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Die optimale Board-Stacking-Lösung finden Stuart Cording

Die meisten Elektronik-Entwickler kennen sich mit der Auswahl von Bauteilen gut aus. Widerstände sind einfach, Kondensatoren etwas komplizierter, Induktivitäten werden so lange wie möglich gemieden. Aber wenn es darum geht, einen Steckverbinder auszuwählen, sinkt das Selbstvertrauen ein wenig.

Warum ist das so? Vermutlich, weil Steckverbinder elektromechanische Bauteile sind. Aus elektrischer Sicht scheinen sie recht einfach zu sein: Sie verbinden das Board mit der Stromquelle oder sie schließen einen Signalpfad.

Es gibt jedoch auch eine mechanische Seite. Vielleicht wissen Sie nicht genau, wie robust der Steckverbinder für Ihre Applikation sein sollte, welche Probleme bei der Fertigung auftreten können und welche physikalischen Einschränkungen sich aus der Wahl des Steckverbinders ergeben.

Was die Auswahl von Steckverbindern noch schwieriger macht, ist die verwendete Terminologie. Dichte, Rastermaß, Erhöhung, Unterseitenanschluss, Presspassung – was bedeutet das alles?

Die Terminologie der Steckverbinder verstehen

Bei vielen der heutigen Applikationen für Verbraucher und Industrie sind die Platzverhältnisse sehr beengt. Selbst bei den Schaltschränken sind die Tage der sperrigen grauen Kästen gezählt. Eine Lösung hierfür ist das sogenannte Stacking (d. h. Stapeln) von Boards, um den Footprint zu verkleinern und das verfügbare Gehäusevolumen durch Stapeln in die Höhe optimal zu nutzen.

Für ultra-kompakte Designs empfiehlt sich ein Steckverbindersystem mit niedrigem Profil, sodass die beiden Boards ein möglichst geringes Gesamtvolumen beanspruchen. Alternativ können die gestapelten Boards auch aus einem Steuerungsboard und einer Schnittstelle für den Nutzer mit Display und Tasten bestehen. In solchen Fällen kann zwischen den Boards ein gewisser Abstand liegen, sodass eine Schnittstelle für den Nutzer bündig hinter einer Kunststoff- oder Metallabdeckung sitzen kann. Es sind auch andere Anordnungen möglich, z. B. die Montage von Boards im rechten Winkel oder das Stapeln mehrerer Boards übereinander.

 

Abbildung 1: Parallel, koplanar, rechtwinklig, Unterseitenanschluss und Durchsteckverbindung sind Begriffe, die häufig beim Stacking von Board-Steckverbindern verwendet werden.

Je nach den Anforderungen Ihrer Applikationen benötigen Sie Steckverbinder mit den folgenden Beschreibungen (Abbildung 1):

  • Zwei übereinander gestapelte Boards: parallel, vertikal, im Sandwich-Verfahren oder mit Unterseitenanschluss (für flache und einseitige Plattendesigns).
  • Viele übereinander gestapelte Boards: Durchsteckverbindung.
  • Ein Board im rechten Winkel zu einem anderen: senkrecht, rechtwinklig oder 90°.
  • Verbindung von zwei Boards entlang ihrer Kanten: horizontal, koplanar oder 180°.

Anschlüsse am Board

Nachdem der physische Aufbau geklärt ist, stellt sich die Frage, wie die Anschlüsse am Board gestaltet werden (Abbildung 2). In der Regel gibt es drei verschiedene Möglichkeiten:

  • Durchsteckmontage: Bei dieser klassischen Methode werden die Pins des Anschlusses durch die beschichteten Bohrungen des Boards gesteckt und dort verlötet. Bei der Fertigung können Hand- oder Schwall-Löten oder sogar ein Lötroboter zum Einsatz kommen. In einigen Fällen wird eine „Pin-in-Paste“-Technik verwendet, um den Anschluss während des Reflow-Prozesses zusammen mit den Bauteilen für die Oberflächenmontage zu löten.
  • Oberflächenmontage: Hier wird der Anschluss wie andere Bauteile für die Oberflächenmontage mit Lötzinn auf Pads auf dem Board platziert. Wenn auch alle anderen Bauteile oberflächenmontiert sind, lassen sich die Fertigungskosten senken. Allerdings ist die mechanische Festigkeit in der Regel geringer, und es besteht die Gefahr, dass sich der Anschluss bei wiederholtem Einführen/Entfernen vom Board löst.
  • Press-Fit: Zwischen den Pins des Anschlusses und dem Board wird eine Presspassung hergestellt. Dies sorgt für eine bessere Dissipation der Wärme und eine geringere Ausfallrate als bei gelöteten Verbindungen. Im Vergleich zu Anschlüssen mit Durchsteckmontage wird außerdem die thermische Belastung eines zweiten Heizschritts nach dem Reflow-Prozess vermieden.

 

Abbildung 2: Jeder Anschluss hat Vor- und Nachteile.

Wenn Sie sich für eine Presspassung entscheiden, müssen Sie einige zusätzliche Aspekte bei der Fertigung Ihres Boards berücksichtigen. Die Bohrungstoleranzen müssen überprüft werden, und es ist ein größerer Abstand zu anderen Bauteilen auf dem Board erforderlich, um Probleme zu vermeiden, die durch die zusätzliche mechanische Last beim Einstecken der Steckverbindung entstehen. Ein weiterer Punkt ist die Beschichtung der Oberfläche. Wenn die Pins der Steckverbindung chemisch goldbeschichtet sind, sollten die Durchsteckbohrungen verzinnt werden, um einen ausreichenden Schlupf beim Einpressen des Steckers zu gewährleisten.

Perfekt gerastert und gestapelt

Langjährige Board-Designer erinnern sich noch an die Zeit, als alle Bauteile im 100-mil-Raster (0,1", 2,54 mm) ausgerichtet waren. Dies ist der Ausgangspunkt für Überlegungen zum Rastermaß der Steckverbinder, dem Abstand zwischen den Pins. 100 mil sind nach wie vor beliebt, wie man an Arduino, Raspberry Pi und anderen Development Boards sieht. Es gibt auch viele passende Bandkabel mit Schneidklemmkontakten (IDC) zur Verbindung von Boards oder zur Verbindung Ihrer Applikation mit Prüfgeräten.

Es sind jedoch auch zahlreiche andere Rastermaße erhältlich, und Anbieter von Board-to-Board-Steckverbindern wie Samtec bieten eine einfache Möglichkeit, diese aus ihrem Gesamtangebot an flexiblen Stacking-Steckverbindungen auszuwählen. Mit feineren Rastermaßen lassen sich mehr Verbindungen auf einer kleineren Board-Fläche herstellen, wobei die Optionen für die Oberflächenmontage bis zu 15,8 mil (0,4 mm) und für die Durchsteckmontage oder das Einpressen bis zu 50 mil (1,27 mm) reichen. Sie bieten auch ein umfangreiches Sortiment von Stapelhöhen (Abstand zwischen den gestapelten Boards), von 270 mil (6,68 mm, die typische Abmessung bei den meisten Development Boards) bis 1910 mil (48,51 mm).

Wenn Sie Rastermaß und Stapelhöhe bestimmt haben, besteht die nächste Herausforderung natürlich darin, die Bestellnummern für Ihren Steckverbinder und den passenden Sockel zu ermitteln. Um diesen Schritt zu erleichtern, bietet Samtec ein Online-Tool für die Konfiguration von Board-to-Board-Stapeln mit der Bezeichnung Solutionator. Es führt den Entwickler vom Steckverbinder-Typ und den Board-to-Board-Anschlussoptionen bis hin zu den möglichen Rastermaßen, der Anzahl der Positionen und der Stapelhöhe. Nach der Eingabe der Anforderungen wird eine gefilterte Liste von Steckverbindern ausgegeben, die als CSV-Datei heruntergeladen werden kann.

 

Abbildung 3: Der Solutionator führt Entwickler durch einen Auswahlprozess, um die optimale Option für Flex-Stacking-Steckverbinder zu finden.

Durch Klicken auf die Optionen in der Liste werden nicht nur Informationen über das ausgewählte Bauteil, sondern auch Details über das zugehörige Gegenstück angezeigt. Mit ein paar weiteren Klicks werden außerdem Bauteil-Symbole, Footprints und 3D-, elektrische und mechanische Modelle angezeigt.

 

Abbildung 4: Das Tool erleichtert auch das Herunterladen von 3D-Modellen, Symbolen und Footprints und listet zudem ein passendes Gegenstück auf

Lösung für die Auswahl von Steckverbindern

Die Definition von Steckverbindern kann eine Herausforderung sein, da sowohl elektrische als auch mechanische Aspekte berücksichtigt werden müssen. Wenn Sie eher in der Welt der Elektronik zu Hause sind, fällt es Ihnen vielleicht schwerer, die 3D-Bauweise, die Anschlussmöglichkeiten und die daraus resultierenden Herausforderungen bei der Fertigung zu durchblicken. Selbst wenn diese Punkte geklärt sind, ist es nicht immer einfach, die Stiftleiste des Steckverbinders mit dem passenden Gegenstück zu verbinden. Online-Tools wie der Solutionator für flexible Stacking-Steckverbinder von Samtec sind eine große Hilfe und bieten Bauteilnummern, Schaltpläne und Footprints für Ihr Design.



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Stuart Cording ist Elektronik-Ingenieur und technischer Autor mit den Schwerpunkten Halbleiterindustrie und Embedded Systeme


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