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13.03.2019
Tough-Contact-Steckverbinder
Steckverbinder in Consumer-Elektronik müssen immer kleiner werden und in immer engere Gehäuse passen, was Konstrukteure vor große Herausforderungen stellt. Wie das Design gestaltet werden kann, zeigt der folgende Artikel.
Fachartikel von Maria Dieplinger
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Eckdaten

Bautechnische Grenzen der Miniaturisierung lassen sich mithilfe eines durchdachten Designs der Steckverbinder überwinden. Der Artikel gibt einige Designempfehlungen.

Laut einem Lucintel-Marktbericht von 2018 wird der globale Markt für Steckverbinder bei einer Wachstumsrate zwischen 2018 und 2023 von 4,9 % bis zum Jahr 2023 voraussichtlich einen Umsatz von 80,4 Milliarden US-Dollar erreichen. Das ist höchst bemerkenswert für ein so kleines und – seien wir ehrlich – relativ wenig beachtetes Bauteil.

Die wichtigsten Wachstumstreiber auf diesem Markt sind Computer-, Kommunikations- und Unterhaltungselektronikanwendungen sowie die anhaltende Nachfrage nach modernen Komfortprodukten mit mehr Funktionen und Konnektivität. In diesem Zusammenhang sorgen vor allem die ehernen Designziele der Miniaturisierung und Funktionalität dafür, dass die Frage der Steckverbinder zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Die Elektronik in Consumer-Anwendungen wie Mobiltelefonen, Tablets, Smartwatches und diversen Handhelds sowie in Medizinprodukten wie Blutzuckermess- und Hörgeräten wird immer kompakter und lässt wenig Raum für die benötigten Anschlüsse. Deshalb müssen für den Bau mobiler Multifunktionsgeräte anstelle der herkömmlichen elektronischen Komponenten weniger sperrige Bauteile im Miniaturformat verwendet werden. Umso schwieriger ist es, elektrische Komponenten zu finden, die nicht nur in die engen Gehäuse passen, sondern auch zuverlässig funktionieren. Das gilt in besonderem Maße für Platinensteckverbinder.

Der wachsende Bedarf an immer kleineren Steckverbindern stellt die Konstrukteure vor neue Herausforderungen. Sie können das Design ihrer Verbindungen nicht länger bis gegen Ende ihrer Projekte aufschieben. Mikro-Miniatursteckverbinder erfordern vorausschauende Planung. Die Designer müssen die Baugröße, Langlebigkeit, Strombelastbarkeit, Austauschbarkeit und andere Faktoren schon in der frühen Entwicklungsphase berücksichtigen.

Heute sind bereits hochdichte Steckverbinder mit einem Rastermaß von nur 0,2 mm und einer Steckhöhe von gerade einmal 1,7 mm erhältlich. Noch vor wenigen Jahren wären Steckverbinder mit vergleichbarem Rastermaß mindestens 33 % größer gewesen. Die gestiegenen Designanforderungen führen auch zu einer weitaus breiteren Produktpalette. Die Serie der Narrow-Pitch-Steckverbinder von Panasonic Industry umfasst derzeit mehr als 3000 Teile für die elektrische und mechanische Miniaturisierung von Board-to-Board- und Board-to-FPC-Anschlüssen. Design und Know-how basieren auf mehr als 30 Jahren Erfahrung und engen Verbindungen zum asiatischen Markt.

Bild 1: Bellows-Kontakt und Turning-Fork-Kontakt im Vergleich. Panasonic Industry

Narrow-Pitch-Steckverbinder für Board-to-Board-Anschlüsse von Panasonic weisen eine robuste, sogenannte „Bellows“-Kontaktgeometrie auf. Die modernen Materialien und die ausgeklügelte Form der Kontakte sorgen für sehr hohe Zuverlässigkeit. Aufgrund ihrer Miniaturgröße, Langlebigkeit und Korrosionsbeständigkeit werden sie hauptsächlich für Medizinprodukte und Wearables genutzt. Die Kontakte dieser robusten Board-to-Board-Steckverbinder sind zu einer balgartigen Form gebogen und weisen Federkräfte auf, die einen guten Kompromiss zwischen leichter Steckbarkeit und Stoßfestigkeit darstellen (Bild 1).

Bild 2: V-Notch-Steckverbinder und Produkte ohne Einkerbung im Vergleich. Panasonic Industry

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Bild 3: FFC/FPC: Front-Lock- und Back-Lock-Steckverbinder im Vergleich. Panasonic Industry

Die wichtigste Eigenschaft des balgförmigen Kontakts ist seine höhere Toleranz gegenüber Stoß- und Drehkräften. Im Gegensatz zu konventionellen Turning-Fork-Kontakten werden die Steckverbinder von Panasonic Industry nicht aus einem Blech in Form gestanzt. Der Nachteil beim Stanzen ist, dass die Breite des Plättchens nicht kleiner sein kann als seine Dicke. Deshalb sind die Kontakte weniger flexibel und können bei einem Aufprall leichter brechen. Außerdem nutzt sich die Beschichtung rasch ab, weil die Schnittkanten aneinander reiben.

Bei der Herstellung der Bellows-Kontakte hingegen wird ein dünnes Plättchen im Rastermaß gestanzt und anschließend in die Form der Kontakte gebogen (Bild 1). Da die Plättchenbreite präzise an das Rastermaß angepasst werden kann, zeichnen sich die Bellows-Kontakte durch eine besonders hohe Kontaktsicherheit und Lötstellenstabilität aus. Sie sind flexibel genug, um Stoßkräfte zu absorbieren, und verleihen dem Ultra-Miniaturgehäuse eine hohe Festigkeit sowie das für Mobilgeräte erforderliche Maß an Zuverlässigkeit. Die glatten und gerundeten Kontaktflächen sorgen für verminderten Verschleiß der Goldbeschichtung und sind bei widrigen Umgebungsbedingungen besser vor Korrosion geschützt. Der einfache Verriegelungsmechanismus rastet spürbar ein, sodass ein sicheres Einstecken und Abziehen gewährleistet ist.

Gekerbter Querschnitt

Außerdem weist das Tough-Contact-Design einen gekerbten Querschnitt auf, der einen höchst belastbaren Kontakt auf der gesamten Breite der Steckverbinderhälften garantiert. Als positiven Nebeneffekt bietet diese V-förmige Einkerbung mechanischen Schutz vor Verunreinigungen durch Flussmittel oder andere Partikel, der die Kontakte zusammen mit der integrierten Nickel-Lötmittelsperrschicht und der speziellen Korrosionsschutzbehandlung besonders widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse macht. Weitere Vorteile der V-Notch-Struktur sind ein höherer Anpressdruck und ein sicheres Einrasten an der richtigen Kontaktstelle.

FPC (Flexible Printed Circuit) und FFC (Flat Flexible Connector) sind zwei besonders flache und flexible Anschlusstypen. FPC- und FFC-Steckverbinder von Panasonic bieten mit Kontakten sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite ein höheres Maß an Kontaktsicherheit. Die vier Wände der FPC-Buchse sorgen dafür, dass der FPC leicht eingeführt und im Gehäuse nicht verschoben werden kann (Bild 3). Der Riegel befindet sich gegenüber dem Einschub der FPC-Buchse und kann durch Kippen nicht versehentlich gelöst werden, was die Zuverlässigkeit erhöht. Da Panasonic-Steckverbinder im entriegelten Zustand geliefert werden und für den Anschluss deshalb nur zwei Schritte nötig sind, können sie den Aufwand an Arbeitsstunden bei der Montage erheblich verringern. Das ist ein entscheidender Vorteil gegenüber herkömmlichen Front-Lock-Typen, die bei der Montage vor dem Einführen und Fixieren des FPC erst geöffnet werden müssen.

Bild 4: Mit ihrem speziellen Haltemechanismus eignen sich die Y5BW-Steckverbinder für Anwendungen, die hohe Zuverlässigkeit und Haltekraft erfordern. Panasonic Industry

Der zweite große Vorteil für Ihr Design ist die hohe Haltekraft der FPC/FFC Front-Lock-Typen. Mit einer garantierten Haltekraft von 0,45 N/Pin halten sie mehr als doppelt so fest wie herkömmliche Front-Lock-Typen. Die Frage der Haltekraft ist für Ihr Design besonders entscheidend, wenn Steckverbinder mit lediglich sechs oder weniger Anschlusspins verwendet werden, wie dies bei Wearables üblicherweise der Fall ist.

Spezieller Haltemechanismus

Mit ihrem speziellen Haltemechanismus eignen sich die Serien Y5BW und Y3BW sehr gut für Anwendungen, die ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Haltekraft erfordern. Durch die Sperrkontakte an beiden Enden des FPC-Steckverbinders wird die Haltekraft zusätzlich verstärkt. Diese Steckverbinder sind kompatibel mit gezapften FPCs. Der FPC rastet beim Einschieben spürbar ein. Der einzigartige Haltemechanismus von KristallglasStahl98 Led pendelleuchte pendelleuchte Led Led Cm Cm KristallglasStahl98 pendelleuchte Vivaldo Vivaldo FJl1cKPanasonic fixiert den FPC, bis der Riegel umgelegt wird. Bei geschlossenem Riegel halten die Sperrkontakte die FPC-Zapfen fest und sorgen so für maximale Haltekraft.

Der Steckverbinder B01 stellt eine besonders flache Designalternative dar. Er ist mit Profilen von nur 0,6 mm Stapelhöhe erhältlich und ermöglicht so die Miniaturisierung von elektronischen Baugruppen und Geräten. Mit einer ebenfalls erhältlichen Variante mit 0,8 mm Stapelhöhe bietet er dem Designer ein hohes Maß an Flexibilität.

B01-Steckverbinder zeichnen sich durch einen hohen Nennstrom von 6 A aus. Jeder Steckverbinder weist insgesamt vier Strompins auf, wobei jeder Stromanschluss für 3 A ausgelegt ist. Demnach kann eine Verbindung von zwei Stromanschlüssen 6 A aufnehmen. Batterien weisen positive und negative Pole auf. Jeder Strompin kann mit positiven und negativen Anschlüssen verbunden werden. Damit stehen zwei Stromanschlüsse für positive und zwei Stromanschlüsse für negative Pole zur Verfügung. Die Signalanschlüsse sind für jeweils 0,3 A ausgelegt. Jeder Steckverbinder weist zwei Signalanschlüsse auf. Im Allgemeinen werden diese Anschlüsse für Sensoranwendungen genutzt, zum Beispiel für einen Thermistor zur Überwachung der Batterietemperatur und der Batterie-ID.

Ein weiteres Merkmal der Steckverbinder B01 ist ihre hohe Haltekraft, die selbst nach mehreren Steckzyklen noch mehr als 10 N beträgt. Die genauen Messwerte lassen sich anhand der vorliegenden Testdaten belegen.

Steckverbinder der Serie B01 sind mit Einführhilfen an den vier Ecken der Buchsen ausgestattet, die ein sanftes Einstecken selbst bei ungenauem Ansetzen des Steckers ermöglichen. Die Steckverbinder weisen eine robuste Flanschkonstruktion auf. Hierbei werden die Metallteile und damit auch der Steckverbinder insgesamt von einem Flansch zusammengehalten. Diese Flanschkonstruktion bietet zugleich eine gewisse Stabilität, die dem Steckverbinder mehr Robustheit verleiht.

Die B01-Steckverbinder werden in Dreifachkontaktbauweise gefertigt. Jeder Pin weist drei Kontakte auf. Damit ergeben sich bei zwei Pins sechs Kontakte für die Aufnahme von 6 A. Diese Kontakte sind parallelgeschaltet, wodurch der Kontaktwiderstand und damit die Wärmeentwicklung verringert wird. Außerdem bleibt dank der Parallelschaltung der Kontaktwiderstand selbst bei Verschmutzung oder Unterbrechung eines Leiters stabil.

Auf der nächsten Seite werden die Anwendungen Wearables und Smart Metering besprochen

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