Im Bereich der Board-to-Board-Steckverbinder gibt es eine Vielzahl an Varianten: kleine und große Raster, niedrige und hohe Bauformen, robuste und einfache Steckverbinder. Neu im Portfolio von Phoenix Contact sind Steckverbinder der Serie Finepitch FS 0,635 mit Floating-Eigenschaften. Was zeichnet Floating-Board-to-Board-Steckverbinder aus? Wo werden sie eingesetzt? Und sind High-Speed-Datenübertragung und Floating ein Widerspruch?
Floating-Steckverbinder
Board-to-Board-Steckverbinder bestehen aus den Kontakten, die eine elektrische Verbindung herstellen, und einem Gehäuse, das die Kontakte schützt und fixiert. In Kombination mit einem entsprechenden Gegenstück ergibt sich daraus eine starre (Rigid-) Board-to-Board-Verbindung.
Im Gegensatz dazu bestehen Floating-Steckverbinder aus zwei Gehäuseteilen, die durch die Kontaktmetalle miteinander verbunden sind. Der innere Gehäuseteil enthält das Steckgesicht. Dieser wird durch ein äußeres Gehäuse eingerahmt, das die Lötflächen und Kontakte schützt. Die Floating-Kontakte sind lang und geschwungen. Durch ihre Form erlauben sie, dass der innere Gehäuseteil mit dem Steckgesicht innerhalb der Grenzen beweglich ist, die der äußere Gehäuseteil vorgibt. Hierbei wirken die Floating-Kontakte als Federelemente. Es ist möglich, das Steckgesicht im Steckverbinder zu verschieben und zu neigen. Diese besondere Eigenschaft wird als Floating bezeichnet.
Die Abbildung zeigt eine Schnittdarstellung des Floating-Steckverbinders. Auf der unteren Leiterplatte ist die Floating-Federleiste mit dem geschwungenen Kontakt und beweglichem Steckgesicht dargestellt. Von oben wird die starre Messerleiste gesteckt, die auf der oberen Leiterplatte verlötet ist. Die Messerleiste ist nach rechts verschoben, was eine Auslenkung der Floating-Kontakte bewirkt. Der Lötbereich von Messerleiste und Federleiste wird wenig belastet, da die spezielle Kontaktgeometrie Relativbewegung im Stecksystem erlaubt.
Dadurch lässt sich das Steckgesicht in einem sehr großen Toleranzbereich hin- und herbewegen, wobei gleichzeitig der Lötbereich feststeht. In X- und Y-Richtung ist eine Fehlausrichtung von +/- 0,7 mm möglich. Somit ist die Toleranzstrecke der Steckverbindung größer als ihr Rastermaß. Zusätzlich erlaubt die Serie FS 0,635 ebenfalls eine Toleranz von 0,6 mm in Steckrichtung, das sogenannte Wiping.
Die FS 0,635-Floating-Federleiste kann mit drei unterschiedlich hohen Messerleisten kombiniert werden, um verschiedene Stapelhöhen zu realisieren. Mögliche Stapelhöhen sind 8 bis 8,6 mm sowie 11 bis 11,6 mm und 12 bis 12,6 mm. Hierdurch wird es möglich, einen passenden Leiterplattenabstand für die jeweilige Applikation zu finden. Wird die starre Kombination der Serie FS 0,635 verwendet, können Stapelhöhen zwischen 6 und 16,6 mm realisiert werden.
Vorteile und Anwendungen
Die Beweglichkeit des Steckgesichts ermöglicht einen sehr hohen Toleranzausgleich und eine Minimierung von mechanischen Spannungen in der Verbindung. Das ist sowohl beim Steckvorgang als auch im gesteckten Zustand von Vorteil. So werden Kräfte, die auf die Steckverbindung und die Lötstellen wirken, durch die federnden Eigenschaften der Floating-Kontakte reduziert. Eine äußerst zuverlässige und langzeitstabile Board-to-Board-Verbindung entsteht. Beim Stecken ermöglicht das Floating den Ausgleich von Fertigungstoleranzen. Diese treten bei der Montage von Leiterplatten zwangsläufig auf, zum Beispiel durch den Fügeprozess. Geräte, in denen die Leiterplatten beim Stecken geführt werden, profitieren vom Toleranzausgleich in der Steckverbindung. Floating gleicht den Versatz beim Stecken von Steckverbindern aus.
Floating-Steckverbinder erleichtern die automatische Montage der Leiterplatten. Fehlstecken wird teilweise ausgeglichen, ohne die Board-to-Board-Steckverbindung auf der Leiterplatte zu beschädigen. Dies führt zu weniger Ausfällen im Prozess und es besteht die Möglichkeit, die Geschwindigkeit des Steckens zu optimieren. Damit hat der Floating-Steckverbinder direkten Einfluss auf die Effizienz des Steckvorgangs.
Darüber hinaus erlaubt Floating den Einsatz mehrerer Board-to-Board-Verbindungen zwischen zwei Leiterplatten. Die Floating-Eigenschaften bieten genügend Spielraum, um die Positionstoleranzen auszugleichen, die beim Positionieren und Verlöten der Steckverbinder auftreten. Der federnde Kontakt reduziert die Krafteinwirkung auf die Lötstellen auf ein Minimum. Dies ermöglicht den zuverlässigen Einsatz mehrerer Steckverbinder.
Der Floating-Steckverbinder ist ein Spezialist für bestimmte Anwendungen. Seine besonderen Eigenschaften sind vor allem dort von Vorteil, wo Vibrationen oder Schock auftreten. Das kann zum Beispiel in industriellen Geräten sein, die einer permanenten mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Doch auch thermische Effekte können Relativbewegungen in der Steckverbindung verursachen. Das Floating kann solche Bewegungen ausgleichen und die damit einhergehenden Belastungen der Steckverbindung reduzieren.
Da der Toleranzausgleich eine größere Bewegung voraussetzt, benötigt der Floating-Steckverbinder mehr Platz als vergleichbare starre Steckverbindungen. Dies sollten Anwender beim Einsatz berücksichtigen. Generell sind starre Board-to-Board-Steckverbindung in vielen Applikationen ebenso zuverlässig und langlebig wie Floating-Steckverbinder. Dort, wo die besonderen Eigenschaften von Floating-Steckverbindern gefragt sind, spielen sie ihre Vorteile aus. Floating-Steckverbinder sind Spezialisten für bestimmte Anwendungen, keine Generalisten für alle Fälle.
High-Speed-Datenübertragung
Die Signalintegrität einer Board-to-Board-Steckverbindung ist von vielen Faktoren abhängig. So ist die Geometrie der Kontakte ein wesentlicher Faktor. Es ist anzunehmen, dass die geschwungenen, federnden Kontakte der Floating-Board-to-Board Steckverbinder keine guten High-Speed-Ergebnisse liefern können. Bei der Serie FS 0,635 wurde der Floating-Kontakt jedoch so optimiert, dass auch diese Ausführung sehr gute Datenübertragungseigenschaften aufweist. Mit FS 0,635 Floating können High-Speed Datenraten von bis zu 40 GBit/s erreicht werden. Dieser Wert ist eine echte Innovation.
Fazit
Floating-Steckverbinder sind eine zuverlässige und effiziente Möglichkeit der Verbindung zweier Leiterplatten. Sie sind robust und langlebig und damit ideal für den Einsatz in rauen Umgebungen geeignet. Sie schaffen eine zuverlässige Verbindung zwischen den Leiterplatten, indem sie kleinere Relativbewegungen ausgleichen und so die Krafteinwirkung auf die Lötstellen reduzieren. Diese Eigenschaft hilft einerseits beim Einsatz von mehreren Steckverbindern auf einer Leiterplatte und andererseits für das automatische und manuelle Stecken der Board-to-Board-Verbindung.
Der vorgestellte Floating-Steckverbinder ist ein Spezialist für bestimmte Anwendungsfälle. Durch den hohen Platzbedarf ist er jedoch nicht für jede Anwendung die passende Lösung.
Einzigartig am Markt sind die besonders guten Eigenschaften in Bezug auf Datenübertragung des Floating-Steckverbinders in der Serie FS 0,635. Der Floating-Kontakt wurde dahingehend optimiert und erreicht so eine außerordentlich gute High-Speed-Performance von 40 GBit/s. Dies schafft eine Vielzahl an neuen Einsatzmöglichkeiten für die Floating-Steckverbinder.
