Auswahl der richtigen Steckverbinder für die strengen elektrischen und mechanischen Mil/Aero-Anforderungen

Die Anforderungen an Steckverbinder und Verbindungen für militärische und luft- und raumfahrttechnische Anwendungen, einschließlich Avionik, unbemannte Luftfahrzeuge (Drohnen), Flugzeuge, Radar und Satelliten, sind weitaus strenger als die für Verbraucher-, medizinische und industrielle Anwendungen. Diese Mil/Aero-Steckverbinder sind einer Vielzahl von elektrischen, mechanischen und umweltbedingten Belastungen ausgesetzt, die herkömmliche Geräte beeinträchtigen oder sogar beschädigen würden, und müssen dennoch weiterhin ihre Leistungsspezifikationen erfüllen.

Eine hochzuverlässige Verbindung für militärische und luftfahrttechnische Anwendungen besteht nicht nur aus einem Kontakt oder einer Reihe von Kontakten, die in einem robusten Gehäuse untergebracht sind. Das Gehäuse, die Dichtungen, die Kontaktkräfte und die Kontaktmaterialien müssen als integriertes System funktionieren, um die Leistung unter den festgelegten Bedingungen zu gewährleisten.

Dieser Artikel befasst sich mit den Herausforderungen, denen sich Entwickler bei der Auswahl und Verwendung von Verbindungselementen für militärische und luftfahrttechnische Anwendungen gegenübersehen. Anschließend werden drei Beispiele von Molex vorgestellt und gezeigt, wie sie diese Herausforderungen angehen.

Anforderungen an robuste Steckverbinder

Ein robuster Steckverbinder ist ein Steckverbinder, der die Spezifikationen unter extremen mechanischen, umweltbedingten und thermischen Belastungen konstant erfüllt. Diese Stressfaktoren unterscheiden sich je nach Betriebsumgebung, überschneiden sich aber auch erheblich. Beispiel:

• Steckverbinder in landgestützten militärischen Systemen müssen starken Vibrationen, dicken Schmutzansammlungen (Staub, Sand, Splitt) sowie extremer Hitze und Kälte standhalten.
• Steckverbinder für den See- und Tiefseeverkehr müssen über einen längeren Zeitraum korrosivem Salzwasser und erdrückendem Druck standhalten.
• Steckverbinder für die Luft- und Raumfahrt müssen wiederholten Starts und Landungen, Vibrationen während des Fluges und großen Temperaturbereichen standhalten.
• Steckverbinder für den Weltraum sind extremeren Temperaturschwankungen, Vakuumexposition, Ausgasungen und intensiver mechanischer Belastung beim Start und Wiedereintritt ausgesetzt.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen mehrere grundlegende physikalische Faktoren beachtet werden, darunter:

• Vibration: Steckverbinder in Militärfahrzeugen oder Kampfflugzeugen werden auf ihre Belastbarkeit mit bis zu 20 g getestet.
• Schock: Diese hohe Stoßkraft bei schneller Beschleunigung oder Abbremsung unterscheidet sich von der Vibration. Sie kann bis zu 50 g bei Standard-Steckverbindern und 100 g bei Nano- und Mikrokonstruktionen betragen. Es gibt sogar eine Norm für Pyroschock-Ereignisse (hochgradige, hochfrequente, kurz andauernde Strukturvibrationen, die durch die Detonation von Sprengkörpern verursacht werden, wie z. B. die Abtrennung von Raketenstufen oder den Abwurf der Nutzlast bei Raketen).
• Extreme Temperaturen: Ein bodengestütztes System kann Temperaturen von -65 bis 125°C ausgesetzt sein, während Weltraumsysteme 200°C erreichen können. Durch thermische Wechselbeanspruchung dehnen sich Materialien aus und ziehen sich zusammen, wodurch sie geschwächt werden können und die Leitfähigkeit beeinträchtigt wird. Darüber hinaus können Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Materialien innerhalb eines Steckverbinders zu mechanischen Spannungen an den Materialgrenzflächen führen, was im Laufe der Zeit zu Ausrichtungsfehlern oder Ausfällen führen kann.
• Exposition gegenüber Verunreinigungen: Um einen zuverlässigen Langzeitbetrieb zu gewährleisten, müssen die Steckverbinder mit Dichtungslösungen wie O-Ringen, Dichtungen und Tüllen gegen Feuchtigkeit, Staub und andere Verunreinigungen geschützt werden.
• Korrosion: Dies ist ein ständiges Problem, das durch Faktoren wie Salznebel und Oxidation verursacht wird. Um zu verhindern, dass diese unvermeidlichen Phänomene die Integrität der Steckverbinder beeinträchtigen, müssen die Steckverbindermaterialien richtig ausgewählt und verwendet werden.

Was ist Zuverlässigkeit?

Einfach ausgedrückt bedeutet langfristige Zuverlässigkeit, dass die Leistung trotz wiederholter Nutzung, Umwelteinflüssen und mechanischer Belastung konstant bleibt. Diese Leistung wird nicht nur durch die erstmalige Verwendung des Steckverbinders bestimmt, sondern auch durch die Fähigkeit, wiederholten Steckzyklen standzuhalten und ordnungsgemäß zu funktionieren. Viele Steckverbinder, insbesondere Eingangs-/Ausgangssteckverbinder (I/O), werden Hunderten oder sogar Tausenden von Steckzyklen unterzogen.

Für ein erfolgreiches robustes Design gibt es zwei miteinander verknüpfte Aspekte: die Kontakte selbst und das Gehäuse, in dem sie untergebracht sind (Abbildung 1).

Abbildung 1: Kontaktmaterialien, Geometrie und Beschichtungen sind wesentliche Faktoren bei der Entwicklung robuster Steckverbinder. (Bildquelle: Molex)

Das Design der Kontaktfläche ist entscheidend dafür, dass die Steckverbinder eine geringe Steckkraft aufweisen und gleichzeitig zuverlässige Verbindungen bieten. Die Präzisionsbearbeitung der Kontaktgeometrien verringert die Abnutzung an der Verbindung, während die Goldbeschichtung (Au) der Kontaktoberfläche die Oxidation verhindert. Die Goldbeschichtung ist in der Regel 50 Mikrozoll (µin) dick und wird auf eine Nickelschicht (Ni) aufgetragen, die die Haftung der Beschichtung verbessert und die Korrosionsbeständigkeit weiter erhöht. 

Diese Beschichtungen werden auf das Grundmaterial des Kontakts aus einer Kupferlegierung (Cu) aufgebracht. Die Kombination aus Vergoldung und Nickelunterschicht ist für die langfristige Zuverlässigkeit in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich unerlässlich. Berylliumkupfer (BeCu) wird aufgrund seines hervorragenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und seiner außergewöhnlichen Ermüdungsbeständigkeit häufig als Grundmaterial verwendet. Es eignet sich besonders gut für Federkontakte, bei denen es auf Elastizität und langfristige Belastbarkeit ankommt.

Phosphorbronze (CuSnP) ist eine geeignete Alternative für nicht federnde Kontakte und bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit und Leitfähigkeit. Es ist korrosionsbeständig, hat mäßige Federeigenschaften und wird häufig für kompakte und feinteilige Steckverbinder verwendet, die eine gewisse Elastizität erfordern, aber nicht ständig gebogen werden.

Bei der Entwicklung von robusten Steckverbindern müssen mehrere Faktoren sorgfältig berücksichtigt werden (Abbildung 2):

• Für die Zuverlässigkeit ist es entscheidend, eine konstante Kraft aufrechtzuerhalten. Ein hochleistungsfähiges Federmaterial sorgt für Anpressdruck und Haltbarkeit.
• Eine stärkere Kontaktkraft reduziert Luftspalten, verringert den Widerstand und verbessert die Signalintegrität. Die optimierte Geometrie verteilt den Druck für eine stabile Leitfähigkeit.
• Der Kontaktbereich ist die axiale Überlappung zwischen Stift und Buchse, die für ein Gleichgewicht zwischen Kraftübertragung, Kontinuität und mechanischer Stabilität sorgt.

Abbildung 2: Die Aufrechterhaltung einer konstanten Kraft ist entscheidend für die Zuverlässigkeit (oben), während eine stärkere Kontaktkraft die Luftspalte reduziert (unten) und damit den Widerstand verringert und die Signalintegrität verbessert. (Bildquelle: Molex)

Auf mikroskopischer Ebene ist die Kontaktzone nicht nur ein Aufeinandertreffen zweier glatter, ebener Oberflächen. Stattdessen weist die Grenzfläche mikroskopische Rauheit, Spitzen und Unregelmäßigkeiten an den Stellen auf, an denen der ohmsche Kontakt hergestellt oder unterbrochen wird. Durch eine höhere Kraftanwendung werden diese Unebenheiten abgeflacht, wodurch die Leitfähigkeit verbessert, der Widerstand verringert und eine gleichmäßige Performance gewährleistet wird. Die erhöhte Kraft wirkt sich jedoch auch auf die Steck- und Ziehkräfte sowie auf den Verschleiß der Kontaktflächen aus.

Ein ausgereiftes Kontaktsystem sorgt für ein Gleichgewicht zwischen Kontaktbereichslänge und Normalkraft, um schwache Verbindungen, übermäßigen Verschleiß und mechanische Belastungen zu vermeiden. Wenn die Kontaktkraft zu gering ist, steigt der elektrische Widerstand, was zu einer Instabilität des Signals führt. Umgekehrt beschleunigt eine zu hohe Kraft den Verschleiß der Beschichtung und führt zu einer vorzeitigen Ermüdung der Kontaktstruktur.

Im Gegensatz zu handelsüblichen Steckverbindern mit einem oder möglicherweise zwei Kontaktpunkten verfügen robuste Steckverbinder über Mehrpunktkontaktsysteme, um mechanische Belastungen durch Vibrationen oder Stöße zu verteilen (Abbildung 3). Diese Kontaktsysteme verhindern Lichtbögen oder Signalverluste, die durch Mikrobewegungen verursacht werden, und bieten redundante Kontaktwege für kritische Systeme.

Abbildung 3: Mehrpunktkontaktdesigns verbessern die Stabilität und Signalintegrität. (Bildquelle: Molex)

Das Kontaktsystem kann auch Federelemente enthalten, um eine gleichmäßige Kontaktkraft über die Zeit aufrechtzuerhalten. Diese federbelasteten Kontakte gleichen geringfügige Abweichungen in der Kontaktausrichtung aus und gewährleisten eine zuverlässige Leitfähigkeit über wiederholte Steckzyklen hinweg. Ein zu hoher Kraftaufwand kann jedoch zu einer übermäßigen Abnutzung der Kontaktbeschichtung führen.

Jenseits der Kontakte: Steckverbindergehäuse und Kapselung

Die robuste Performance von Steckverbindern beginnt bei den Kontakten, doch die Steckergehäuse bieten nicht nur Schutz für die internen elektrischen Kontakte, sondern schützen sie auch vor mechanischer Beanspruchung, extremen Temperaturen, korrosiven Elementen und eindringender Feuchtigkeit, wobei ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Haltbarkeit und Gewicht gewahrt bleibt. Entwickler können zwischen verschiedenen Gehäusematerialien wählen:

• Thermoplastische Polymere wie Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS) und Polyetherimid (PEI) bieten eine hervorragende mechanische Festigkeit, Wärmebeständigkeit und chemische Stabilität. Diese Materialien absorbieren effektiv Vibrationen und Stöße in leichten Strukturen.
• Verbundwerkstoffe wie glasfaserverstärkte Polymere und Kohlefaserverbundwerkstoffe bieten ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Sie können so gestaltet werden, dass bestimmte Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Schlagfestigkeit oder thermische Stabilität optimiert werden.
• Edelstahl und Aluminiumlegierungen sind die bevorzugten Werkstoffe für Steckverbindergehäuse, da sie in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich starken Stößen, Vibrationen und elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind.

Steckverbindergehäuse aus Edelstahl bieten eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit und mechanische Festigkeit und eignen sich daher gut für Anwendungen in der Schifffahrt, Industrie und Luft- und Raumfahrt, die Feuchtigkeit, Chemikalien oder Salznebel ausgesetzt sind. Aluminiumlegierungen bieten ein gutes Gleichgewicht zwischen starker EMI-Abschirmung, geringem Gewicht und einfacher Bearbeitung, was sie zum bevorzugten Material für Steckergehäuse in Militärfahrzeugen, Luft- und Raumfahrtanwendungen macht, bei denen eine Gewichtsreduzierung wichtig ist.

Bei einigen robusten Steckverbindern kommen flache Verriegelungssysteme zum Einsatz, die für Stabilität und sichere Steckverbindungen sorgen und gleichzeitig die Gesamtgröße reduzieren. Federbelastete Verschlüsse oder Push-to-Lock-Mechanismen beispielsweise machen Steckverbinder sowohl mechanisch zuverlässig als auch unter Gefechtsbedingungen leicht zu bedienen.

Der Weltraum: eine weitere Grenze

Steckverbinder, die in Satelliten, Weltraumsonden und Luft- und Raumfahrtsystemen in großer Höhe eingesetzt werden, sind ständig ionisierender Strahlung ausgesetzt, die Materialien zersetzen, die elektrische Leistung beeinträchtigen und die strukturelle Integrität schwächen kann. Diese Steckverbinder müssen so konstruiert sein, dass sie strahleninduzierter Versprödung, Leitfähigkeitsverlust und atomarer Sauerstofferosion widerstehen und gleichzeitig in Vakuumumgebungen zuverlässig funktionieren.

Für diese Anwendungen bieten strahlengehärtete (rad-hard) Thermoplaste wie PEEK und PPS eine hervorragende Strahlungsbeständigkeit bei gleichzeitig geringer Ausgasung. Die Metallabschirmung aus einer für die Luft- und Raumfahrt geeigneten Aluminiumlegierung mit chemisch vernickelter Oberfläche bietet strukturelle Haltbarkeit und schützt gleichzeitig vor Strahlung und atomarem Sauerstoff. Schließlich bildet die Goldbeschichtung eine Schutzbarriere gegen Strahlungsschäden, die die elektrische Integrität und die Kontaktzuverlässigkeit bei längeren Weltraummissionen bewahrt.

Steckverbinderfamilien veranschaulichen eine Vielzahl von Lösungen

Es gibt keinen einzigen robusten Steckertyp, der für alle Anforderungen geeignet ist, daher bieten Unternehmen wie Molex eine Vielzahl von Optionen an. Ein Blick auf D-Subminiatur- (D-Sub), HF-Anschluss- und HF-Plattensteckverbinder hebt neben anderen Merkmalen die Fähigkeiten im Vergleich zu Anwendungen, Nennwerten sowie Verriegelungs- und Rückhaltemechanismen hervor.

Der D-Sub-Stecker hat sich seit langem etabliert und wird aufgrund seiner vielfältigen Kontaktkonfigurationen (9, 15, 25, 37 und 50), seiner Eignung für die Signalübertragung, seiner mechanischen Verriegelung sowie verschiedener Steck- und Halteoptionen nach wie vor häufig verwendet. Ein Beispiel ist der 0732841811 von Molex (Abbildung 4), ein EMI-gefilterter Adapter von 9-poliger Buchse zu 9-poligem Stecker in einer „frei hängenden“ Anordnung. Unter anderem kann man damit von einem Stecker auf eine Buchse oder umgekehrt wechseln.

Abbildung 4: Bei dem 0732841811 handelt es sich um einen 9-poligen D-Sub-Stecker/Buchse-Adapter. (Bildquelle: Molex)

Seine Pins haben einen niedrigen Kontaktwiderstand von 10 Milliohm (mΩ), während die integrierten 1000 Picofarad (pF) Kondensatoren eine Grenzfrequenz von 3 Dezibel (dB) bei 3,2 Megahertz (MHz) für die Filterung von EMI und Hochfrequenzstörungen (RFI) bieten. Die Gehäuseschale ist etwa 0,304 Zoll breit × 0,64 Zoll lang (7,72 × 16,26 mm) und besteht aus ni-plattiertem Zink, während der Körperisolator aus glasgefülltem Polyester besteht.

Der 0732870620 (Abbildung 5) ist ein 26,5 Gigahertz (GHz), 50 Ω Koaxialstecker, der für den Abschluss eines ungenutzten HF-Anschlusses verwendet wird. Dadurch wird verhindert, dass die Signalenergie über das Kabel zurückreflektiert wird, was zu Signalverzerrungen, Störungen und sogar zur Beschädigung empfindlicher elektronischer Komponenten führen kann.

Abbildung 5: Der 0732870620 ist ein 26,5-GHz-SMA-Abschluss mit 50 Ω, der einen ungenutzten HF-Anschluss abschließt, um Signalreflexionen zu verhindern. (Bildquelle: Molex)

Der 0732870620 weist ein nahezu einheitliches Stehwellenverhältnis (VSWR) von 1,05:1 bei Gleichstrom auf, das bei maximaler Frequenz auf nur 1,35:1 ansteigt. Das Gehäuse besteht aus passiviertem Edelstahl, während der Leiter aus Au-beschichtetem BeCu besteht. Die Komponente ist für eine Leistung von 1 Watt (kontinuierlich) bei 25 °C ausgelegt, mit einer maximalen Leistung von 1 Kilowatt (kW) bei einem Impuls von 5 Mikrosekunden (µs) und einem Tastverhältnis von 0,05%.

HF-Filterplattenverbindungen sind weniger bekannt als Standardsteckverbinder, erfüllen aber eine wichtige Funktion. Dabei handelt es sich um spezialisierte Komponenten mit hoher Packungsdichte, die zur Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen auf der Schottwand- oder Modulebene entwickelt wurden. Im Gegensatz zu Signaldurchführungen blockieren oder dämpfen Filterplatten EMI innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs, wodurch die Signalintegrität erhalten bleibt und Rauschen reduziert wird, während gleichzeitig Übersprechen und Verzerrungen bei Hochfrequenzanwendungen verhindert werden.

Eine Platte wie die 0732860030 (Abbildung 6, links) verfügt über mehrere gefilterte Signalleitungen, um den Installationsaufwand zu verringern und Platz auf den Leiterplatten zu sparen. Sie verfügt über zwei Reihen von jeweils sechs geraden Stiften innerhalb seiner 1,06 Zoll (26,92 mm) langen Platte und verwendet einen 100pF-Durchlasskondensator (C-Filter) mit einer maximalen Grenzfrequenz von 3 dB bei 50,3 MHz. Die Einfügedämpfung beträgt 0 dB bei etwa 50 MHz und steigt auf 50 dB (typisch) bei 10 GHz (Abbildung 6, rechts).

Abbildung 6: Die Filterplatte 0732860030 (links) verfügt über zwei Reihen mit sechs Stiften, verwendet einen C-Filter mit 100 pF und einer Grenzfrequenz von 50,3 MHz (3 dB) und hat eine Einfügedämpfung von 0 dB bei etwa 50 MHz, die bei 10 GHz auf 50 dB (typisch) ansteigt (rechts, Linie B). (Bildquelle: Molex)

Die Grundplatte aus Messing ist verzinnt, während die Au-beschichteten Stifte 100-Volt-Signale bei 3 Ampere (A) übertragen können.

Die Anforderungen an Steckverbinder und Verbindungen in robusten Anwendungen sowie deren Materialien werden durch Normen verschiedener Organisationen definiert. Viele davon sind in den unten aufgelisteten einschlägigen Normen aufgeführt.

Fazit

Die Anforderungen an robuste Steckverbinder und Verbindungen, die im Militär, in der Luft- und Raumfahrt, im nahen und tiefen Weltraum und in anderen rauen Umgebungen eingesetzt werden, sind streng. Sie erfordern ein Verständnis und eine sorgfältige Abwägung der Kompromisse, die bei den Materialien, der Konstruktion und der Herstellung von Kontakten und Gehäusen eingegangen werden müssen, um geeignete Steckverbinder für diese Bedingungen herzustellen. Molex bietet robuste Lösungen mit einer Vielzahl von Optionen an, so dass Entwickler eine optimierte Lösung wählen und kritische Leistungsziele erfüllen können.

Einschlägige Normen

• MIL-STD-202 - Prüfmethodenstandard, elektronische und elektrische Bauteile
• MIL-STD-810 - Umwelttechnische Überlegungen zur Entwicklung und Labortests
• MIL-STD-1344 - Prüfverfahren für elektrische Steckverbinder
• EIA 364-27 - Mechanische Schockprüfung von elektrischen Steckern und Buchsen
• MIL-DTL-83513 - Allgemeine Spezifikation für Steckverbinder, elektrisch, rechteckig, Mikrominiatur, polarisiertes Gehäuse
• MIL-STD-348 - Schnittstellenstandard des Verteidigungsministeriums: Hochfrequenz-Steckverbinder für militärische Anwendungen
• NASA ASTM-E595 - Standard-Ausgasungstest
• NASA-STD-6012 - Korrosionsschutz für Raumfahrthardware
• NASA-STD-5019 - Anforderungen an die Bruchkontrolle von Raumfahrthardware
• NASA-STD-7003 - Kriterien für den Pyroschocktest
• IP67 - Abdichtung gegen eindringende Medien
• UL94V-0 - Norm für die Sicherheit bezüglich Entflammbarkeit von Kunststoffmaterialien für Teile in Geräten und Apparaten

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