Wie Sie die Vorteile von Wire-to-Board-Verbindern in ultrakompakten Designs nutzen können

Beliebt sind verdrahtete Verbindungen, die aus Drähten bestehen, die in ein Buchsengehäuse eingeführt und in eine auf der Leiterplatte montierte Stiftleiste gesteckt werden. Sie bieten eine einfache, robuste und kostengünstige Lösung für das Routing von Leistung und Kommunikation zwischen einzelnen Leiterplatten in Produkten, die für Automobil-, Industrie-, Beleuchtungs- und Telekommunikationsanwendungen verwendet werden.

Aber diese Wire-to-Board-Verbindungen haben einige Nachteile. Konventionelle Verbinder sind beispielsweise sperrig und haben ein hohes Profil, was sie für kompakte Designs unpraktisch macht. Darüber hinaus kann die Montage des Steckverbinders und des Kabels knifflig sein, was den Massenproduktionsprozess verlangsamt.

Die Einführung ultrakompakter Steckverbinder mit Profilen von nur 1,4 Millimetern (mm), die für die Kompatibilität mit der automatisierten Oberflächenmontage und die vereinfachte Kabelkonstruktion ausgelegt sind, löst dieses Problem jetzt. Diese Steckverbinder sind zwar winzig klein, erfüllen jedoch die mechanischen und elektrischen Integritätsanforderungen einer zuverlässigen verdrahteten Verbindung, mit Merkmalen wie vergoldeten Kontakten, Zugentlastungsfähigkeiten und Verriegelungsmechanismen, die bei Bedarf ein einfaches Trennen der Verbindung ermöglichen.

Dieser Artikel untersucht kurz die Vorteile von verdrahteten Verbindungen, bevor er zeigt, wie eine neue Generation von kompakten Steckverbindern es einfacher macht, diese Vorteile in elektronischen Produkten zu nutzen. Der Artikel untersucht dann die Anatomie dieser Steckverbinder anhand von Beispielen von Molex, um zu zeigen, wie die zwar winzigen, aber dennoch hochintegrierten Steckverbinder eine Signalverbindung bieten und wie sich die Eigenschaften der Steckverbinder und der zugehörigen Kabel für die Montage in hohen Stückzahlen eignen.

Schrumpfen von verdrahteten Verbindungen

Steckverbinder und Kabel versprechen eine einfache, zuverlässige und preiswerte Lösung für die Leistungs- und Signalübertragung zwischen mehreren Leiterplatten (PCBs), die in einem einzigen Produkt untergebracht sind. Um dieses Versprechen zu erfüllen, müssen diese Verbindungen jedoch robust genug sein, um eine hohe Signalintegrität auch bei Vibrationen, Schmutz und Hitze zu gewährleisten. Eine bewährte Lösung kommt vom Steckverbinderhersteller Molex, der ein System aus Buchsenklemmen, Buchsengehäusen und Stiftleisten entwickelt hat (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein Wire-to-Board-System bietet eine einfache, robuste und hochintegrierte Konnektivitätslösung. (Bildquelle: Molex)

Eine Veranschaulichung des Wire-to-Board-Systems von Molex ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Das Wire-to-Board-System von Molex besteht aus einer Leitung, einer Buchsenklemme, die in das Buchsengehäuse gesteckt wird, und einer Stiftleiste, die mit dem Gehäuse verbunden wird. (Bildquelle: Molex)

Herkömmliche Systeme dieser Art - wie das Mini-Lock Wire-to-Board-System von Molex - verwenden ein 2,5-mm-Raster für den Abstand der Steckverbinderpins. Diese Systeme funktionieren zwar gut, aber durch die relativ weite Teilung sind die Gesamtabmessungen des Behälters und der Kopfstücke in der Regel recht groß. Der 6-polige, auf der Platine montierte Header 0534260610 beispielsweise misst 17,4 mm Breite x 11,5 mm Tiefe x 6,7 mm Höhe (für ein Volumen von 1340 mm³). Das Gehäuse der Gegenbuchse (0511020600) misst 15,5 mm Breite x 9,5 mm Tiefe x 5,8 mm Höhe (für ein Volumen von 850 mm³).

Vor kurzem hat Molex Wire-to-Board-Systeme mit engeren Abständen eingeführt. Zu diesen Produkten gehören die Pico-Lock-Systeme mit einer Stromkapazität von 2 Ampere (A), 1,5 mm (5040500691) und 1,0 mm (5037630691) und das Pico-EZmate-System mit 1,2 mm (0781715006). Die Auswirkungen der Stifte mit engerem Rastermaß reduzieren die Gesamtabmessungen des Steckverbinders erheblich (Tabelle 1).

Tabelle 1: Die Abmessungen der sechspoligen Header der Serien Mini-Lock (0534260610), Pico-Lock (5040500691 und 5037630691) und Pico-EZmate (0781715006). (Quelle der Tabelle: DigiKey)

Da die Steckverbindersysteme nur wenig Platinenfläche beanspruchen und ein sehr niedriges Profil aufweisen (Abbildung 3), können Ingenieure die Vorteile einer zuverlässigen und kostengünstigen Wire-to-Board-Konnektivität in Produkten nutzen, die bisher zu klein waren, um die Technologie aufzunehmen.

Abbildung 3: Der oberflächenmontierte Pico-Lock-Stecker hat ein 1,5-mm-Profil, das den Einsatz in kompakten Endprodukten ermöglicht. (Bildquelle: Molex)

Schlüsselelemente von Wire-to-Board-Verbindern

Ein Schlüsselelement für die Einfachheit des Molex-Steckverbindersystems ist die Buchsenklemme. Dabei handelt es sich um das Bauteil, das zuerst an das Ende des Drahtes gecrimpt und dann in das Buchsengehäuse eingeführt wird. Molex bietet verschiedene Buchsenklemmen an, einschließlich der vergoldeten (5040520098) für die Verwendung mit 24 - 28 AWG-Drähten und ihren Pico-Lock-Steckverbindern und der 0781720411 für die Verwendung mit 28 - 30 AWG-Drähten und dem Pico-EZmate-System. Die Crimpverbindungen werden mit Handwerkzeugen wie der Crimpzange 0638275700 oder automatischen Crimpsystemen hergestellt.

Eine Verbindung, die mit einem gecrimpten Buchsenanschluss (Abbildung 4) hergestellt wird, besteht aus mehreren Schlüsselteilen, wie folgt:

• Glockenmund: Dies ist die am Rand des Leitercrimps gebildete Aufweitung, die als Trichter für die Drahtlitzen dient. Sie ist wichtig, weil sie die Wahrscheinlichkeit verringert, dass eine scharfe Kante an der Buchsenklemme eine Drahtlitze schneidet oder einkerbt.
• Leiter-Crimp: Dies ist das wichtigste Element der Verbindung und wird durch das mechanische Zusammendrücken des Anschlusses um den Leiter des Drahtes herum gebildet, wodurch ein gemeinsamer elektrischer Pfad mit geringem Widerstand und hoher Stromtragfähigkeit geschaffen wird, ohne dass ein zusätzlicher Lötvorgang erforderlich ist.
• Leiterbürste: Dies bezieht sich auf die Drahtlitzen, die auf der Kontaktseite des Anschlusses über den Crimp hinausragen (aber nicht in den Steckbereich der gecrimpten Verbindung eingreifen). Diese Verlängerung ist wichtig, weil sie sicherstellt, dass die während des Crimpvorgangs ausgeübte mechanische Kompression über die maximale Fläche der Leiter des Drahtes ausgeübt wird.
• Isolierungs-Crimp: Dies ist der Teil des Anschlusses, der den Draht für die Einführung in das Gehäuse und die Zugentlastung unterstützt. Er muss den Draht so fest wie möglich halten, ohne die Leiter zu durchschneiden.

Abbildung 4: Teile einer Crimpverbindung, die mit Molex-Buchsenanschlüssen und Werkzeugen hergestellt wurde. (Bildquelle: Molex)

Eine gut hergestellte Crimpverbindung hat folgende Merkmale (Abbildung 5):

• Ein Isolationscrimp, der die Isolation ohne Durchstechen zusammendrückt
• Eine Leiterbürste, die durch die Vorderseite des Leitercrimpbereichs mindestens um den Durchmesser des Leiters des Drahtes vorsteht
• Isolierung und Leiter, die im Bereich zwischen der Isolierung und dem Leitercrimpabschnitt sichtbar sind
• Ein Leitercrimpabschnitt, der am vorderen und hinteren Ende eine Glockenmündung aufweist
• Übergangs- und Verbindungsabschnitte, die durch den Crimpvorgang nicht gestört werden

Abbildung 5: Zu den Merkmalen einer gut geformten Crimpverbindung gehören ein Isolationscrimp, der die Isolation zusammendrückt, ohne sie zu durchstechen, und eine sichtbare Glockenmündung. (Bildquelle: Molex)

Die Messung der Crimphöhe ist eine schnelle, zerstörungsfreie Methode, um die mechanische Kompression des Crimpens um den Leiter des Drahtes zu überprüfen. Die Crimphöhe ist definiert als der Abstand, gemessen von der Oberseite der geformten Crimpung zur unteren radialen Fläche. Ein weiterer visueller Hinweis auf die Qualität des Crimpens sind die Extrusionen (oder kleinen Flares), die sich auf der Unterseite des Leitercrimps bilden, die aus dem Abstand zwischen Stempel und Ambosswerkzeug resultieren. Wenn der Amboss abgenutzt oder der Anschluss übermäßig gequetscht ist, kommt es zu einer übermäßigen Extrusion. Eine ungleichmäßige Extrusion kann auch dann auftreten, wenn Stempel und Amboss falsch ausgerichtet sind oder wenn die Einstellung des Vorschubs falsch ist.

Es ist auch wichtig, dass der gecrimpte Buchsenanschluss nach der Montage mechanisch ausgerichtet wird; eine Fehlausrichtung des gecrimpten Abschnitts und des Steckabschnitts durch Verdrehen oder Biegen macht es unmöglich, den Buchsenanschluss in die Steckerleiste einzuführen.

Nach erfolgreicher Formgebung werden die gecrimpten Buchsenklemmen in das Buchsengehäuse eingesetzt. Sofern der gecrimpte Buchsenanschluss mechanisch ausgerichtet ist, sollte dies nicht schwierig sein, aber es ist wichtig sicherzustellen, dass der Anschluss dann korrekt in die Stiftleiste eingreift. Die Gehäuse enthalten in der Regel Verriegelungsmechanismen, die verhindern, dass sich die Klemmen nach dem Einklipsen lösen, wenn die zugehörigen Drähte unter Spannung gesetzt werden. Das 6-polige Buchsengehäuse Molex 5037640601 für Pico-Lock-Reihenklemmen beispielsweise verfügt über eine Formlanze am Gehäuse, die in eine Metalllanze an der Buchsenklemme eingreift und verhindert, dass die Buchse wieder aus dem Gehäuse herausgezogen werden kann (Abbildung 6).

Abbildung 6: Bei der Pico-Lock-Baureihe von Molex wird eine Lanze am Buchsenanschluss mit einer Formlanze am Buchsengehäuse verbunden, um die Buchse zu sichern. (Bildquelle: Molex)

Nachdem die Buchsenklemmen in das Buchsengehäuse eingesetzt wurden, kann die fertige Kabelbaugruppe in die plattenmontierte Stiftleiste eingeführt werden. Auch hier macht das Design des Steckverbindersystems dies relativ einfach, vorausgesetzt, dass Gehäuse und Header mechanisch ausgerichtet sind (was wegen der kleinen Steckverbinder Sorgfalt erfordert). So wie die Buchsenklemmen im Buchsengehäuse verriegelt sind, um zu verhindern, dass sie sich lösen, enthalten das Gehäuse und die Stiftleisten auch Mechanismen, die sicherstellen, dass sich die Stiftleiste nach dem Einsetzen nicht leicht lösen lässt. Die 6-Positions-Buchsengehäuse für die Pico-Lock-Baureihe beispielsweise verfügen über eine Reibungssperre und zwei formschlüssige Verriegelungen, die einrasten, sobald das Gehäuse in den Header eingesteckt wird (Abbildung 7).

Abbildung 7: Pico-Lock-Steckköpfe enthalten eine Reibungssperre und zwei formschlüssige Sperren, um einen robusten Eingriff zu gewährleisten. (Bildquelle: Molex)

Gebaut für automatisierte Montage

Wire-to-Board-Systeme können sich als Herausforderung für Hersteller von hochvolumigen Produkten erweisen, da herkömmliche Stiftleisten ungünstige Profile aufweisen und typischerweise Durchgangsverbindungen zur Montage auf der Leiterplatte verwenden. (Das Molex Mini-Lock 0534260610 beispielsweise verfügt über eine Durchgangsbohrungstechnologie). Solche Merkmale machen es unpraktisch, automatische Bestückungsgeräte zur Montage des Steckverbinders auf der Leiterplatte zu verwenden, was die Hersteller zwingt, die Linie durch einen manuellen Prozess zu ergänzen, was die Produktion verlangsamt.

Um dies zu überwinden, wurden die Pico-EZMate und Pico-Lock (plattenmontierte) Stiftleisten von Molex für die Oberflächenmontage entwickelt. Die Bauelemente verfügen über Lötpads anstelle von Durchkontaktierungen und wurden für die Verpackung direkt in die von Bestückungsautomaten verwendeten Spulen konzipiert. Darüber hinaus sind die Header mit flachen Oberflächen versehen, um die Aufnahme von den Vakuumdüsen der Bestückungsautomaten zu erleichtern (Abbildungen 8, 9 und 10).

Abbildung 8: Molex Pico-Lock- und Pico-EZmate-Steckverbinder sind für die Oberflächenmontage konzipiert. Hier ist das Lötpunktmuster für einen Pico-Lock-Header abgebildet. (Bildquelle: Molex)

Abbildung 9: Molex Pico-Lock- und Pico-EZmate-Steckverbinder können in Rollen geliefert werden, die für automatische Bestückungsautomaten geeignet sind. Hier ist die Rollenverpackung für den Pico-Lock-Header abgebildet. (Bildquelle: Molex)

Abbildung 10: Molex Pico-Lock- und Pico-EZmate-Steckverbinder weisen große flache Oberflächen für Vakuum-Aufnahmewerkzeuge von Bestückungsautomaten auf. Hier ist die Aufnahmefläche des Pico-Lock-Kopfes abgebildet. Das Maß 'A' misst 9,8 mm für den 6-poligen Header. (Bildquelle: Molex)

Fazit

Wire-to-Board-Steckverbindersysteme bieten eine bewährte und kostengünstige Methode für das Routing von Strom und Signalen zwischen Leiterplatten in Automobil-, Industrie-, Beleuchtungs- und Telekommunikationsprodukten. Die relativ sperrigen Abmessungen herkömmlicher Designs haben jedoch ihre Verwendung in kompakteren Endprodukten verhindert.

Eine neue Generation von kompakten Wire-to-Board-Systemen ermöglicht es den Ingenieuren nun, die Vorteile dieser Produkte auf viel kleinere Einheiten auszudehnen. Sofern die Produkte nach den Spezifikationen des Herstellers montiert werden, sind diese Steckverbindersysteme langfristig zuverlässig einsetzbar und können selbst bei Steckverbindern mit feinsten Pinabständen Ströme bis zu 2 A führen.

Besser noch, die zu diesen Systemen gehörenden Leiterplattenbestückungen wurden für die Verwendung mit den in hochvolumigen Bestückungsumgebungen üblichen Bestückungsautomaten entwickelt.