Innovativer Leiterplatten-Steckverbinder Ein Multitalent für das Geräte-Design in der Medizintechnik

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Phoenix Contact AG

FAULHABER SA

Die Notwendigkeit den Bauraum in Medizingeräten immer effizienter zu nutzen, wird zukünftig für MedTech-Hersteller noch eminenter. Auf engstem Raum müssen oft mehrere Leiterplatten verbunden werden. Das ist die Herausforderung jedes MedTech- Herstellers, um alle bestehenden sowie neu hinzukommenden Funktionalitäten in die gewohnten Formfaktoren zu integrieren.

Die Komplexität und Integrationsdichte moderner Applikationen macht auch vor Medizingeräten nicht Halt. Zusätzlich wird durch die in diesem Jahr beschlossene «Digitalisierungsstrategie Gesundheit» die Integrationsdichte und die Anzahl an Funktionalitäten in den Medizingeräten weiter zunehmen, um zukünftig Bestandteil der weit vernetzten Gesundheitsinfrastruktur sein zu können. In immer grösserem Masse müssen dazu z. B. Kommunikationsmodule und Funktionserweiterungen in die bereits heutzutage sehr komplexen Geräte integriert werden. Diese elektrische Anbindung zwischen den Leiterplatten erfolgt in der Regel mit Board-­to-Board-Steckverbindern. Entsprechend des Anwendungsumfelds der Medizingeräte gibt es eine Vielzahl an unterschiedlichen Anforderungen an die elektrische und mechanische Verbindung, die Einhaltung von EMV und an die verwendeten Materialien der Steckverbinder. Die unterschiedlichen Einsatzorte und -gebiete (KTW, Luftrettung, Hospital, MRT, CT, Ultraschall usw.) definieren hierbei die vielseitigen Anforderungen an die Geräte, genauso wie auch an deren Steckverbinder.

Vibrationsstabilität, Stossfestigkeit und langfristige Kontaktsicherheit bei Mikrobewegungen der Board-to-Board-Steckverbinder im Einsatz der Geräte sind von zentraler Bedeutung. Ebenso ist ein robustes, sich selbst justierendes System während der Geräteassemblierung ein entscheidender wirtschaftlicher Faktor. Bei der Montage darf weder eine Kontaktbeschädigung noch Fehlstecken möglich sein.

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Lösungen erleichtern Geräte-Design

Toleranzketten sind für alle Entwickler eine besondere Herausforderung beim mechanischen Design ihrer Geräte. Dieses kann bei Board-to-Board-Steckverbindern auch Auswirkungen auf die Übertragungsqualität der Signale oder die Zuverlässigkeit der Leistungsübertragung haben.

Die einwandfreie Übertragung von Daten, Signalen und Leistungen ist aber essenziell. Gleichzeitig ergeben sich je nach konkreter Anwendung noch weitere Anforderungen – z. B. Robustheit, Variabilität oder eine möglichst geringe Baugrösse. Hinzu kommt ebenfalls die Option der EMV-Schirmung der Steckverbindung und die Verwendung nichtmagnetischer Werkstoffe.

Phoenix Contact bietet mit den Board-to-Board-Steckverbindern der Serie FP 0,8 ein solches System an. Ein Portfolio von aktuell mehr als 90 verschiedenen Artikeln ermöglicht robuste, flexible und äusserst zuverlässige Leiterplattenverbindungen. Im kompakten Rastermass von 0,8 mm, in mezzaniner oder gewinkelter Anordnung verfügbar, ermöglicht FP 0,8 Datenübertragungsraten von bis zu 52 GBit/s bei spezifizierten 500 Steckzyklen, die als Indikator für die Oberflächengüte stehen. Der Kontaktschutz und die Verhinderung des Fehlsteckens werden durch das Stecker-Design sichergestellt. (Bild 1)

Der erweiterte Temperaturbereich des FP 0,8 von -55 °C bis 125 °C vervollständigt die Leistungsfähigkeit dieses Steckverbindersystems. Umfassende Testreports, u. a. mit Hinblick auf Schadgas- und Schocktests, sind verfügbar. Die FP-0,8-Serie basiert auf hermaphroditischen Doppelkontakten – der sogenannten ScaleX-Kontakttechnologie.

Während bei herkömmlichen Kontakttechnologien, wie Doppelkontakte oder Single-Beam (Bild 2a, 2b), Messer- und Federkontaktseite gendergetrennt sind, besitzt das ScaleX-Kontaktsystem auf beiden Seiten sowohl einen Messer- als auch einen Federkontakt und vereint somit die Vorteile der konventionellen Kontaktgeometrien. Die Steckverbinder selbst sind aber keinesfalls Hermaphroditen und bestehen steckgesichtsseitig aus Male- und Female-Seite. Somit weist FP 0,8 die durchaus bekannten technischen Kompromisse herkömmlicher hermaphroditischer Steckverbinder nicht auf. (Bild 3)

Das ScaleX-Kontaktsystem ermöglicht eine zuverlässige Kontaktierung in vielen Anwendungssituationen. Toleranzen in Steckposition und -winkel werden bis ±0,7 mm bzw. 5° in allen Richtungen ausgeglichen. Im gesteckten Zustand ist eine Toleranzkompensation von mindestens ±0,3 mm in longitudinaler und transversaler (x-y) Richtung gegeben – ein quasi-floating. Das FP-0,8-System ermöglicht dadurch multiple Steckverbindungen zwischen den Leiterplatten. In Steckrichtung ist das Toleranzfenster noch deutlich grösser: Zusätzlich zum qualifizierten Steckbereich, der sogenannten Wiping Length, von 1,5 mm verfügt der Steckverbinder noch über eine zusätzliche Kontaktüberdeckung von rund 0,8 mm. Diese Eigenschaft ermöglicht es, Platinenabstände flexibel und lückenlos im Bereich von 6 bis 21 mm bei mezzaniner Anordnung zu realisieren. Auch mit den gewinkelten Typen ergeben sich verschiedene Einbaumöglichkeiten, wie Horizontal- und Vertikalverbindungen.

Polzahlen von 12- bis 80-polig sind in einer platzsparenden doppelreihigen Anordnung im Portfolio. Durch die nachgewiesene Möglichkeit des multiplen Einsatzes mehrerer FP-0,8-Steckverbinder auf einer Leiterplatte können höhere Kontaktanzahlen zwischen zwei Leiterplatten sicher, elektrisch zuverlässig sowie steck- und auch noch lösbar realisiert werden.

Daten, Signale und Strom

Alle Steckverbinder sind sowohl ungeschirmt als auch geschirmt verfügbar. Die Schirm- und Ankermetalle sind beim FP-0,8-System aus nichtmagnetischen Cu-Legierungen gefertigt, welches einen Einsatz in stark magnetisierendem Umfeld möglich macht, wie es z. B. in MRTs der Fall ist.

Durch geschickte Pinbelegung kann man eine annähernd 360°-Schirmung des FP 0,8 erzielen und somit die Signale gegen äussere Einstreuungen schützen. Genauso sind abgehende Interferenzen, die durch schnelle Signale innerhalb des Board-to-Board-Steckverbinders entstehen können, weitestgehend ausgeschlossen.

Eine geschützte und EMV-stabile Daten- und Signalübertragung ist damit sichergestellt. Generell ist eine optimale Schirmung in sehr vielen medizintechnischen Geräten notwendig, wie z. B. in Sonographiegeräten, um eine störungsfreie (rauschfreie/EMV/RFI) Bildwiedergabe zu ermöglichen. (Bild 4)

Möchte man zusätzlich noch Leistung über die FP-0,8-Steckverbinder übertragen, bieten sich zwei Möglichkeiten an. Zum einen können die Signalkontakte bei Vollbestromung mit einem spezifizierten Strom von 1,7 A pro Kontakt beaufschlagt werden, zum anderen können die galvanisch getrennten Schirme zur Stromübertragung genutzt werden.

Somit wird der FP-0,8-Steckverbinder sogar zum richtigen Hybrid-Connector, der neben High-Speed-Signalen auch Power übertragen kann. Diese Kombination spart Platz auf der Leiterplatte und macht das Layout wesentlich einfacher. (Bild 5)

Alle Daten, sowohl M-CAD und E-CAD-
Dateien sowie Signalsimulationen (2D, 3D, Derating, S-Parameter, Touchstone, kundenspezifische Simulationen usw.), welche zum Design der Geräte benötigt werden, können durch die hauseigene Mess- und Simulationstechnik zur Verfügung gestellt werden oder sind sogar auf der Homepage abrufbar – eine entscheidende Vereinfachung und grosse Beschleunigung bei der Entwicklung medizintechnischer Geräte.

Fazit

Die vielseitigen Eigenschaften des Leiterplattenverbindungssystems FP 0,8 mit ScaleX-Technologie von Phoenix Contact ermöglichen es, innerhalb der Applikationen sowohl ein hohes Mass an mechanischer Toleranzkompensation als auch Datenintegrität neben EMV-Stabilität und Leistungsübertragung zu erreichen. In nahezu allen Bereichen der Medizintechnik, wie z. B. bildgebender Diagnostik, Patienten-Monitoring, Defibrillatoren, Therapiegeräten und Robotik, Infusionstechnik und angrenzenden Applikationen, erleichtert das FP-0,8-Steckverbindersystem das Medizingeräte-Design immens. Es kann sowohl als klassische, High-Speed- oder hybride sowie auch als Docking-Steckverbindung für modulare Systeme zum Einsatz kommen. Die Vielseitigkeit der FP­-0,8-Board-to-Board-Steckverbinderfamilie macht den Unterschied und prädestiniert sie für den Einsatz in allen modernen Medizingeräten.

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