3 Steckverbinderauswahl

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1 3 Steckverbinderauswahl Dieses Kapitel befasst sich in drei Kontexten mit Anwendungen für Steckverbinder: Verwendungsorte von Steckverbindern: Levels of Interconnection, LOI Typen von Steckverbindern: Draht-zu-Draht oder Leiterplatte-zu- Leiterplatte Anwendungen für Steckverbinder: Signalübermittlung und Stromversorgung Das Konzept der Level of Interconnection (LOI) beschreibt, an welcher Stelle eines elektronischen Systems ein Steckverbinder verwendet wird. Die Position des Steckverbinders im System hat Einfluss darauf, in welchem Maße er dem Anwendungsumfeld ausgesetzt ist und welche Anforderungen hinsichtlich Montage und Kontaktstandzeit er erfüllen muss. Diese Faktoren beeinflussen wiederum die Entscheidung, welcher Steckverbindertyp auf einem bestimmten Systemlevel eingesetzt wird. Hierbei ist anzumerken, dass auf einigen Systemlevels mehr als ein Steckverbindertyp verwendbar sein kann. In die Definition des Steckverbindertyps fließen mehrere Faktoren ein, darunter Geometrie der Kontaktfeder und des Gehäuses sowie die zur Herstellung permanenter Verbindungen verwendete Methode. Die Funktion des Steckverbinders, Signalübermittlung oder Stromverteilung, bestimmt viele Bauformparameter des Verbinders. Das vorliegende Kapitel stellt einige wichtige Überlegungen zu den beiden Funktionsbereichen im Überblick vor. 3.1 Levels of Interconnection (LOI) LOI Das Konzept Levels of Interconnection (LOI) für die Beschreibung von Zwischenverbindungsvorrichtungen (hauptsächlich Steckverbindern) in elektronischen Systemen wurde um 1990 entwickelt. Was die Funktionalität elektronischer Geräte und damit die Funktionsanforderungen an Verbindungsvorrichtungen angeht, liegt dieser Zeitpunkt demnach schon einige Generationen in der Vergangenheit. Dennoch bietet das LOI- Konzept Vorteile bei der Beschreibung einiger der wichtigsten Leistungsanforderungen an Steckverbinder. Grund dafür ist, dass sich LOI auf die zu verbindenden Geräte und deren Position im elektronischen System konzentriert, was die Aufmerksamkeit auf einige wichtige Leistungsanforderungen für Steckverbinder lenkt. Nachfolgend wird eine frühe, aus fünf Levels bestehende LOI-Version im Überblick dargestellt. Wegen der enormen Zunahme von Geräten und Steckverbindern seit 1990 werden hier nur ausgewählte Beispiele diskutiert. 165

2 III Steckverbinderauswahl Abb. 3.1: Levels of Interconnection (LOI) Level 0 IC-Chip oder Chip-zu-Package. Hierbei handelt es sich um Zwischenverbindungen auf Geräteebene, darunter die Verbindungen zwischen den Schaltkreisen auf dem Chip und die Verbindungen zwischen den Eingangs-/Ausgangsleitungen des Chips und dem Leadframe oder Package (Chipgehäuse). Auf Level 0 hat es seit 1990 ganz klar die meisten Veränderungen gegeben, denn die Zahl der Schaltkreise und die Funktionalität von IC-Chips sind seitdem enorm gewachsen. Diese Zwischenverbindungen sind sämtlich permanent. Level 1 Level 1 umfasst die Zwischenverbindungen von Chipträgern und DIP-Sockeln mit einer Leiterplatte. Um mit der wachsenden Funktionalität der Geräte Schritt halten zu können, sind die Zahl der Chipträgervarianten sowie Anzahl und Packungsdichte ihrer Pins ebenfalls gestiegen. Diese Zwischenverbindungen können gelötet oder mechanisch sein, wobei es bei den mechanischen Verbindungen sowohl permanente wie auch lösbare gibt. Lösbare Verbindungen mussten verwendet werden, bis die Zuverlässigkeit des Gerätes erreicht war und damit Lötverbindungen in Betracht gezogen werden konnten. 166

3 Level 2 Level 2 umfasst Verbindungen zwischen Leiterplatten innerhalb einer funktionalen Einheit, einer Unterbaugruppe. Typische Beispiele sind Verbindungen zwischen Tochterund Mutterplatine. Dabei kommen je nach Packungsdichte und erforderlicher Zuverlässigkeit einteilige und zweiteilige Steckverbinder oder Leiterplattenrandverbinder zum Einsatz. Mit zweiteiligen Steckverbindern lassen sich höhere Pindichten realisieren, zudem bieten sie größere Zuverlässigkeit. Diese Zwischenverbindungen bestehen im Allgemeinen sowohl aus permanenten wie lösbaren Verbindungen permanent auf den einzelnen Leiterplatten und lösbar zwischen den Leiterplatten. Level 3 Level 3 umfasst Verbindungen zwischen Unterbaugruppen innerhalb des Gerätes, z.b. zwischen Netzteil und Systemplatine oder zwischen Speicher und CPU. Auf Level 3 kann eine Vielfalt von Zwischenverbindungstypen Verwendung finden, darunter Leiterplatte-zu-Leiterplatte und Draht/Kabel-zu-Leiterplatte. Auf diesem Level können Zwischenverbindungen mehrerer Untersysteme mittels verschiedener Kabel- und Steckverbinderkonfigurationen realisiert sein. Level 4 Zwischenverbindungen auf Level 4 bestehen zwischen Unterbaugruppen und dem System-I/O (den Ein- und Ausgängen des Systems). Auf Level 4 kommen verschiedenste Verbindersysteme zum Einsatz, denn die erforderliche I/O-Unterstützung erstreckt sich auf unterschiedliche Bereiche wie Stromversorgung oder die Übertragung von Video-, Audio- bzw. Telekommunikationssignalen. Level 4 ist das erste Level, auf dem die Steckverbinder (in diesem Fall I/O-Anschlüsse) von außen zugänglich sind. Level 5 Level 5 umfasst die Verbindungen zwischen einem System und anderen externen Systemen, der zweiten Hälfte einer I/O-Konfiguration. Diese Zwischenverbindungen erfordern generell eine externe Kabelbaugruppe, z.b. Verbindungen zwischen System und Drucker oder System und externem Datenspeicher. Das LOI-Konzept lässt sich auf jedes System anwenden, aber es sind nicht in jedem System immer alle Levels besetzt. Einige Steckverbinderfamilien sind auf verschiedenen Levels verwendbar. Dies gilt beispielsweise für D-Sub-Steckverbinder, die man auf Level 4 und 5 finden kann (siehe Abbildung 3.1). Betrachten wir nun, wie die einzelnen Level sich auf die Anforderungen an Steckverbinder hinsichtlich Widerstandsfähigkeit, Umweltbeständigkeit, Steckkraft und Kontaktstandzeit auswirken. 167

4 III Steckverbinderauswahl Widerstandsfähigkeit Widerstandsfähigkeit Widerstandsfähigkeit meint die Fähigkeit des Steckverbindersystems, unkorrekte Handhabung und Zusammenfügung zu tolerieren. Die Levels 1 bis 4 liegen im Innern des Systems und werden in den meisten Fällen vorzugsweise von Fachkräften gehandhabt, die über Kenntnisse in der korrekten Behandlung von Steckverbindern verfügen. Dennoch kann der Aspekt der Widerstandsfähigkeit nicht völlig vernachlässigt werden, weil in manchen Fällen der Zugang zum Steckverbinder schwierig und damit der Einsteckvorgang problematisch sein kann. Steckverbinder auf Level 5 sind für alle Benutzer zugänglich und damit unkorrekter Zusammenfügung oder Trennung sowie nicht vorgesehenen externen Belastungen ausgesetzt. Angesichts dieser Risiken sind Steckverbinder auf Level 5 häufig mit Merkmalen ausgestattet, die eine korrekte Polung und Einführung unterstützen und damit die Gefahr einer fehlerhaften Zusammenfügung minimieren. Hinzu kommt eine Zugentlastung, die das Risiko von Schäden beim Lösen der Verbindung oder beim Auftreten externer Belastungen reduzieren soll. Die D-Form von D-Sub-Steckverbindern ist sicher eines der bekanntesten Beispiele für den Verpolungsschutz eines Steckverbinders. Korrosion Umweltbeständigkeit Hier sind Korrosion sowie thermische und mechanische Einwirkungen zu berücksichtigen. Was Korrosion angeht, sind die Level 1 bis 4 durch das Gehäuse vor dem externen Umfeld abgeschirmt. Es besteht jedoch die Möglichkeit, dass Lüfter Umgebungseinflüsse in das Gehäuse transportieren können. Zwei thermische Effekte gilt es zu berücksichtigen, denn die Temperatur im Innern des Gehäuses kann durch Wärme erzeugende Geräte innerhalb des Systems, d. h. durch Joulesche Wärme bzw. Transformatoren, gegenüber der Umgebungstemperatur erhöht sein. Alle Abbauerscheinungen bei Steckverbindern, insbesondere Korrosion und Spannungsrelaxation, nehmen mit steigender Temperatur zu. Temperaturunterschiede beispielsweise durch Ein- und Ausschaltvorgänge des Systems können Fehlpassungen aufgrund thermischer Ausdehnung zu einem Problem machen. Dies gilt in besonderem Maße für zinnbeschichtete Steckverbinder, die potenziell dem Abbau durch Abriebkorrosion unterliegen. Mechanische Belastungen wie Vibrationen können zu Bewegungen an der Kontaktfläche führen. Mögliche Folgen sind Abriebkorrosion bei zinnbeschichteten Steckverbindern, Abriebverschleiß und bei Edelmetallbeschichtungen ein Verlust der Goldoberfläche. Auf allen Levels kann die Steckkraft in zweifacher Hinsicht zum Problem werden. Wenn, wie oben angemerkt, der Einsteckvorgang aufgrund der Lage des Verbinders im Gehäuse problematisch ist, kann das Risiko für Schäden durch Verkanten gerade bei hohen Kontaktherstellungskräften größer sein. Das Risiko steigt tendenziell mit der Zahl der Pins am Steckverbinder. Die möglichen Nachteile sind aber gegenüber der mechanischen Stabilität abzuwägen, die verloren gehen kann, wenn die Kontaktherstellungskraft vermindert wird, denn dies kann zu Bewegungen der Kontaktpartner und damit zu Abbaumechanismen führen, die an anderer Stelle bereits behandelt wurden. 168

5 Die Kontaktstandzeit ist auf den Levels 1 bis 3 generell kein problematischer Aspekt. Anders auf den Levels 4 und 5, wo beispielsweise die Standortunabhängigkeit eines Laptop-Computers und die Mehrfachnutzung seiner Ein- und Ausgangskanäle eine hohe Zahl von Steckzyklen mit sich bringen. 3.2 Typen von Steckverbindern Wie weiter oben angemerkt, fließen in die Definition des Steckverbindertyps mehrere Faktoren ein, darunter Geometrie der Kontaktfeder und des Gehäuses sowie die für permanente Verbindungen verwendete Methode. In dieser Diskussion werden als Referenz ebenfalls die LOI-Levels genannt, auf denen die jeweiligen Verbindersysteme Verwendung finden. Die Steckverbindertypen werden hier in allgemeiner Form behandelt. Es existieren zahlreiche Variationen jedes Typs, deren spezifische Eigenschaften von ihrem Verwendungsbereich bestimmt sind. Dies gilt insbesondere für Anwendungen in Computern bzw. in der Telekommunikation Sockel und Chipträger Sockel und Chipträger, bei denen es sich ebenfalls um Sockel handelt, finden primär auf Level 1 Verwendung. In Abhängigkeit von Funktionalität und Pinzahl des ICs gibt es zwei Arten von Chipträgern. Bei ICs mit niedriger Pinzahl (weniger als 100) sind die Leitungsdrähte um die Peripherie des ICs angeordnet. Chipträger für diese Anwendungen können im Durchsteckverfahren oder in SMT-Technik auf der Platine verlötet sein (siehe Abbildung 3.2a bzw. 3.2b). Die Chipträgerkontakte sind in der Regel als zinnbeschichtete Ausleger ausgeführt, siehe Abbildung 3.3. Abb. 3.2: PLCC-Sockel 169