Board-to-Board-Steckverbinder High-Speed-Leiterplatten- verbindungen

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Phoenix Contact AG

PHOENIX CONTACT Deutschland GmbH

FAULHABER SA

Mit den neuen Board-to-Board-Steckverbindern der Serie FR 1,27 bietet Phoenix Con­tact einen echten Vorsprung. Kompatibilität zu den marktüblichen Lösungen einerseits und verbesserte Artikeleigenschaften andererseits machen die Leiterplattenverbindungen zukunftsfähig und universell einsetzbar für die nächste Jahrzehnte.

Phoenix Contact feiert 2023 sein 100-jähriges Bestehen. 1923 gründete der Kaufmann Hugo Knümann in Essen die spätere Phönix Elektrizitätsgesellschaft und legte damit den Grundstein für das heutige Unternehmen. Die Produkte aus dem Hause Phoenix Contact sind zu etablierten Marktstandards geworden, denen weltweit Kunden vertrauen. Das Portfolio der Board-to-Board-Steckverbinder weist in diesem Kontext eine vergleichsweise kurze Historie auf. 2018 wurden auf der Electronica in München die ersten Artikel des neuen Portfolios Finepitch vorgestellt. Es begann mit den Serien FP 0,8 und FP 1,27. Während FP 0,8 mit seinem hermaphroditischen Kontaktsystem ScaleX von der Innovationskraft der lippischen Ingenieure zeugt, baut FP 1,27 auf eine etablierte Bauform von Board-to-Board-Steckverbindern für industrielle Anwendungen.

Verbindungstechnik

Board-to-Board-Steckverbinder bis 28 GBit/s

Das Raster 1,27 mm hat sich seit den 1990er Jahren zum Quasi-Standard im Segment der Leiterplattenverbinder entwickelt. Bewährte Kontaktgeometrien mit Tulpen- und Stiftkontakten sorgen für eine sichere Signalübertragung von einer PCB zur nächsten, Tape-on-Reel-Verpackung und SMD-Lötflächen für die automatisierbare Verlötung. Kunden aus nahezu allen Branchen setzen auf die vielseitig einsetzbaren Board-to- Board-Steckverbinder, die es in annähernd gleicher Bauform von zahlreichen Herstellern gibt. Annähernd gleich ist dabei keineswegs gleichbedeutend mit «gleich». Die Board- to-Board-Steckverbinder der Serie FP 1,27 weisen gute Artikeleigenschaften im Vergleich zu den gängigen Wettbewerbsprodukten auf. Sie sind vergleichbar. Vergleichbarkeit ist jedoch nicht der Anspruch von Phoe­nix Contact.

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«Mit Leidenschaft für Technologie und Innovation schaffen wir gemeinsam eine nachhaltige Welt» lautet das Purpose Statement – der schriftlich formulierte Unternehmenszweck. Getreu diesem Motto wurden die letzten Jahre genutzt, um auch die etablierten Board-to-Board-Steckverbinder im Raster 1,27 mm einem Facelift zu unterziehen – innovativ mit deutlich verbesserten Artikeleigenschaften. Ergebnis ist die im letzten Jahr auf der Embedded World in Nürnberg erstmalig vorgestellte neue Produktfamilie FR 1,27. Die Produktbezeichnungen «FP 1,27» und «FR 1,27» unterscheidet augenscheinlich erst einmal nur der zusätzliche Strich beim Buchstaben «R». Mit der neuen Bezeichnung ziehen neben neuen Artikeln, beispielsweise einem erweiterten Polzahlspektrum und Zugentlastungsbügeln für die IDC-Stecker, eine Vielzahl von signifikant verbesserten Artikeleigenschaften ins Finepitch-Produktspektrum ein.

High-Speed-Datenübertragung

Herausragend ist dabei das Thema Datenübertragung – ein echter Vorsprung für die Anwender. Die marktbekannten Steckverbinder sind für die Signalübertragung ausgelegt. Niederfrequente Datenübertragungen sind möglich. Üblich sind Datenübertragungsraten von bis zu 4 Gbit/s. Phoenix Contact hat es sich mit der neuen Serie FR 1,27 auf die Fahne geschrieben, neben der Signalübertragung auch High-Speed-Datenübertragung zu ermöglichen. Damit sind die Steckverbinder auch für zukünftige Anwendungen gewappnet. Konkret ist mit den Leiterplattenverbindern eine Datenrate von bis zu 28 Gbit/s möglich. Die Datenübertragungseigenschaften variieren zwischen den unterschiedlichen Bauformen und Kombinationen. Charakteristischerweise verursachen gewinkelte Board-to-Board-Verbindungen mehr Reflexionen und weisen damit eine geringere Bandbreite auf als mezzanine Anordnungen. Bei gewinkelten FR-1,27-Paarungen liegt der maximale Frequenzbereich unter Berücksichtigung der üblichen Signalstärke von mindestens 70% (Insertion Loss max. –3 dB) bei 6 GHz. Die minimale Datenrate liegt somit bei 12 Gbit/s. Die besten Datenübertragungseigenschaften mit einer maximalen Bandbreite von 14 GHz lassen sich mit der mezzaninen Anordnung mit 8 mm Stapelhöhe realisieren.

Robustheit

Die Wiping-Toleranz von 1,5 mm gehört zu den etablierten Artikeleigenschaften dieses Steckverbindertyps. Hinzu kommt eine Kontaktsicherheit von 0,9 mm, sodass sich im vollgesteckten Zustand eine Gesamtkontakt­überdeckung von 2,4 mm ergibt. Lückenlos sind damit Stapelhöhen von 8 bis 13,8 mm in mezzaniner Anordnung sowie verschiedene orthogonale und koplanare Platinenverbindungen möglich. Für 2024 plant Phoenix Contact den Ausbau der Stapelhöhe bis zu 20 mm. Die Artikel finden sich mit einer Positions­toleranz von 0,7 mm in allen Richtungen. Verbessert wurde der Winkelversatz beim Stecken von jetzt 5° in allen Richtungen. Üblich waren bislang 2 bzw. 4°.

Stromtragfähigkeit

Eine deutliche Verbesserung der Artikeleigenschaften zeigt sich auch bei der Stromtragfähigkeit. Bei der 6-poligen Ausführung liegt die Stromtragfähigkeit bei rund 3,7 A pro Pin, bei der 100-poligen Ausführung bei rund 2,2 A. Die Strombelastbarkeitsprüfung wird bei Vollbestromung aller Pole durchgeführt. Bei der Erstellung des Derating-Diagrammes wird der normative Derating-Faktor von 0,8 berücksichtigt. Das heisst, dass für die 100-polige Board-to-Board-Verbindung mit FR 1,27 ein Summenstrom von 220 A freigegeben ist. Werden von den 100 Polen beispielsweise 6 Pole zusammen bestromt und die benachbarten Pole im Layout mit Ground belegt, ist auf diesen 6 Polen jeweils ein Strom von 3,7 A möglich, das heisst rund 22 A in Summe. Möglich ist diese gegenüber den marktüblichen Systemen deutlich verbesserte Stromtragfähigkeit durch optimierte Kontaktgeometrien und die Wahl eines höherwertigeren Kontaktwerkstoffes in Kombination mit einer Massivgoldoberfläche.

Kundenspezifische Varianten

Während die Vollbestromung aller 100 Kontakte mehr ein theoretischer Anwendungsfall ist, kommt das sogenannte Hot Swapping von aufgesteckten Leiterkarten bzw. den zugehörigen Modulen deutlich häufiger zum Einsatz. Auch hierfür ist die neue Serie FR 1,27 ausgestattet. So sind neben den Standardartikeln auch kundenindividuelle Messerleisten mit eingekürzten Kontaktstiften realisierbar. 0,4 mm kürzere «nacheilende» Stiftkontakte ermöglichen ein «Voreilen» der Standardstifte. Somit kann beim Stecken je nach PCB-Routing zuerst die Masse- bzw. Groundebene kontaktieren. Durch die gross­zügige Kontaktsicherheit von 0,9 mm bei den Standardkontakten bleibt bei den Nacheilern weiterhin eine ordentliche Kontakt­überdeckung von 2,0 mm im vollgesteckten Zustand bzw. 0,5 mm unter Ausnutzung des Wipings.

Neben den gekürzten Stiftkontakten sind auch Teilbestückungen möglich. Standardmässig weisen die Steckverbinder eine Luft- und Kriechstrecke von mehr als 0,4 mm aus und sind damit nach der IEC 60664 auch für den Einsatz in Verschmutzungsgrad 2 normenkonform einsetzbar. Üblicherweise wird die Bemessungsspannung aber bei Leiterplattenverbindern nach Verschmutzungsgrad 1 spezifiziert – 160 V bei FR 1,27. Mithilfe von Teilbestückungen können längere Luft- und Kriechstrecken und damit höhere Betriebsspannungen ermöglicht werden.

Flachbandbaugruppen

Neben den starren Leiterplattenverbindungen bietet FR 1,27 auch Wire-to-Board-Lösungen für mehr Flexibilität in der PCB-Anordnung. IDC-Steckverbinder in neun verschiedenen Polzahlen sind einzeln für die individuelle Konfektion sowie vorkonfektioniert als Baugruppe verfügbar. Die Kabelbaugruppen können bequem per Online-Konfigurator nach den individuellen Kundenbedürfnissen gestaltet werden.

Neben all den technischen Aspekten des Vorsprungs bietet FR 1,27 auch bei den Services vielfältige Vorzüge. E-CAD und M-CAD-​Daten sind direkt auf der Homepage im E-Shop sowie in einschlägigen Datenbanken verfügbar. Mit diesen Daten können die Steckverbinder zeitsparend und bequem in Konstruktionen und Layouts integriert werden. Neben den elektrischen und elektromechanischen Modellen sind auf Anfrage auch S-Parameter für die Integration in eigene Simulationen zur Signalintegrität und High-​Speed-Datenübertragung verfügbar. Der kostenlose Musterservice rundet das Service­angebot ab.

Innovativer Leiterplatten-Steckverbinder

Ein Multitalent für das Geräte-Design in der Medizintechnik

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