Zudem ist der Einpresssteckverbinder weitgehend resistent gegen mechanische Belastungen, insbesondere durch Vibrationen oder Biegebeanspruchungen beim Stecken und Ziehen von AMC-Karten.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass durch die gezielten Verbesserungen der Steckverbinder – über die Forderungen der Standar-disierung hinaus – eine sichere Kontaktierung der AMC-Karten maßgeblich unterstützt. Deshalb hat sich Rittal dafür entschieden, in seinen ATCA- und MicroTCA- Systemen con:card+-Steckverbinder einzusetzen.

Gütesiegel con:card+

Die HARTING Technologiegruppe und ept haben sich im Jahr 2005 zu einer Entwicklungskooperation zusammengeschlossen, um die bereits verfügbaren AdvancedMC-Steckverbinder weiterzuentwickeln und auf diese Weise die Kontaktzuverlässigkeit entscheidend zu verbessern. Das Ergebnis ist eine neue Generation von AdvancedMC-Signalsteckverbindern, die unter dem Gütesiegel „con:card+“ von ept und HARTING im Markt eingeführt wurden. Mit con:card+ ha-ben beide Unternehmen ein klar umrissenes Qualitätsniveau sichergestellt und bieten zudem ein duales Sourcing an.

Die fünf Eigenschaften von con:card+ im Überblick

GuideSpring – Die GuideSpring ist das Kernelement von con:card+. Der Steckverbinder mit GuideSpring gleicht zu große Toleranzen der Leiterkarte während des Steckvorgangs aus. Die Positionierung der Leiterkarte im Steckverbinder wird um bis zu 60% verbessert. Dies erhöht die Stecksicherheit enorm und ermöglicht den zuverlässigen Betrieb der Systeme auch mit Leiterkarten, die in den Toleranzen etwas von der Spezifikation abweichen.

Extrem glatte Kontaktoberfläche – Die Direktsteckverbindung belastet die Goldpads der Leiterkarte stark. Durch die glatte Kontaktober-fläche wird der Verschleiß der Karte minimiert.

PdNi-Kontaktbeschichtung – Die Anfasung der Leiterkarte und die scharfkantigen Goldpads beanspruchen auch den Kontakt sehr. Durch die PdNi-Oberfläche mit zusätzlichem Gold-Flash bietet eine um 30% bessere Verschleißfestigkeit.

Spezielles Kontaktmaterial – Um über die gesamte Lebensdauer mit einer ausreichenden Normalkraft auf dem Goldpad zu kontaktieren, nutzt con:card+ eine Speziallegierung mit besonders geringer Relaxation .

Einpresstechnik – Als Anschlusstechnik hat sich die Einpresstechnik seit langer Zeit bewährt. Insbesondere bei der mechanischen Stabilität bietet sie große Vorteile. Die Verarbeitung ist einfach und kostengünstig.

*Uwe Marcus ist als Sales Account Manager bei der Harting Technologiegruppe tätig. Wilfried Braun ist Leiter des Produktmanagements Elektronik-Aufbau-Systeme bei Rittal Electronic Systems.

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