Integrative Entwicklung räumlicher elektronischer Baugruppen

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1 Integrative Entwicklung räumlicher elektronischer Baugruppen Klaus Feldmann, Jürgen Gausemeier ISBN Leseprobe Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel

2 2 Beispiele für integrierte mechanischelektronische Baugruppen Dr. rer. nat. Carsten Marheine, Gabriele Sachs-Dücker, Dr. rer. nat. Cornelius Neumann, Dipl.-Ing. Michael Brökelmann 2.1 Mikroelektronik in Leitungs- und Steckverbindungen Optische Datenübertragung in der Telekommunikation und Datenkommunikation Grundlage für die Entstehung der optischen Nachrichentechnik war die Entwicklung des Lasers zu Beginn der sechziger Jahre des vorigen Jahrhunderts. Damit stand eine geeignete Sendequelle zur Verfügung. Der Aufbau von Netzwerken zur Datenübertragung mittels Optik begann in den siebziger Jahren. Mit der Möglichkeit der Herstellung verlustarmer, das heißt optisch dämpfungsarmer Lichtwellenleiter begann die Ablösung der über 100 Jahre alten elektrischen Verbindungstechnik mit Kupferleitungen durch optische Leitungen. Zum Ende der siebziger und Anfang der achtziger Jahre des 20. Jahrhunderts wurde mit dem Verlegen von Lichtwellenleiterkabeln für die optische Weitverkehrsübertragung begonnen. Die Vorteile der optischen gegenüber der elektrischen Übertragung liegen hier in der geringeren Streckendämpfung und in der höheren übertragbaren Datenrate. Größere Datenmengen lassen sich somit über größere Entfernungen übertragen, ohne dass zwischendurch eine aufwendige elektronische Aufbereitung der Daten erforderlich ist. Heute ist die Datenübertragung mittels Optik eine etablierte Technologie, ohne die beispielsweise das Internet nicht denkbar wäre. Dieser Prozess beschränkte sich jedoch nicht nur auf die Weitverkehrsnetze, den WAN (Wide Area Networks). Im Laufe der Jahre drangen optische Technologien in kleinere Netzwerke, die Metropolitan Area Networks (MAN), die Local Area Networks (LAN) und schließlich bis in den Teilnehmeranschlussbereich vor. Bei allen Applikationen sind Kosten und Nutzen einer Übertragung über Optik mit der über Kupfer zu vergleichen. Bei dem Aufbau von Netzen sind es die höhere Übertragungsbandbreite und die geringere Streckendämpfung, die den Einsatz der optischen Übertragung erfordern. Ein anderer Vorteil der optischen Übertragung ist die

3 24 2 Beispiele für integrierte mechanisch-elektronische Baugruppen die größere Störsicherheit (EMV-Verträglichkeit). Diese ist ein wesentliches Argument für den Einsatz der optischen Übertragung in der Industrieautomation und im Automotive-Bereich. Je nach Applikation werden unterschiedliche Typen von Glasfasern eingesetzt. Im WAN-Bereich benötigt man Monomode-Glasfasern. Der Faserkern, in dem das Licht geführt wird, hat einen Durchmesser von 9 bis 10 µm. Die Einkopplung des Laserlichts in eine derartige Faser ist aufwendig und entsprechend kostspielig. Die Übetragungrate pro Faser läßt sich durch ein Wellenlängenmultiplex erhöhen. Mittlerweile kann man bis zu 168 Kanäle mittels verschiedener Wellenlängen in geringem Abstand pro Faser übertragen. Im LAN-Bereich findet man Multimode-Glasfasern mit einem Faserkerndurchmesser von 50µm oder 62.5 µm. Für kürzere Entfernungen insbesondere auch im Teilnehmeranschlussbereich findet man auch Fasern mit noch größerem Kerndurchmesser bis hin zu Plastikfasern mit 1mm Kerndurchmesser Steckverbinder in der Telekommunikation und Datenkommunikation Einsatzgebiete für Steckverbinder In einem Netzwerk werden auf allen Hierarchieebenen Komponenten benötigt, die die Kommunikation zwischen den dargestellten Netzwerkknoten übernehmen. Diese zentralen Komponenten sind Router, Switches und Crossconnects. Diese Komponenten werden in Netzwerken auf unterschiedlichen Hierarchieebenen eingesetzt. Ein Crossconnect verschaltet auf der untersten Ebene verschiedene Kanäle. Ein Switch organisiert dabei den Datenfluss innerhalb eines Sub-Netzwerks. Ein Router arbeitet auf einer höheren Protokollebene und sorgt für die Kommunikation zwischen den Sub-Netzwerken. Den Aufbau derartiger Netzwerkkomponenten zeigt Bild 2.1. Diese Komponenten sind aufgebaut als Racks mit einer Leiterkarte als Rückwand ( backplane ), in die andere Boards ( Tochterboards ) gesteckt werden. Über die Backplane werden die Datensignale zwischen den einzelnen Tochterkarten übertragen. Für die Übertragung elektrischer Signale zwischen Tochterboards und Backplane haben sich Stecker nach dem Hard Metric -Standard HM etabliert (siehe Bild 2.2) Übertragung von hochfrequenten Signalen über Steckverbinder Die Datenrate, die in Netzwerken übertragen wird, hat in den letzten Jahren immer stärker zugenommen. Für die in Bild 2.1 dargestellten Netzwerkknoten bedeutet dies,

4 2.1 Mikroelektronik in Leitungs- und Steckverbindungen 25 dass die Datensignale sowohl innerhalb eines Racks als auch zwischen den Racks über high-speed-verbindungen übertragen werden müssen. Bei der Auslegung der Verbindungen müssen auch die Entfernungen berücksichtigt werden, über die die Signale übertragen werden sollen. Diese sind typischerweise bis zu 10m innerhalb der Racks und bis zu 600 m zwischen den Racks. Bild 2.1 Aufbau eines Routers oder Switches Elektro-optische Steckverbinder Seit Mitte der neunziger Jahre gibt es Überlegungen, High-Speed-Signale (> 1 Gbit/s) von Board zu Board optisch anstatt wie bisher elektrisch zu übertragen. Gründe hierfür waren u.a. steigender Platzbedarf in der Rückwand für elektrische Steckverbinder bei einer hohen Anzahl paralleler elektrischer Signale und ein zukünftig wachsender Aufwand für die Signalübertragung, verbunden mit hohen Anforderungen an die Signalintegrität. Optische Übertragung bietet sich sowohl bei der Verkabelung innerhalb eines Racks als auch zwischen unterschiedlichen Racks an. Insbesondere wird die zunehmende Anzahl an Signalen mit einer Datenrate > 10 Gbit/s definitiv über Optik geführt werden, da man bei einer elektrischen Übertragung nicht die geforderte Signalintegrität sicherstellen kann. Die Längen der Übertragungsstrecken liegen dabei zwischen 2m und 600 m. Die Umsetzung zwischen elektrischen und optischen Signalen erfolgt durch optische Wandler (Transmitter und Receiver). Um den Platz auf den Boards optimal zu nutzen und die Anzahl der optischen Kabel möglichst gering zu halten, werden diese Wandler als Mehrfach-Module mit mehre-

5 26 2 Beispiele für integrierte mechanisch-elektronische Baugruppen ren (typischerweise derzeit 12) optischen Kanälen ausgeführt. Die optische Übertragung erfolgt dann über parallel-optische Kabel, die 12 Einzelfasern enthalten. Bild 2.2 Hard Metric Steckverbinder (Bild: HARTING) Für eine Übertragungsstrecke benötigt man einen Sender, einen Empfänger und ein parallel-optisches Kabel. Sender und Empfänger müssen so in einer Weise elektrisch mit dem Board kontaktiert werden, dass die Hochfrequenz-Signale in der geforderten Integrität übertragen werden. Um dem Risiko eines Ausfalls entgegenzutreten und einen sukzessiven Aufbau des Systems zu ermöglichen, werden die elektro-optischen Wandler auf der Kupferseite steckbar gemacht. Erforderlich ist dafür eine entsprechende elektrische Steckverbindung. Für das Systemdesign gibt es hinsichtlich der elektrischen Steckverbindung zwei unterschiedliche Ansätze: 1) Die elektro-optischen Wandler befinden sich auf der Rückwand (Backplane). Das Tochterboard wird beim Stecken auf die Backplane elektrisch auf die Wandler gesteckt. Für den Anwender verhält sich das Rack wie ein rein elektrisches Rack, die Optik befindet sich hinter der Rückwand. Schlagwortartig läßt sich diese Lösung auch als elektrisch stecken optisch übertragen charakterisieren. Insbesondere muss der Anwender sich beim Austausch der Karte nicht um Augensicherheit (es handelt sich bei den elektro-optischen Sendern um Laserquellen) oder Verschmutzung der optischen Steckverbindung kümmern. Man spricht hier auch von rear access, weil die optische Steckung auf der Rückseite erfolgt. 2) Die elektro-optischen Wandler sitzen auf dem Kartenrand auf der Vorderseite. Hier spricht man auch von front access. Die optische Verkabelung erfolgt dann vor der Karte und ist leichter zugänglich. Muss die optische Verkabelung öfter verändert werden, ist diese Lösung vorzuziehen. Sender, Empfänger und optisches Kabel bilden dann eine Steckverbindungslösung mit integrierter Mikroelektronik.

6 2.1 Mikroelektronik in Leitungs- und Steckverbindungen Der elektro-optische Steckverbinder pareos /parecon Definition der Entwicklungsaufgabe Angestrebtes Produktziel sind die in Kapitel beschriebenen Steckverbindungslösungen für Einsteckkarten in Routern, Switches, Crossconnects und vergleichbaren zentralen Komponenten in komplexen Netzwerken in der Tele- oder Datenkommunikationstechnik. Das Kernstück einer optischen Verkabelung zwischen Leiterkarten in Routern oder Switches ist ein steckbarer elektro-optischer Wandler (Sender oder Empfänger). Entwickelt werden müssen damit sowohl der elektro-optische Wandler selbst als auch ein geeigneter Stecker, um den Wandler auf das Board zu stecken. Die elektrische Steckung auf das Tochterboard muss eine performante Übertragung sowohl der Hochfrequenzsignale (der eigentlichen Daten) als auch der Niederfrequenzsignale (Spannungsversorgung und Steuerungssignale) sicherstellen. Die optische Übertragung erfolgt über ein Standardkabel aus 12 Multimode-Glasfasern im definierten Raster (250 µm pitch von Faser zu Faser). Der optische Steckverbinder ist ein Standard MPO 1 - bzw. MTP-Steckverbinder. Aus der geforderten Funktionalität ergeben sich folgende Anforderungen an diese Steckverbindungslösung: Die elektrische Steckung muss die Signalintegrität der Hochfrequenzsignale bis zu einer Datenrate von 10 Gbps pro elektrischem Kanal sicherstellen. Insbesondere muss eine Kontaktierungstechnik entwickelt werden, die diese Signalintegrität auch im Rahmen der bei der Steckung des Tochterboards auftretenden Toleranzen garantiert. Die Anwendungen in der Daten- und Telekommunikationstechnik zeigen eine hohe Dichte von Karten und damit elektro-optischen Modulen innerhalb des Racks. Die auftretende Wärme und ihre richtige Abfuhr spielen eine wesentliche Rolle bei dem Aufbau des Systems. Die Aufbautechnik der elektro-optischen Halbleiter in den Wandlern muss eine optische Kopplung zwischen Faser und Halbleiter sicherstellen, so dass das Powerbudget den Anforderungen der Übertragungsstrecke genügt. Die Entwicklungsaufgabe ist dann, ein Design zu entwickeln, das zu einem Bauteil führt, das zu vertretbaren Kosten zu fertigen ist, im Betrieb zuverlässig funktioniert 1 Der MPO- oder MTP-Stecker (die beiden haben das gleiche Steckgesicht) ist der Standard-Steckverbinder für die paralleloptische Datenübertragung. Die 12 Fasern werden in diesem Steckverbinder mit einer Toleranz von ±1µm in ihrem Raster von 250 µm gehalten. Die Ausrichtung des Steckverbinders wird durch 2 parallele Stifte gewährleistet, die hinsichtlich Durchmesser und Position ebenfalls im Mikrometer-Bereich toleriert sind.

7 28 2 Beispiele für integrierte mechanisch-elektronische Baugruppen und die geforderte HF- und optische Performance zeigt. Darüber hinaus muss die Steckverbindungslösung an spezifische Anforderungen der Kunden adaptierbar sein. Die Steckverbindungslösung wurde im Laufe des Projekts aufgespalten in zwei verschiedene Projekte: Der Hochfrequenz-Steckverbinder parecon als Transceiver-Steckverbinder, der nach dem Standard der xfp 2, einer internationalen Standardisierungsgruppe ausgelegt wurde. Der elektro-optische Wandler pareos Teilaspekte der Entwicklung Das im vorigen Abschnitt beschriebene Entwicklungsprojekt umfasst damit Arbeiten in folgenden Aufgabenfeldern: Hochfrequenz-Design Elektronik-Design Optik-Design Thermo-Design Mechanik-Design Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) Hochfrequenz-Design Für die Steckbarkeit ist der elektro-optische Wandler so ausgelegt, dass die Signale über eine FR4-Leiterplatte nach außen geführt werden. Für die Auslegung der elektrischen Steckverbindung zwischen Board und Wandler muss gelten: Die Signalintegrität muss sowohl bei dem Übergang zwischen Board und Steckverbinder als auch zwischen Steckverbinder und Wandler gewährleistet sein. Die Steckverbindung muss in der Lage sein, die bei im Aufbau des Racks auftretenden mechanischen Toleranzen auszugleichen, ohne dass die Signalintegrität verloren geht. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurde eine flexible Leiterplatte zur Übertragung der Hochfrequenz-Signale eingeführt. Die Leiterplatte wird an ihrem einen Ende auf das Board gelötet. Bild 2.3 zeigt schematisch eine derartige flexible Leiterplatte. Auf diesen Leiterplatten werden die Hochfrequenz-Signale als differenzielle 2 Die XFP Group ist eine Branchenvereinigung (Multi-Source-Agreement Vereinigung), der mittlerweile über 55 Unternehmen angehören.

8 2.1 Mikroelektronik in Leitungs- und Steckverbindungen 29 Signale über Paare von parallelen Leiterbahnen so genannten differential pairs übertragen. Kontaktpads Signalweg Lötpads Bild 2.3 Flexible Leiterplatte zur Hochfrequenz-Datenübertragung Der Signalübergang zwischen der flexiblen Leiterplatte und der FR4-Karte des Wandlers erfolgt über geeignete Kontaktelemente, z.b. Kugeln. Die Impedanz der Leiterplatte muss an die geforderte Datenrate angepasst werden. Dies geschieht über die Ermittlung der optimalen Leiterbahnbreiten und Abstände. Das Material und der Lagenaufbau der Leiterplatte müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Die Hochfrequenzsimulation, deren Resultat in Bild 2.4 dargestellt ist, dient zum Nachweis der generellen Funktionsfähigkeit der Steckverbindung.