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Was müssen Steckverbinder für IoT, IIoT und Industrie 4.0 bieten?

Autor / Redakteur: Michael Singer * / Kristin Rinortner

Die zunehmende Vernetzung stellt neue technische Anforderungen an Industrie-Steckverbinder. Höhere Datenraten, höhere Frequenzen und geringere Abmessungen sind ebenso erforderlich wie Robustheit, Zuverlässigkeit und Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Störungen. Mezzanine-Steckverbinder bieten hier einiges.

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Industriesteckverbinder: Anwendungen für IIoT und Industrie 4.0, beispielsweise automatische Produktionslinien, erfordern High-Speed-Steckverbinder, die eine hohe Zuverlässigkeit, hohe elektromagnetische Störfestigkeit und geringe Abmessungen haben.
Industriesteckverbinder: Anwendungen für IIoT und Industrie 4.0, beispielsweise automatische Produktionslinien, erfordern High-Speed-Steckverbinder, die eine hohe Zuverlässigkeit, hohe elektromagnetische Störfestigkeit und geringe Abmessungen haben.
(Bild: Erni)

Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) bezieht sich auf die drahtlose Vernetzung sowohl von elektronischen Geräten und Fahrzeugen als auch Gebäuden und Fertigungsanlagen. Durch integrierte elektronische Komponenten, beispielsweise Sensoren, Aktoren, Steckverbinder und Kabel, können diese Geräte Daten sammeln und austauschen sowie aus der Ferne überwacht und gesteuert werden.

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) ist ein Teilsegment speziell für die Fertigung, bei dem IoT, Echtzeitanalyse, maschinelles Lernen und eingebettete Systeme, einschließlich drahtloser Sensornetze, Steuerungen und Automatisierungstechnologien zusammengeführt werden.

Das IIoT erweitert die Standard-IoT-Funktionen um Analyse- und intelligente Reaktionsmöglichkeiten. Durch diese Fähigkeiten werden eine höhere Fertigungseffizienz, Produktivität und weitere wirtschaftliche Vorteile möglich, die Bestandteil des Konzepts Industrie 4.0 sind.

Herausforderungen für IoT-Komponenten

Die Zahl der IoT-Geräte soll bis 2025 weltweit auf über 75 Milliarden ansteigen – eine Verfünffachung in nur zehn Jahren. Einer der Gründe dafür sind die globalen 5G-Mobilfunknetze, die durch intelligente Fabriken und autonomes Fahren den Weg für noch stärker vernetzte Gesellschaften und Industrien freimachen sollen.

Zu den wichtigsten Herausforderungen für Steckverbinder in IoT- und IIoT-Anwendungen gehören die ständig steigenden Anforderungen an die Datenrate und die unterschiedlichen Komponentendichten der Endgeräte von der Unterhaltungselektronik über intelligente Zähler bis zu industriellen Steuerungen. Die Fähigkeit, höhere Datenraten bei höheren Geschwindigkeiten zuverlässig zu übertragen, erfordert neue und optimierte Steckverbinder.

In ähnlicher Weise schränken die höheren Komponentendichten auf der Leiterplatte, mit denen moderne IoT-Geräte erst möglich werden, sowohl den für Steckverbinder verfügbaren Platz als auch die Mindestabstände zwischen den Komponenten erheblich ein. Hierauf muss besonderes Augenmerk zur Verringerung des Störungsrisikos gerichtet werden.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass IoT-Geräte für wesentlich höhere Betriebsfrequenzen ausgelegt werden als heute üblich sind. Frequenzen von bis zu 30 GHz für Außenumgebungen und 90 GHz für Innenanwendungen erschweren es Geräteentwicklern, die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), das heißt eine geringe Störstrahlung und eine hohe Störfestigkeit zu erreichen.

Mezzanine-Verbinder erfüllen die IoT-Anforderungen

Mezzanine-Steckverbinder gewinnen in modernen, dezentralen und vernetzten Systemarchitekturen, wie sie beispielsweise bei IoT-Geräten zum Einsatz kommen, zunehmend an Bedeutung. Dies liegt daran, dass der verfügbare Platz für die betreffenden Anwendungen immer knapper wird, sowohl durch die höhere Bauteildichte auf der Leiterplatte als durch den Trend zu immer kompakten Geräten mit kleinen Gehäusen.

Eine Antwort auf diesen Trend ist die Verwendung von gestapelten Leiterplatten für die Systemintegration. Dies stellt jedoch ganz besondere Anforderungen an die notwendigen Steckverbinder, da die Geschwindigkeiten für die digitale Datenübertragung auf Leiterplatten oft 10 GBit/s und mehr erreichen. Neben immer höheren Datenraten und zunehmender Komplexität der Leiterplatten erfordern gestapelte Leiterplatten auch höhere Kontaktdichten.

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Heutige Mezzanine-Steckverbinder haben oft Hunderte von Kontakten, aber die entsprechenden Leiterplatten wurden – bis vor kurzem – meist mit großflächigen Steckverbinder-Clustern bestückt. Damit waren mehr Kontakte nur bei Verwendung größerer Steckverbinder möglich, was kontraproduktiv für die vielen in modernen Elektronikgeräten erforderlichen Verkleinerungen der Komponentenabmessungen ist.

Aufgrund der Montage und Leitungsführung kann es sinnvoll sein, diese Steckverbinder-Cluster in mehrere kleinere Steckverbinder aufzuteilen. Dieser Ansatz kann jedoch bei konventionellen einseitigen Kontakten zu Toleranzproblemen führen, so dass Anwender selten mehr als einen platzsparenden Mezzanine-Steckverbinder auf einer Leiterplatte platzieren.

Bild 1: Das platzsparende und störungssichere MicroSpeed-Steckverbindersystem unterstützt Datenraten von mehr als 25 GBit/s und weist eine gute Signalintegrität, Zuverlässigkeit und Robustheit auf. Die geschirmten Leiterplattensteckverbinder im 1,0-mm-Raster sind in vertikalen und rechtwinkligen Konfigurationen mit 5 bis 133 Kontakten in zwei oder drei Reihen sowie mit SMT-, THR- und Hybrid-Anschluss erhältlich.
Bild 1: Das platzsparende und störungssichere MicroSpeed-Steckverbindersystem unterstützt Datenraten von mehr als 25 GBit/s und weist eine gute Signalintegrität, Zuverlässigkeit und Robustheit auf. Die geschirmten Leiterplattensteckverbinder im 1,0-mm-Raster sind in vertikalen und rechtwinkligen Konfigurationen mit 5 bis 133 Kontakten in zwei oder drei Reihen sowie mit SMT-, THR- und Hybrid-Anschluss erhältlich.
(Bild: Erni)

Im Gegensatz dazu ermöglichen Mezzanine-Steckverbinder mit doppelseitigen Kontakten und einem großen Fangbereich von 0,7 mm im 1,0-mm-Raster, wie die Serie MicroSpeed von Erni (Bild 1), eine einfache Platzierung mehrerer Steckverbinder auf einer Leiterplatte. Entwickler sind so flexibler beim Routing, kommen mit weniger Leiterplattenlagen aus und erreichen eine hohe Strombelastbarkeit und hohe Signalgeschwindigkeiten.

Anforderungen an Mezzanine-Verbinder für das IoT

Zu den wichtigsten Merkmalen von Mezzanine-Steckverbindern für den Einsatz in Bereichen wie IoT, IIoT und Industry 4.0 gehören minimale Abmessungen bei größtmöglicher Kontaktdichte, die zuverlässige Übertragung von Signalen mit mehr als 20 GBit/s, hohe Störfestigkeit sowie die Fähigkeit zur Übertragung von symmetrischen und Single-Ended-Signalen. Die Erfüllung dieser Anforderungen erfordert ein spezielles Kontakt-Design.

Einseitige oder doppelseitige Kontakte: Steckverbinder mit einseitigen Kontakten führen beim Stecken gelegentlich zu Toleranzproblemen. Mezzanine-Steckverbinder, die für den Einsatz in IoT-Anwendungen konzipiert sind, sollten daher idealerweise doppelseitige Federkontakte mit einer breiten, einheitlich glatten Oberfläche, eine Goldbeschichtung zur Verbesserung der Leitfähigkeit, eine effektive Wipe-Länge von etwa 1,5 mm haben und Fretting vermeiden. Für eine effektive Miniaturisierung ist ein Raster von 1,0 mm mit geringem Kontaktwiderstand wünschenswert.

Bild 2: Das MicroSpeed-Steckverbindersystem erreicht durch ein optimiertes Kontaktdesign und die effiziente Abschirmung die hohe Geschwindigkeit und Signalintegrität, die für Anwendungen in der Industrieautomatisierung, High-Speed-Datenübertragung und Telekommunikation erforderlich sind.
Bild 2: Das MicroSpeed-Steckverbindersystem erreicht durch ein optimiertes Kontaktdesign und die effiziente Abschirmung die hohe Geschwindigkeit und Signalintegrität, die für Anwendungen in der Industrieautomatisierung, High-Speed-Datenübertragung und Telekommunikation erforderlich sind.
(Bild: Erni)

SMT-Signalkontakte direkt auf der Leiterplatte (Bild 2) sind vor allem bei Hochgeschwindigkeits-Mezzanine-Anwendungen von Vorteil und bieten eine höhere Signalintegrität als solche mit Einpress-Stiften, da die für Einpress-Steckverbinder erforderlichen durchkontaktierten Bohrungen Rauschen und Reflexionen beeinflussen.

Je nach Anwendung kann der Anwender bei den MicroSpeed-Steckverbindern für die außen angeordneten Abschirmkontakte SMT- oder Through-Hole-Kontaktierungen (THR) wählen. Abschirmkontakte mit THR-Kontaktierung erhöhen die mechanische Stabilität und ermöglichen eine einfache Anordnung der Steckverbindermodule in Reihen nebeneinander mit minimalem Platzbedarf.

Raster und integrierte Schirmungen sind essenziell für die Impedanz

Das Kontaktraster und die integrierten Abschirmungen spielen eine Schlüsselrolle für die Impedanz eines Steckverbinders, die bei Single-Ended-Signalen normalerweise 50 Ω und bei differenziellen Anwendungen 100 Ω beträgt. Um die Impedanz konstant zu halten, das Übersprechen zu reduzieren und die Kopplung zwischen symmetrischen Signalpaaren zu verbessern, nutzen Hochgeschwindigkeits-Mezzanine-Steckverbinder spezielle Abschirmungen.

Standardmäßig werden zur Abschirmung Kontaktfinger eingesetzt; diese sind weitgehend unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und elektrostatische Entladungen (ESD). Zusätzliche Abschirmungsmechanismen, beispielsweise Kontaktfahnen, verbessern die EMV weiter, da sie die induktive Kopplung deutlich reduzieren.

Durch Kombination dieser beiden Mechanismen wird eine sehr gute Abschirmung erreicht, die sich ideal für Anwendungen in Bereichen wie IoT, IIoT und Industrie 4.0 eignet, welche eine hohe Signalintegrität und sichere Datenübertragung erfordern. Einige Mezzanine-Steckverbinder erlauben auch die Verwendung der Abschirmungen zur Stromversorgung mit bis zu 10 A pro Schirmung.

Übersprechen durch Verdrillen der Adern verbessern

Ein optimiertes Übersprechen wird am besten mit einer vertikalen Anordnung der Signalpaare (d.h. quer zur Längsrichtung) sowie durch die Verdrillung der Signaladern und Abschirmadern erreicht. Bei dieser Konfiguration wurden Übersprechdämpfungen von weniger als 2% bei einer Anstiegszeit von 100 ps gemessen.

Bild 3: 
Das MicroSpeed-Steckver­bindersystem hat ein Blind-Mate-Design, unterstützt eine einfache Integration in kompakte, hochdichte, schwer zugängliche und raue Anwendungen und ist in mehreren verschiedenen Steckverbinderhöhen erhältlich.
Bild 3: 
Das MicroSpeed-Steckver­bindersystem hat ein Blind-Mate-Design, unterstützt eine einfache Integration in kompakte, hochdichte, schwer zugängliche und raue Anwendungen und ist in mehreren verschiedenen Steckverbinderhöhen erhältlich.
(Bild: Erni)

Mezzanine-Steckverbinder mit Blind-Mating und Verpolschutz, verlängerten Führungen zur Aufnahme des Gegenkontakts und selbstjustierenden Eigenschaften (Bild 3) unterstützen die benutzerfreundliche Integration sowohl in kompakten IoT-Geräten mit dicht bestückten Leiterplatten als auch in schwer zugänglichen Automatisierungsgeräten in rauen Industrieumgebungen.

Aus Gründen der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit sollten Mezzanine-Steckverbinder für die Industrie schmale, flache, ummantelte Gehäuse aus robusten, hochtemperaturbeständigen Materialien besitzen, um die Kontakte vor Beschädigungen zu schützen und die Luftzirkulation zur Systemkühlung zu erleichtern. Sorgfältig gefertigte Steckverbinder können für 500 oder mehr Nennsteckzyklen ausgelegt werden.

Die Ausführungen von IoT-Mezzanine-Verbindern

Um ein breites Spektrum von Anwendungen abzudecken, sollten Mezzanine-Steckverbinder für IoT-Anwendungen sowohl unsymmetrische als auch symmetrische Signale unterstützen, um eine maximale Erdungs- und Leitungsflexibilität zu erreichen. Verschiedene Stecker- und Buchsenhöhen ermöglichen ein breites Anwendungsspektrum, da sie viele verschiedene Stapelhöhen und Leiterplattenabstände zulassen und den Entwicklern maximale Flexibilität bei der Leiterplattenanordnung erlauben.

Zusätzlich zu den ursprünglich zweireihigen Varianten bietet das Unternehmen aus Adelberg auch dreireihige Ausführungen mit SMT-Anschlüssen an, um eine noch höhere Kontaktdichte zu erreichen. Bei diesen Konstruktionen kann die dritte (mittlere) Reihe als Massepfad zugewiesen werden, um das Übersprechen zwischen den beiden Signalreihen zu reduzieren. Alternativ kann die dritte Reihe auch zur Stromversorgung verwendet werden.

Die Signalintegritätsanalyse wird bei Datenübertragungen immer wichtiger, insbesondere bei Anwendungen mit höheren Betriebsfrequenzen. Daher sollten die Anbieter von Mezzanine-Steckverbindern neben technischer Unterstützung bei der Konstruktion auch passende Spice-Modelle und Leiterplatten-Designkits für eine frühe Systemsimulation anbieten.

Fazit: Die kontinuierliche Entwicklung und Erweiterung anspruchsvoller IoT-, IIoT- und Industrie 4.0-Anwendungen erfordern leistungsfähigere Steckverbinder mit höheren Datenraten und -dichten. Die Steckverbinder müssen elektromagnetische Interferenzen und Übersprechen minimieren. Mit robusten Mezzanine-Steckverbindern lassen sich diese Anforderungen erfüllen, ohne Einschränkungen bei der Mechanik, die bei Konstruktionen für die Industrie erforderlich ist. Mezzanine-Steckverbinderlösungen vereinen hervorragende elektrische Eigenschaften mit Robustheit und langer Lebensdauer – bei minimalen Abmessungen.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Elektromechanik II der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

* Michael Singer ist Vice President Marketing bei Erni Electronics in Adelberg.

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