Michael Singer, Manfred Schock, Andrea Pachaly-Szalay, Provertha Connectors
Mit geraden und abgewinkelten Ruggedized- sowie geraden Slimline-Steckverbindern im M12- und M8-Format eröffnet Provertha Geräteentwicklern neue Wege beim Leiterplattendesign.
Miniaturisierung darf nicht auf Kosten der Zuverlässigkeit gehen. Provertha hat das erkannt und erweitert sein M8- und M12-Rundsteckverbinder-Portfolio um Leiterplatten- (PCB-) Steckverbinder in SMT-Anschlusstechnik. Die Ruggedized-Serie wurde für eine hohe Funktionssicherheit in anspruchsvollen Anwendungen konzipiert. Die Slimline-Serie ist die kompatible Version zu marktüblichen Layouts und damit ideal für das Drop-in-Replacement an kritischen mechanischen Leiterplatten-Schnittstellen. Beide Serien bieten eine vergrößerte Lötflächenanbindung für mehr Sicherheit bei großen mechanischen Beanspruchungen.
Moderne elektronische Geräte erfordern immer mehr Funktionalität auf weniger Platz. Auch bei I/O-Boxen und Switches gibt es den Trend zu immer kleineren, kompakteren Bauformen, speziell im Zusammenhang mit Edge-Computing im industriellen Internet der Dinge (IIoT) oder im Bahnbereich. Bei derartigen Elektronik-Anwendungen müssen die Geräte auf begrenztem Raum untergebracht werden. Die kleineren Boxen bzw. Switches bieten trotz ihrer Kompaktheit eine Vielzahl an Komponenten, Anschlüssen und Funktionen. Hersteller arbeiten derzeit verstärkt an der Entwicklung von schlankeren, aber dennoch robusten Lösungen. Das hat Auswirkungen auf die Leiterplatten-Anschlusstechnik.
Miniaturisierung von PCB-Steckverbindern
Trotz des Trends zur Miniaturisierung dürfen elektronische Geräte wie I/O-Boxen oder Switches nicht an Robustheit und Langlebigkeit verlieren. Dies ist besonders in industriellen Anwendungen wichtig, wo die Geräte oft rauen Bedingungen, wie Vibrationen, extremen Temperaturen und Feuchtigkeit, ausgesetzt sind. Das führt dazu, dass die eingesetzten Steckverbinder kleiner und kompakter werden und zugleich hohe elektrische und mechanische Anforderungen erfüllen müssen.
Zudem fordern auch Oberflächenmontage-Technologien (SMT) und die Automatisierung der Elektronikfertigung kompakte, automatisierungsfreundliche Steckverbinder, die direkt auf die Leiterplatten gelötet werden können. Ingenieure arbeiten deshalb daran, leistungsfähige Steckverbinder zu entwickeln, die trotz kleinerer Bauformen neben guten technischen Daten, zum Beispiel hinsichtlich Übertragungseigenschaften und Stromstärken, auch eine hohe Langlebigkeit bieten und sich automatisiert verarbeiten lassen.
Insgesamt kommt es darauf an, dass die SMT-Leiterplattenanschlüsse eine hohe Funktionssicherheit bei Schock und Vibration sowie erweiterte Möglichkeiten beim Routing bieten. Ein Beispiel: In bestimmten Anwendungsfällen von I/O-Boxen, z. B. an Spritzgussmaschinen, oder von Ethernet-Switchen in Bahn- und Transportanwendungen treten höhere mechanische Belastungen und Vibrationen auf. Hier sind Steckverbinderlösungen gefragt, die ein Abreißen des Kontaktes im Anschlussbereich zur Leiterplatte oder andere Kontaktunterbrechungen beim Stecken und Ziehen sowie im Betrieb zuverlässig verhindern.
Funktionsausfälle an den Verbindungen lassen sich vermeiden
Es hat sich gezeigt, dass bisherige SMT-Leiterplattensteckverbinder mit zwei Befestigungswinkeln und einem marktüblichen Kontaktdesign in speziellen Belastungssituationen zu einem Ausfall der Verbindung führen können. Zudem ist bei bisherigen Lösungen ein Routing der Leiterbahnen bzw. die Verkabelung am Stecker nur in vertikaler Richtung möglich. Deshalb hat sich Provertha dieser Thematik angenommen und zeigt nun serienreife Lösungen für die PCB-Anschlusstechnik, die auf der Oberflächenmontage-Technik (SMT) basiert.
gewährleisten die richtige Erkennung und Positionierung
In der klassischen THT-Anschlusstechnik gibt es viele Anbieter für PCB-Steckverbinder, jedoch ist bei der SMT-Anschlusstechnik die Anzahl der Anbieter deutlich geringer. Außerdem gibt es bisher am Markt keine abgewinkelten M12-Steckverbinder mit SMT-Anschluss. Bei Ethernet-Switches oder Gateways sind oft RJ45-Schnittstellen im Einsatz. Hier wünschen sich Hersteller im Sinne der Kompaktheit abgewinkelte M12-Steckverbinder in gleicher Bauhöhe, die genau wie RJ45-Steckverbinder auch für den vollautomatischen SMT-Prozess geeignet sind. Unter diesen Gesichtspunkten hat Provertha die ersten abgewinkelten M12-SMT-Ruggedized-Steckverbinder am Markt entwickelt.
Design für hohe Funktionssicherheit und Strombelastbarkeit
Die Ruggedized- und Slimline-Stecker haben ein spezielles Kontaktdesign für eine hohe Funktionssicherheit bei mechanischen Belastungen und sehr kleine Bauhöhen für begrenzte Einbauräume. Ein weiterer Baustein für die Miniaturisierung ist das spezielle Design des neuen manipulationssicheren Einbaugehäuses für das dichte Aneinanderreihen, das wahlweise eine Push-Pull- oder eine Schraub-Verriegelung ermöglicht.
Die neuen Steckverbinder sind dank der hochtemperaturbeständigen Pick-and-Place-Pads und der Tape-and-Reel-Verpackung für die sichere Verarbeitbarkeit im vollautomatischen SMT-Prozess ausgelegt. Durch schmale Gurte lassen sich die Anschlüsse platzsparend an der Feederbank des Bestückungsautomaten unterbringen. Die geringe Bauhöhe und das vollsymmetrische Layout der neuen Steckverbinder minimieren Lötwinkelfehler im Verarbeitungsprozess erheblich.
Neben den üblichen Aspekten, wie der Gurtverpackung und der Pick & Place Cap für die sichere Entnahme aus dem Gurt zur Bestückung, ist die garantierte Koplanarität von ± 0,05 mm bei den neuen Steckern ein wichtiges Kriterium, das von Provertha durch eine 100-prozentige Prüfung bestätigt wird.
Die Ruggedized-und Slimline-Steckverbinder für die Leiterplattenmontage gibt es in zwei Varianten: ungeschirmt oder geschirmt mit einteiliger Schirmfeder in SMT-Anschlusstechnik (Surface Mounting Technology). Alle Steckverbinder in Schutzart IP67 haben sehr gute technische Kennwerte, z. B. eine hohe Strombelastbarkeit und einen großen Betriebstemperaturbereich. Sie sind aus hochtemperaturbeständigem High-Performance-Thermoplast mit hoher Kriechstromfestigkeit gefertigt. Der Comparative Tracking-Index (CTI-Wert), ein Maß für die Kriechstromfestigkeit von Kunststoffen, liegt bei über 600.
Unglaublich hart im Nehmen – die Ruggedized-Steckverbinder
Die Ruggedized-Baureihe vereint die Kundenforderung nach hoher Funktionssicherheit sowie nach optimalem Routing auf der Leiterplatte. Die Baureihe wurde entwickelt, um an den Kontakten des Leiterplattenanschlusses die höchste Verbindungssicherheit, zum Beispiel bei Vibration oder Schock gemäß IEC 61076-2-101 und -109 in einem großen Temperaturbereich von -40°C bis 125°C (ohne O-Ring) zu gewährleisten.
Das Design der Stecker wurde nach einer umfassenden Wettbewerbsanalyse so optimiert und spezifiziert, dass sich bessere mechanische Eigenschaften ergeben. Sowohl die geraden als auch die gewinkelten Ruggedized-Versionen überzeugen durch ihre vier massiven SMT-Befestigungswinkel zur Aufnahme der Steck- und Ziehkräfte und für einen erhöhten Verdrehschutz beim Auftreten von Quer- und Scherkräften. Somit bieten die Ruggedized-Steckverbinder eine hohe Funktionssicherheit, da das Abreißen der SMT-Anschlüsse bei hoher Beanspruchung verhindert wird.
Prädestiniert für die Miniaturisierung
Die Ruggedized-Stecker unterstützen den zunehmenden Trend zur Miniaturisierung als Versionen in D-Code und X-Code für Ethernet-Switches und Gigabit-Ethernet-Switches sowie als Versionen in A-Code bei I/O-Boxen und Sensorapplikationen. Sie sorgen für eine spürbare Platzersparnis in kleinen Geräten.
Gewinkelte M12-SMT-Ruggedized Steckverbinder bieten mit 15,5 mm x 5,5 mm die derzeit kleinste Einbaufläche auf der Leiterplatte. Sie sind bereits vormontiert und haben dank ihrer kompakten Außenmaße mit einer Bauhöhe von nur 14 mm die angestrebten RJ45-kompatiblen Abmessungen. Damit eignen sie sich ideal für Ethernet-Switche oder Gateways mit frontseitigen bzw. seitlichen Ausgängen. Die geraden Steckverbinder überzeugen durch die derzeit kleinste Einbauhöhe am Markt von nur 16 mm und dem sehr variablen Routing in alle vier Richtungen auf der Leiterplatte.
Variables Routing für flexible Schnittstellenanordnung
Mit einem einstellbaren Isolierkörper kann die Lage von acht Kodierungsrichtungen in 45°-Schritten gewählt werden, um den gewünschten Kabelabgang bei einem abgewinkelten Kabelstecker zu realisieren. Der große Vorteil – vor allem bei den gewinkelten Kabelsteckern – ist eine auf die Anwendung zugeschnittene Orientierung der Kabelabgänge. Zwei Positionszapfen gewährleisten die richtige Erkennung und die richtige Positionierung des Steckers beim Bestücken.
Durch die freie Wahl der Kodierungsposition und damit des Kabelabgangs können bei diesen Steckverbindern die Leiterbahnen auf allen vier Seiten horizontal und vertikal durch und aus dem Stecker geführt werden. Das führt dazu, dass die notwendige Fläche auf der Leiterplatte reduziert werden kann und es ergeben sich neue Anregungen für die Schnittstellenanordnung bei kompakten Lösungen. Die Steckverbinder ermöglichen eine Platzersparnis um 50 % gegenüber konventionellen THT- oder THR-Rundsteckverbindern.
Kompatibel einsetzbar – die Slimline-Serie ab sofort auch im M8-Formfaktor
Die Slimline-Baureihe im M12- und M8-Formfaktor in den Bauhöhen 16,25 mm und 17 mm hat ein schlankes rechteckiges Design und kompatible Abmessungen zu den gängigsten SMT-Steckverbindern. Wie bei der Ruggedized-Baureihe, können Kunden mit den Slimline-Steckverbindern durch das neue Kontaktdesign mehr Sicherheit bei den Anschlüssen in Baugruppen und Geräten erzielen.
Durch eine federnde Kontaktanbindung und die vergrößerte Lötflächenanbindung bei den Kontakten erreichen die Slimline-Steckverbinder bei hoher mechanischer Beanspruchung eine mindestens 30 % höhere Widerstandsfähigkeit gegen das Abreißen der SMT-Anschlüsse im Vergleich zu marktüblichen SMT-Steckverbindern.
M12- und M8-Slimline-Stecker sind durch wählbare Kodierungen (A-3, A-4 und D) flexibel einsetzbar, beispielsweise für Sensor-Aktor-Applikationen in der industriellen Automation und für Industrial-Ethernet-Netzwerke sowie in miniaturisierten Anwendungen mit hoher Beanspruchung. Die Rundsteckverbinder haben einen marktüblichen Footprint für das Drop-in-Replacement an kritischen mechanischen Leiterplatten-Schnittstellen. Sie sind kompatibel zu den wichtigsten auf dem Markt erhältlichen SMT-Rundsteckverbindern und können ohne Änderungen am Design des Leiterplatten-Layouts einfach als Alternative eingesetzt werden.
Fazit
Kunden können mit den neuen SMT-PCB-Steckverbindern der Ruggedized- und Slimline-Baureihe dank ihrer höheren Funktionssicherheit durch das neue Kontaktdesign mehr Zuverlässigkeit und Langlebigkeit bei komplexen Baugruppen und miniaturisierten Geräten erzielen. Die Slimline-Baureihe kann aufgrund ihrer Kompatibilität nahtlos in bestehende Designs und Produkte eingebaut werden und eine höhere Funktionssicherheit ohne Änderungen am Layout oder dem Gehäuse bieten. Slimline-Steckerlösungen im M8-Format komplettieren die High-Performance M12-SMT-Steckverbinder der Ruggedized-Baureihe und die funktionssichere marktkompatible M12-SMT-Slimline-Baureihe sowie die High-Performance-D-Sub-Steckverbinder der TMC-Baureihe für PCB-Applikationen. Sie können als Teil des Provertha Baukastensystems schnell und gezielt angepasst werden.
Autoren
Michael Singer ist Leiter Business Development bei der PROVERTHA Connectors, Cables & Solutions in Pforzheim. Manfred Schock ist tätig im Advanced Product Engineering bei der PROVERTHA Connectors, Cables & Solutions in Pforzheim. Andrea Pachaly-Szalay ist Marketingleiterin bei PROVERTHA Connectors, Cables & Solutions in Pforzheim.