Wie man sicherstellt, dass Board-zu-Board-Steckverbinder die Anforderungen für die schnelle Montage und Nutzung in der Automobilelektronik erfüllen

Entwickler von Automobilsystemen müssen Steckverbinder sorgfältig auswählen und einsetzen, damit sie in Umgebungen, in denen sie extremen Temperaturen und Feuchtigkeit, Verschmutzung und Vibrationen ausgesetzt sind, sowohl physisch als auch elektrisch zuverlässig funktionieren. Die Erfüllung und Aufrechterhaltung der Anforderungen an die Leistung und Zuverlässigkeit von Kraftfahrzeugen wird immer schwieriger, da die Fahrzeuge zu leistungsfähigen „Computern auf Rädern“ werden. Die Steckverbinder müssen in der Lage sein, mehr Übertragungsleitungen auf engem Raum mit Kommunikationsgeschwindigkeiten von mehreren Gigabit pro Sekunde zu verarbeiten, die für Standards wie 10GBASE-T1 und PCI Express Version 3 (PCIe 3.0) erforderlich sind.

Erschwerend kommt hinzu, dass die Automobilhersteller sehr hohe Produktionsvolumina verlangen, so dass die Elektronikmontageunternehmen auf Highspeed-Montagemaschinen zurückgreifen müssen, um mithalten zu können. Es ist jedoch schwierig, die Produktionsraten und die Ausbeute hoch zu halten und gleichzeitig die Steckverbinder so zu platzieren, dass sie später problemlos zusammengefügt werden können.

Diese Herausforderungen können mit physikalisch und elektrisch robusten Steckverbindern mit schwimmenden Kontakten (Kontakte mit Spiel) bewältigt werden, die Positionsverschiebungen oder Fehlausrichtungen, die bei der automatischen Montage auftreten, auffangen.

Dieser Artikel beschreibt die Anforderungen an elektrische Signale und physikalische Anwendungen sowie an die Herstellung von Steckverbindern für die Automobilindustrie. Anschließend werden schwimmende Steckverbinder von JAE Electronics vorgestellt, mit denen Entwickler diese Anforderungen erfüllen können. Darüber hinaus werden spezifische Informationen zu Highspeed-Kommunikationsstandards, zur Auswahl geeigneter Steckverbinder und zu deren Anwendung gegeben sowie Hinweise zur Auswahl von Steckverbindern für Highspeed-Kommunikationsprotokolle im Automobilbereich wie 10GBASE-T1 und PCI Express Version 3 (PCIe 3.0).

Highspeed-Kommunikationsprotokolle - Eine Übersicht

10GBASE-T1 gehört zu einer Familie von 10-Gigabit-Ethernet-Standards (10 GbE), die die Übertragung von Ethernet-Frames mit einer Geschwindigkeit von 10 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) ermöglichen. 10GBASE-T1 ist eine „Automotive-Ethernet“-Lösung, die mit Twisted-Pair-Kabeln über Entfernungen von bis zu 15 Metern (m) arbeitet. Der Datendurchsatz von 10 Gbit/s ist der schnellste Kommunikationsstandard im Automobilbereich und kann Anwendungen wie das autonome Fahren unterstützen.

PCIe 3.0 ist ein weiterer Standard für serielle Highspeed-Computererweiterungsbusse. Es ermöglicht bis zu 8 Gigatransfers pro Sekunde (GT/s). Bei einer High-End-„x16-Lane“-Implementierung entsprechen 8 GT/s einer Gesamtdatenübertragungsrate von 126 Gbit/s.

Diese Technologie, die traditionell als Hochgeschwindigkeitsbus in PCs verwendet wird, wird nun für Anwendungen im Automobilbereich für das Fahrzeug der Zukunft eingesetzt, da das Hardware-Design garantiert, dass die übertragenen Datenpakete am vorgesehenen Ziel ankommen. So entsteht ein äußerst zuverlässiges System, das sich für das autonome Fahren eignet.

Steckverbinder für die Highspeed-Kommunikation im Fahrzeug

Highspeed-Kommunikationsprotokolle erfordern hochwertige Steckverbinder. Sie müssen nicht nur eine robuste und zuverlässige Verbindung bieten, um eine hervorragende Signalintegrität zu gewährleisten, sondern sie müssen auch über viele Jahre hinweg relativ einfach zu trennen und wieder anzuschließen sein. Außerdem müssen sie in der Lage sein, viele Stifte und Steckbuchsen auf kleinem Raum unterzubringen, um eine kompakte Größe mit mehrspurigen Anschlussmöglichkeiten zu gewährleisten.

Ein Beispiel für eine moderne Steckverbinderfamilie für Highspeed-Kommunikationsprotokolle wie 10GBASE-T1 und PCIe 3.0 ist die Serie MA01 von JAE Electronics. Diese Steckverbinder bieten Merkmale wie gerollte Oberflächenkontakte und Zwei-Punkt-Kontaktstrukturen, um sichere mechanische und elektrische Verbindungen auch unter den für Automobilanwendungen typischen Vibrationen, Stößen und extremen Temperaturen zu gewährleisten (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Steckverbinder der Serie MA01 verfügen über einen Zweipunkt-Kontaktstecker, der die elektrische Kontinuität bei Stößen und Vibrationen aufrechterhält. (Bildquelle: JAE Electronics)

Die Steckverbinder der Serie MA01 werden in verschiedenen Stapelhöhen zwischen 8 und 30 Millimetern (Abbildung 2) angeboten und sind in der Lage, die von 10 GBASE-T1 und PCIe 3.0 geforderten Übertragungsgeschwindigkeiten von 8 Gbit/s zu erreichen. Sie eignen sich daher ideal für Anwendungen wie digitale Board-zu-Board-Steuergeräte im Automobilbereich. Die Steckverbinder zeichnen sich durch geringe Steck- und Trennkräfte aus und verfügen über eine Kodierung, die ein falsches Stecken verhindert. Die Steckverbinder bieten einen weiten Betriebstemperaturbereich von -40°C bis 125°C.

Abbildung 2: Die Steckverbinder der Serie MA01 sind in Stapelhöhen von 8 bis 30 mm erhältlich. (Bildquelle: JAE Electronics)

Ein Beispiel aus dem Sortiment ist der MA01F030VABBR300. Bei diesem Steckverbinder handelt es sich um einen Highspeed-Steckverbinder für den Automobilbereich, der für Board-zu-Board-Verbindungen ausgelegt ist. Er verfügt über 30 Positionen in einem Raster von 0,635 mm in einem Gehäuse von 20,925 mm x 8,8 mm x 12,3 mm. Die Kontakte bestehen aus einer Kupferlegierung mit einer Goldschicht von 0,1 Mikrometer (µm) (minimum). Die elektrische Spezifikation des Steckers beträgt 0,5 Ampere (A) Nennstrom und 50 Volt AC Nennspannung. Er ist für bis zu 100 Steckvorgänge ausgelegt.

Der MA01F030VABBR300 ist so konzipiert, dass er zusammen mit dem MA01R030VABBR600 Board-zu-Board-Verbindungen für Highspeed-Anwendungen im Automobilbereich herstellen kann (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der MA01F030VABBR300 (unten) verfügt über 30 Positionen und lässt sich mit dem MA01R030VABBR600 zu einer robusten und zuverlässigen Highspeed-Board-zu-Board-Verbindung verbinden. (Bildquelle: JAE Electronics)

Herausforderungen bei der Montage meistern

Die Großserienfertigung von Elektronik erfordert den Einsatz von Robotermontagetechnik. Die für diese Aufgabe eingesetzten automatischen Bestückungsautomaten haben jedoch mechanische Grenzen. Dies kann zu Toleranzen bei der Positionierung der Bauteile führen. Geringe Positionsabweichungen sind zwar typisch und stellen bei aktiven und passiven Bauteilen kein Problem dar, können aber beim Zusammenstecken von Steckverbindern mit mehreren Positionen und kleinem Raster Probleme verursachen. Das Problem wird dadurch verschärft, dass ein typischer Steckverbinder keine ebene Fläche bietet, auf der die Vakuumdüse des Bestückungsautomaten richtig aufsetzen kann.

Bei typischen Pin-zu-Pin-Abständen von weniger als einem Millimeter sind beim Zusammenstecken von Steckverbindern keine großen Ausrichtungsfehler erforderlich, um zu beschädigten Kontakten zu führen.

Der MA01F030VABBR300 von JAE verfügt deshalb über eine schwimmende Kontakttechnologie, die eine Bewegung von ±0,5 Millimetern in X- und Y-Richtung erlaubt. Dieses Spiel korrigiert Positionsverschiebungen oder Ausrichtungsfehler, die bei der Montage durch automatische Maschinen entstehen. Die Anschlüsse werden mit einer abnehmbaren Kappe geliefert, die einen sicheren Halt für die Vakuumdüsen der Platzierungsmaschine bietet. Die Kappe dient auch dazu, zu verhindern, dass vor der Montage des Steckers größere Fremdkörper in den Steckbereich gelangen (Abbildungen 4 und 5).

Abbildung 4: Der MA01F030VABBR300 ist die untere Hälfte dieser MA01-Verbindung und verfügt über eine schwimmende Kontakttechnologie, die eine Bewegung von ±0,5 mm in X- und Y-Richtung ermöglicht. Dieses Spiel korrigiert Positionsverschiebungen oder Ausrichtungsfehler, die bei der Montage entstehen. (Bildquelle: JAE Electronics)

Abbildung 5: Die MA01-Serie wird mit einer abnehmbaren Kappe geliefert, an der die Vakuumdüse des Bestückungsautomaten einen guten Halt findet. (Bildquelle: JAE Electronics)

Die Buchsenseite des Board-zu-Board-Steckverbinders, der MA01R030VABBR600, ist ein starrer Steckverbinder, da nur eine Seite der Verbindung frei beweglich sein muss, um Positionstoleranzen bei der Bestückung auszugleichen.

Ein weiteres Merkmal der Steckverbinder der Serie MA01, das den Montageprozess erleichtert, ist die klare Sicht auf die Lötstellen, an denen der Steckverbinder auf die Leiterplatte trifft. Bei herkömmlichen Steckverbindern sind diese Lötstellen in der Regel verdeckt, was die Inspektion erschwert und das Risiko von Ausfällen im Betrieb erhöht (Abbildung 6).

Abbildung 6: Ein seitlich montierter Steckverbinder der Serie MA01 zeigt, wie die Qualität der Lötstellen an der Stelle, an der der Steckverbinder auf der Leiterplatte befestigt ist, durch das Design leicht überprüft werden kann. (Bildquelle: JAE Electronics)

Sicherstellung einer problemlosen Verbindung

Die schwimmende Steckverbindertechnologie der MA01-Serie ist nützlich, wenn es darum geht, Positionsfehler bei der Platzierung auszugleichen, aber es kann zu größeren Ausrichtungsfehlern kommen, wenn die Steckverbinder manuell zusammengeklemmt werden. Eine solche Fehlausrichtung kann auftreten, wenn die oberen und unteren Leiterplatten, die die beiden Hälften des Steckverbinders halten, „blind“ zusammengefügt werden, wodurch die empfindlichen Kontakte nur allzu leicht falsch ausgerichtet werden können. Noch schlimmer ist, dass sich der Stecker so anfühlt, als sei er richtig eingesteckt worden, obwohl die Kontakte während des Vorgangs beschädigt worden sind. Eine solche Fehlausrichtung kann sowohl in der horizontalen X- als auch in der Y-Richtung auftreten.

Die JAE-Steckverbinder sind mit Führungsschienen ausgestattet, die eine unsachgemäße Verbindung selbst dann verhindern, wenn die Steckverbinder während des Steckvorgangs in X- und Y-Richtung oder in beiden Richtungen erheblich falsch ausgerichtet sind. Die Führungsschiene ist in den Steckverbinderkörper eingegossen und lenkt die beiden Hälften des Steckverbinders in die richtige Einrastposition (Abbildungen 7, 8 und 9).

Abbildung 7: Bei einer Fehlausrichtung in X-Richtung lenkt die Führungsschiene der MA01-Serie von JAE Electronics die obere Hälfte des Steckverbinders in eine vertikale Ausrichtung. (Bildquelle: JAE Electronics)

Abbildung 8: In Y-Richtung verhindern die Führungsschienen eine übermäßige Fehlausrichtung, die sonst die Kontakte beschädigen würde. (Bildquelle: JAE Electronics)

Abbildung 9: Wenn zwei Boards blind gesteckt werden, gleichen die Führungsschienen einen horizontalen Versatz von bis zu 1 mm aus. (Bildquelle: JAE Electronics)

Nach dem Einstecken absorbiert der Steckverbinder dank seines schwimmenden Kontakts die für Automobilanwendungen typischen Stöße und Vibrationen, ohne dass die Gefahr einer Kontaktbeschädigung besteht.

Highspeed-Steckverbinderauswahl

Die Entwicklung von Highspeed-Kommunikationssystemen ist eine schwierige Aufgabe. Noch bevor der Entwickler die Signalintegrität eines bestimmten Steckverbinders in Betracht zieht, muss das Layout der zugehörigen Leiterplatte Faktoren wie die Zielimpedanzen und das Routing der Highspeed-Differenzsignalkanäle berücksichtigen, um Übersprechen und Verluste zu begrenzen. Wenn der Entwickler diese und andere wichtige Designfaktoren berücksichtigt hat, kann der Steckverbinder jedoch eine wichtige Rolle für die endgültige Bandbreite, den Rohdatendurchsatz und die Signalintegrität des Systems spielen.

Bei der Auswahl eines Highspeed-Steckverbinders ist zunächst die maximale Bandbreite für das gewünschte Kommunikationsprotokoll zu prüfen. Es hat wenig Sinn, ein System zu entwickeln, das mit hoher Geschwindigkeit arbeitet, wenn der Steckverbinder nicht in der Lage ist, die Betriebsfrequenz des Protokolls zu verarbeiten. Eine einfache Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Auswahl von Steckverbindern, die nach der Norm des betreffenden Protokolls zertifiziert sind. Auf diese Weise kann der Entwickler sicher sein, dass der Steckverbinder speziell entwickelt wurde, um einen maximalen Durchsatz und eine maximale Bandbreite zu gewährleisten.

Ein konformer Steckverbinder weist auch die Zielimpedanz für das jeweilige Highspeed-Protokoll auf (in der Regel 50 Ohm (Ω)). Andere Auswahlfaktoren wie das Material, aus dem der Steckverbinder besteht, die Art der Leiterplattenmontage und die Abmessungen sind zwar wichtig, haben aber weniger Einfluss auf die Signalintegrität.

Während die Konformitätszertifizierung dem Entwickler die Gewissheit gibt, dass der Steckverbinder seine Aufgabe erfüllen kann, ist es wichtig, den in die engere Wahl gezogenen Steckverbinder auf einer Testplatine zu testen, die ein ähnliches oder identisches Layout wie der Produktionsartikel aufweist. Das Datenblatt oder ein isolierter Test des Steckverbinders zeigt möglicherweise keine Probleme mit der Signalintegrität, die im realen Einsatz auftreten können. Die Prüfung einer Prototyp-Baugruppe gibt einen klaren Hinweis auf Signalreflexion und/oder Verzerrungsprobleme.

Die wichtigsten Messungen zur Bestimmung der Signalintegrität des Steckverbinders sind die S-Parameter und das Augendiagramm. Die S-Parameter zeigen die Signalrückfluss- und Einfügedämpfung im Frequenzbereich an. Sie sollten für den Arbeitsstromkreis mit aufgesetztem Steckverbinder gemessen und dann mit den Ergebnissen verglichen werden, wenn der Steckverbinder entfernt wird, um seine Auswirkungen auf die Signalintegrität zu bewerten.

Ein mit einem Oszilloskop erstelltes Augendiagramm ist eine Visualisierung der Leistung der Schaltung im digitalen Bereich. Es ist die Standardmethode zur Darstellung von Verlusten, Übersprechen, Intersymbolinterferenz (ISI) und Bitfehlerraten. Auch hier sollten die Tests mit und ohne Steckverbinder durchgeführt werden, um dessen Einfluss auf die Signalintegrität festzustellen.

Fazit

Für Entwickler ist es eine Herausforderung, die anspruchsvollen physikalischen und elektrischen Leistungsanforderungen von Board-zu-Board-Steckverbindern in der Automobilindustrie zu erfüllen und gleichzeitig Schäden an Steckverbindern zu vermeiden, die durch schlechte Positionierung und Fehlausrichtungstoleranzen bei der automatischen Highspeed-Montage entstehen. Mit den Steckverbindern der Serie MA01 von JAE Electronics können Entwickler diese Herausforderungen meistern.

Wie gezeigt, sind die MA01-Steckverbinder konform mit Multi-Gigabit-Kommunikationsprotokollen und bieten eine robuste und zuverlässige Lösung mit geringem Widerstand beim Einstecken und Trennen. Darüber hinaus wurden die Steckverbinder auch im Hinblick auf eine schnelle Montage entwickelt. Merkmale wie Abdeckkappen, schwimmend gelagerte Steckverbinder und Führungsschienen ermöglichen größere Toleranzen bei der Leiterplattenmontage und der blinden Verbindung von Leiterplatte zu Leiterplatte ohne das Risiko einer Fehlausrichtung und Beschädigung der Kontakte.