SMT-Leiterplattenanschlüsse für Härtefälle

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. Ergo müssen auch die eingesetzten Steckverbinder kleiner und kompakter werden und zugleich hohe elektrische und mechanische Anforderungen erfüllen. Zudem fordern auch Oberflächenmontage-Technologien (SMT) und die Automatisierung der Elektronikfertigung kompakte, automatisierungsfreundliche Steckverbinder, die direkt auf die Leiterplatten gelötet werden können.

Insgesamt kommt es darauf an, dass die SMT-Leiterplattenanschlüsse eine hohe Funktionssicherheit bei Schock und Vibration sowie erweiterte Möglichkeiten beim Routing bieten. So treten beispielsweise in bestimmten Anwendungsfällen von I/O-Boxen (etwa an Spritzgussmaschinen) oder von Ethernet-Switchen (zum Beispiel in Bahn- und Transportanwendungen) höhere mechanische Belastungen und Vibrationen auf. Hier müssen die Steckverbinderlösungen ein Abreißen des Kontaktes im Anschlussbereich zur Leiterplatte oder andere Kontaktunterbrechungen beim Stecken und Ziehen sowie im Betrieb zuverlässig verhindern.

Funktionsausfälle vermeiden

Bisherige SMT-Leiterplattensteckverbinder mit zwei Befestigungswinkeln und einem marktüblichen Kontaktdesign können in speziellen Belastungssituationen zu einem Ausfall der Verbindung führen. Zudem ist bei bisherigen Lösungen ein Routing der Leiterbahnen beziehungsweise die Verkabelung am Stecker nur in vertikaler Richtung möglich. Deshalb hat sich Provertha dieser Thematik angenommen bringt serienreife Lösungen für die PCB-Anschlusstechnik auf den Markt, die auf der Oberflächenmontage-Technik (SMT) basieren.

Die Lage von acht Kodierungsrichtungen kann in 45°-Schritten gewählt werden, um den gewünschten Kabelabgang zu realisieren © Provertha

In der klassischen THT-Anschlusstechnik gibt es viele Anbieter für PCB-Steckverbinder, bei der SMT-Anschlusstechnik ist die Anzahl der Anbieter jedoch deutlich geringer. Bisher gibt es am Markt zudem keine abgewinkelten M12-Steckverbinder mit SMT-Anschluss. Bei Ethernet-Switches oder Gateways sind oft RJ45-Schnittstellen im Einsatz, während sich Hersteller im Sinne der Kompaktheit abgewinkelte M12-Steckverbinder in gleicher Bauhöhe wünschen, die genau wie RJ45-Steckverbinder auch für den vollautomatischen SMT-Prozess geeignet sind. Unter diesen Gesichtspunkten hat Provertha abgewinkelte M12-SMT-Ruggedized-Steckverbinder entwickelt.

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.

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 bieten 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.

Die Ruggedized-Steckverbinder

M12-Buchse, ungeschirmt und geschirmt © Provertha

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. Sowohl die geraden als auch die gewinkelten Ruggedized-Versionen besitzen vier massive SMT-Befestigungswinkel zur Aufnahme der Steck- und Ziehkräfte und für einen erhöhten Verdrehschutz beim Auftreten von Quer- und Scherkräften. Das Abreißen der SMT-Anschlüsse bei hoher Beanspruchung wird dadurch verhindert.

Die 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. Gewinkelte M12-SMT-Ruggedized Steckverbinder bieten eine Einbaufläche von 15,5 mm x 5,5 mm 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 insbesondere für Ethernet-Switche oder Gateways mit frontseitigen beziehungsweise seitlichen Ausgängen. Die geraden Steckverbinder haben eine Einbauhöhe von 16 mm und bieten variables Routing in alle vier Richtungen auf der Leiterplatte.

Flexible Schnittstellenanordnung

Der abgewinkelte M12-SMT-Ruggedized-Steckverbinder erlaubt eine enge Aneinanderreihung © Provertha

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. Die Orientierung der Kabelabgänge wird auf die Anwendung zugeschnitten. 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. Dies 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.

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.

Die Autoren: 

Andrea Pachaly-Szalay ist Marketingleiterin bei Provertha Connectors, Cables & Solutions in Pforzheim.

Manfred Schock ist tätig im Advanced Product Engineering bei Provertha Connectors, Cables & Solutions in Pforzheim.

Michael Singer ist Leiter Business Development bei Provertha Connectors, Cables & Solutions in Pforzheim.