Verwenden Sie direkt einsteckbare Schneidklemmverbinder zur Beschleunigung der Montage und zur Reduzierung der Stückliste

Ingenieure entscheiden sich häufig für Schneidklemmverbinder (IDCs) und die zugehörigen Flachbandkabel für Verbindungen mit mehreren Positionen aufgrund ihrer hohen Kontaktdichte, der einstufigen Massenanschlusstechnik und der fehlenden Notwendigkeit des Abisolierens von Drähten. Anwender von IDCs gehen normalerweise davon aus, dass sie aus einer zweiteiligen Steckverbinderanordnung mit passenden Stift- und Buchsenhälften bestehen. Diese IDCs sind in einer Vielzahl von Ausführungen erhältlich (z.B. zur Platinenmontage oder frei hängend), werden mit nur acht und bis zu 50 Positionen (typischerweise) angeboten und werden mit mehradrigen Flachbandkabeln verwendet.

Obwohl IDCs viele Vorteile bieten, sind Konstrukteure immer bestrebt, die direkten Teilekosten zu reduzieren, die Stückliste (BOM) zu kürzen, den Einkauf und die Beschaffung zu vereinfachen und den Montageprozess in einer Produktionsumgebung zu rationalisieren. Alle diese Ziele können in einem Schritt erreicht werden, indem ein einziger IDC-Steckverbinder zum Abschluss des Flachkabels verwendet wird, während gleichzeitig die Notwendigkeit eines komplementären Gegensteckers entfällt.

Diese Innovation, die dem "konventionellen Denken" über IDC-Steckverbinder widerspricht, kommt im Flachkabel-IDC-Steckverbinder WR-WST REDFIT IDC SKEDD von Würth Elektronik zum Einsatz. Es nutzt die Leiterplatte als Gegenkontakt, wodurch die Kosten gesenkt, der Montageaufwand vereinfacht und eine Position aus der Stückliste entfernt wird - alles ohne Leistungseinbußen. In diesem Artikel werden die Treiber hinter solchen IDC-Steckverbinder-Innovationen vor der Einführung des WR-WST-Steckverbinders und die Vorteile, die sich daraus ergeben, erörtert.

Was sind IDCs und warum werden sie benötigt?

IDCs lösen mehrere Probleme, indem sie einen schnellen und einfachen Abschluss einer Reihe von Signal- und Leistungsdrähten sowie ein schnelles und einfaches Herstellen und Unterbrechen des Verbindungspfades ermöglichen (Abbildung 1). IDC-basierte Kabelbaugruppen sind in vielen Anwendungen weit verbreitet, z.B. zwischen benachbarten Leiterplatten oder zwischen einer Prozessleiterplatte und einer relativ weit entfernten Benutzeranzeige/Tastaturbaugruppe. In einigen Designs wird das Flachkabel sogar als flexibler "Bus" verwendet, der nicht nur Kabelendverbindungen, sondern auch Steckverbinder entlang des flexiblen Kabels unterstützt, so dass andere Leiterplatten an einen gemeinsamen Pfad angeschlossen werden können.

Abbildung 1: IDC-Kabelbaugruppen verwenden massekonfektionierte Crimp-Stecker und -Buchsen zusammen mit mehrdrahtigem Flachbandkabel wie diese 16-adrige Baugruppe; das Flachbandkabel kann im Gegensatz zu diesem Regenbogenbeispiel auch einfarbig sein. (Bildquelle: eBay)

Die IDC-Technologie wurde vor über 50 Jahren entwickelt. Seit seiner Verabschiedung hat es eine weite Verbreitung, eine Zunahme der Vielfalt der verfügbaren Versionen, eine höhere Kontaktdichte, mehr Kontakte pro Steckverbinder und andere Verbesserungen erfahren. Wie der Name schon sagt, basiert die IDC-Technologie auf dem Prinzip, einen Teil der Isolierung um die Kabeladern (Drähte) zu verdrängen oder zur Seite zu schieben und eine direkte elektrische Verbindung zum Kupfer herzustellen (Abbildung 2). Es ist nicht notwendig, die Isolierung des Drahtes abzuisolieren, da die scharfen Metallkanten der Kontakte die Isolierung durchstoßen, um eine gasdichte Verbindung herzustellen.

Abbildung 2 (oben)

Abbildung 2 (unten)

Abbildung 2: Bei einem IDC-Steckverbinder wird die Oberseite des Steckverbinders nach unten gedrückt, um die Kontakte gleichzeitig zu crimpen und die Isolierung aller Drähte im Kabel zu durchstoßen (oben). Bei der Betrachtung der Baugruppe mit abgenommenem Steckverbinder oben (unten) sind die Kontakte zu sehen, die durch die Drahtisolierung ragen. (Bildquelle: Jaycar Electronics Referenzdatenblatt)

Die Entwicklung von Isoliermaterial, das sich sauber, aber nicht über die Durchdringungszone hinaus spaltet, war einer der vielen Fortschritte, die den massenhaften Einsatz von IDCs praktikabel machten. Da der Draht einer von vielen in einer Flachbandanordnung ist, können viele solcher Abschlüsse gleichzeitig hergestellt werden, weshalb IDC-Kabel manchmal als "Massenabschlussverbinder" bezeichnet werden. Die ersten IDCs beschränkten sich auf Massivdraht für zuverlässige Verbindungen, aber der technische Fortschritt erweiterte die IDCs bald auch auf Litzendraht.

Es gibt viele verfügbare Standardversionen sowohl der männlichen als auch der weiblichen Verpaarung. Dazu gehören sowohl Steckverbinder, die auf eine Leiterplatte gelötet werden, als auch frei hängende Steckverbinder, die das Ende eines Kabels abschließen. Auf diese Weise kann eine IDC-Kabelbaugruppe an einen auf einer Leiterplatte montierten Steckverbinder oder an ein anderes IDC-Kabel angeschlossen werden.

Der Würth 61201023021 ist beispielsweise ein zweireihiger, 10poliger, 2,54 mm (mm) großer, rechteckiger IDC-Steckverbinder (Buchse), der auf das Kabel gecrimpt wird (Abbildung 3). Wenn das Kabel stattdessen einen Stiftleistenstecker benötigt, ist der ergänzende IDC-Stiftleistenstecker Würth 61201025821 erhältlich (Abbildung 4). Sowohl für männliche als auch für weibliche Steckverbinder gibt es entsprechende Steckverbinder, die auf Leiterplatten montiert werden können, um einen Kabel-zu-Leiterplatte-Pfad zu vervollständigen. Beachten Sie, dass es sich zwar um 10polige Steckverbinder handelt, die Würth WR-BHD Box-Header- und IDC-Steckverbinder-Familie jedoch auf 60polige Steckverbinder ausgeweitet ist.

Abbildung 3: Der IDC 61201023021 von Würth Elektronik ist ein zweireihiger, 10poliger Rechtecksteckverbinder (Buchse) im Raster 2,54 mm. Es ist zum Crimpen auf ein frei hängendes Flachbandkabel vorgesehen. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Abbildung 4: Der Würth 61201025821 IDC-Stiftleistenstecker mit Stiftleisten ist die Ergänzung zum Würth 61201023021 IDC. (Bildquelle: Würth Elektronik)

IDCs und ihre Flachbandkabel sind in einer Vielzahl von Positionen und Optionen erhältlich. Dazu gehören der Stiftabstand (Pitch) von 0,050 Zoll (1,27 mm) oder 0,10 Zoll (2,54 mm) sowie die Anzahl der Stifte. Die maximale Strombelastbarkeit beträgt in der Regel 1 Ampere (A) bis 3 A bei verfügbaren Drahtstärken von dünnen 30 AWG bis zu schwereren 22 AWG. Es sind auch IDCs für DB-xx-Verbindungen für die einst weit verbreiteten Größen DB-25, DB-15 und DB-9 (gemeinsam mit RS-232-Schnittstellen) erhältlich.

Einige Industriesegmente haben spezifische IDC-Typen eingeführt, so dass angeschlossene Geräte verschiedener Hersteller ausgetauscht werden können. Im Bereich der Personal Computer sind beispielsweise die folgenden Standards üblich:

• 3,5-Zoll-IDE-Desktop-Computer-Festplattenlaufwerke: 2,54 mm Abstand, 40 Pins, 2 × 20 (2 Reihen mit 20 Pins)
• 2,5-Zoll-IDE-Festplattenlaufwerke für Notebook-Computer: 2,00-mm-Raster, 44 Stifte, 2 × 22
• SCSI 8-Bit: 2,54 mm Abstand, 50 Pins, 2 × 25
• SCSI 16-Bit: 1,27 mm Abstand, 68 Pins, 2 × 34

Bei allen oben genannten Steckverbindern bringt der Computerhersteller in der Regel eine IDC-Buchse an einem Ende eines Flachbandkabels mit einer passenden Stift- oder Buchsenleiste auf der Hauptplatine des Computers an. Es gibt auch Einzelkontaktanordnungen, die mit einzelnen Drähten in "Punch-Down"-Blöcken von Telefonverkabelungen verwendet werden. Ein Techniker kann die Verbindung vor Ort mit einem Spezialwerkzeug herstellen, indem er einen isolierten Draht zwischen die scharfen Gabelanschlüsse einer einzigen gewünschten Kontaktstelle schiebt.

Zu einer einteiligen IDC-Paarung gehen

Es mag offensichtlich und sogar unvermeidlich erscheinen, dass eine IDC-Kabelbaugruppe mit mehreren Kontakten einen Gegenstecker benötigt, und das ist schon lange der Fall. Es gibt jedoch einen neueren Ansatz, bei dem die weibliche (Buchsen-) Steckhälfte eliminiert und stattdessen die Leiterplatte als Gegenstecker verwendet wird (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die REDFIT IDC SKEDD Steckverbinder-Flachkabel-IDC-Familie von Würth Elektronik wird direkt in richtig dimensionierte und plattierte Vias in der Leiterplatte gesteckt, so dass ein passender weiblicher IDC nicht mehr erforderlich ist. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Das ist das Prinzip der REDFIT IDC SKEDD Steckverbinder-Flachkabel-IDC-Familie von Würth Elektronik. Dieser Steckverbinder wird wie bei jedem IDC-Kabel an das Flachbandkabel angeschlossen, aber dann direkt in richtig dimensionierte und plattierte Löcher oder Durchkontaktierungen (abgeleitet von der Abkürzung für "vertical interconnect access") in der Leiterplatte gesteckt. Das Ergebnis ist eine zuverlässige Verbindung zu geringeren Kosten mit weniger Kontaktpunkten und weniger Montageschritten.

Es handelt sich um einen lötfreien, von Hand steckbaren, reversiblen Steckverbinder, d.h. er kann ohne Spezialwerkzeug ausgesteckt werden, im Gegensatz zu einigen Press- oder Snap-In-Steckverbindern, die sich nicht ohne Spezialwerkzeug oder Verformungen durch den Anwender trennen lassen (Abbildung 6). Er basiert auf einem Raster von 1,27 mm - oft als "halbes Raster" bezeichnet - und ist mit vier bis 20 (geraden Zahlen) Kontakten pro Steckverbinder erhältlich; die 10-polige Version Würth 490107671012 weist die repräsentativen Spezifikationen auf.

Abbildung 6: Der REDFIT IDC SKEDD-Steckverbinder ist ein lötfreier, von Hand steckbarer, reversibler IDC, d.h. er kann ohne Spezialwerkzeug gesteckt und gezogen werden. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Der REDFIT IDC SKEDD-Steckverbinder zielt auf Anwendungen wie Unterhaltungselektronik, Solaranlagen, Industrieelektronik und Maschinenbau-Projekte mit Verkabelungsbedarf ab. Der Hersteller garantiert die Leistung für mindestens 10 Steckzyklen im Feld und 25 auf dem Prototypentisch, wo die Umgebungsbedingungen günstiger sind.

Diese Bewertung passt gut zu den vielen Produkten, die nicht zerlegt werden, außer vielleicht für eine einmalige Reparatur oder ein Upgrade. Der Kontaktwiderstand des Gesamtsystems ist mit 10 Milliohm (mΩ) bei einer maximalen Stromkapazität und Nennspannung von 1 A bzw. 100 Volt angegeben. Die 28 AWG (1,27 mm) Kabel können je nach Bedarf extern oder im Werk hergestellt werden.

Die Materialwissenschaft macht es möglich

Um erste und mehrfache Steckzyklen zu realisieren, müssen sich die Kontakt-"Partner" des REDFIT IDC SKEDD so aufeinander abstimmen, dass keine plastische Verformung des Metalls auftritt, wie es bei einigen Kontaktdesigns der Fall ist. Im Gegensatz dazu besteht der SKEDD-Kontakt aus zwei Armen, die an ihrem Scheitelpunkt miteinander verbunden sind; und die flexiblen gabelartigen Arme bleiben auch beim Einführen und Herstellen von Verbindungen im elastischen Zustand und gewährleisten eine reversible Verbindung (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die beiden Arme des SKEDD-Kontakts bleiben während und nach dem Einsetzen im elastischen Zustand - ein Schlüsselfaktor für ihre Fähigkeit, die Kontaktkraft aufrechtzuerhalten und auch entfernt und wieder eingesetzt zu werden. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Am Ende des Einfügevorgangs erreicht die Federsteifigkeit des flexiblen SKEDD-Kontaktes ihren höchsten Wert. In diesem Zustand ist die Normalkraft des Kontakts hoch genug, um sicherzustellen, dass keine Signalunterbrechung von mehr als 1 Mikrosekunde (µs) durch mechanische Beanspruchung auftritt.

Es mag den Anschein haben, dass die SKEDD-Kontakte und -Technologie nur eine ausgeklügelte Erweiterung der seit langem verwendeten Einpresstechnik sind, aber das ist keineswegs der Fall. Bei der Einpresstechnik wird ein massiver Stift in die durchkontaktierte Bohrung gepresst. Die hohe Reibungskraft zwischen Stift und Bohrung erzeugt eine homogene Kaltverschweißung zwischen den Oberflächen und gewährleistet so die elektrische und mechanische Integrität. Allerdings verformt sich bei diesem Einpressvorgang auch das durchkontaktierte Loch, und das Entfernen des massiven Stiftes bricht diese Verbindung ab.

Bei Verwendung der Einpresstechnik mit flexiblen statt massiven Stiften bleibt das plattierte Durchgangsloch intakt, aber das Stiftmaterial selbst wird verformt. Obwohl es möglich ist, den flexiblen Stift zu entfernen, da die mechanische Verbindung nicht so stark ist wie bei einem massiven Stift, ist der Stift selbst beschädigt und kann nicht ein zweites Mal verwendet werden.

Im Gegensatz dazu stellt die elastische Verbindung und das Fehlen einer plastischen Verformung sowohl des Kontakts als auch des durchkontaktierten Vias des SKEDD-Ansatzes sicher, dass das Paar ohne Beeinträchtigung wieder verbunden werden kann, während der Vierwegkontakt die Zuverlässigkeit erhöht (Abbildung 8).

Abbildung 8: Im Gegensatz zur Einpresstechnik mit festen oder flexiblen Stiften, die das Via bzw. den Stift beim Einsetzen verformen, verformt sich der SKEDD-Kontakt weder selbst noch das Via; dies ist entscheidend, um ein praktikables Wiedereinsetzen des Steckverbinders und seiner Kontakte zu gewährleisten. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Vorteile und Möglichkeiten der Vernetzung

In einer typischen Anwendung eines herkömmlichen IDC-Kabels wird ein Kabel mit Steckverbindern an beiden Enden mit entsprechenden, auf der Leiterplatte montierten Steckverbindern zusammengefügt, um benachbarte Leiterplatten zu verbinden. Durch die Verwendung des REDFIT IDC SKEDD-Steckverbinders erhalten Designer mehrere Vorteile:

• Der Steckverbinder für die Gegenplatine wird überflüssig; das sind zwei Teile, die eingespart werden, wenn der REDFIT IDC SKEDD-Steckverbinder an beiden Enden verwendet wird.
• Da der REDFIT IDC SKEDD-Steckverbinder in die Ober- oder Unterseite einer Leiterplatte eingesteckt werden kann, gibt es mehr Flexibilität bei der Führung des Flachbandkabels und den relativen Abständen und der Ausrichtung der Leiterplatte, und er ermöglicht direkte, kürzere Verbindungen (Abbildung 9).
• Schließlich gibt es eine kleine Gewichts- und Materialeinsparung. Dies mag bei einigen Entwürfen nicht der Fall sein, aber bei vielen ist es ein bedeutender Faktor.

Abbildung 9: Da der REDFIT IDC SKEDD-Steckverbinder auf beiden Seiten der Leiterplatte eingesteckt werden kann, bietet er mehr Möglichkeiten bei der Kabelführung und der Platzierung der angeschlossenen Leiterplatten. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Das Kunststoffgehäuse des REDFIT IDC SKEDD-Steckverbinders ist ein wichtiger Teil der Leistung des Steckverbinders. Das Gehäuse hat zwei Führungsstifte mit leicht unterschiedlichen Durchmessern an den gegenüberliegenden Ecken, um die korrekte Steckrichtung zu gewährleisten und Verpolungsfehler bei der Montage zu vermeiden (Abbildung 10). Das Gehäusematerial ist ein Kunststoff, der gegen hohe Temperaturen beständig ist (Bewertung -25⁰C bis +105⁰C), die Entflammbarkeitsnorm UL94 V-0 erfüllt, eine überlegene chemische Beständigkeit aufweist und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, um Ausfälle aufgrund von Temperaturwechseln zu minimieren.

Abbildung 10: Die Führungsstifte mit leicht unterschiedlichen Durchmessern an gegenüberliegenden Ecken des Steckergehäuses verhindern das Einführen des Steckers in umgekehrter Position. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Um intermittierende Kontakte aufgrund von Vibrationen zu verhindern, gibt es zusätzlich zu den vier Kontaktpunkten an jedem Stift zwei kleine Reibungssperren an jeder Kunststoffplattenführung, die als passives Sperrsystem fungieren. Das Ergebnis ist ein werkzeugloser Abschluss, der sich beim Einsetzen selbst verriegelt und eine funktionsfähige Verbindung aufrechterhält, bis er von Hand getrennt wird.

Die Spezifikationen für die Leiterplattenherstellung sind vollständig definiert und leicht zu erfüllen.

Die korrekte Herstellung der Leiterplatten-Durchkontaktierungen ist für den erfolgreichen und effektiven Einsatz des REDFIT IDC SKEDD-Steckverbinders erforderlich. Dies ist jedoch kein Problem, da die kritischen Anforderungen den heutigen Standard-Leiterplatten-Spezifikationen entsprechen. Die Via-Fertigung erfordert keine besonderen Schritte oder zusätzliche Toleranzgenauigkeit der Leiterplatte über das normalerweise erforderliche Maß hinaus.

Die Maßzeichnung zeigt das Leiterplattenlayout für die gesamte Steckverbinder- und Bohrungsbemaßung sowie die zugehörigen Toleranzen für die fertigen Durchkontaktierungen in einer Fertigungsplatine (Abbildung 11). Beachten Sie, dass für Prototypentests und Debugging, bei denen häufig mehr Einfüge-/Entnahmezyklen erforderlich sind, ein Bohrmuster mit größerer Toleranz angeboten wird.

Abbildung 11: Die spezifizierten Abmessungen und Toleranzen für das Leiterplatten-Layout und die Dimensionierung zur Aufnahme des REDFIT IDC SKEDD-Steckverbinders sowie die Toleranzen entsprechen den modernen Leiterplattenherstellungsstandards (links); das modifizierte Bohrmuster für Debugging-Anwendungen weist etwas lockerere Toleranzen auf und ermöglicht mehr Einsetz-/Entnahmezyklen (rechts). (Bildquelle: Würth Elektronik)

Fazit

Die zweiteilige IDC-Kabelbaugruppe und das IDC-System werden seit vielen Jahren eingesetzt und haben sich als wertvoller, weit verbreiteter Ansatz für die Mehrdrahtverbindung erwiesen. Mit der einteiligen REDFIT IDC SKEDD Steckverbinder-Flachkabel-IDC-Familie von Würth Elektronik steht nun eine Alternative zur Verfügung, die die passende IDC-Buchse überflüssig macht. Stattdessen wird der von Hand einsteckbare/abnehmbare Stecker direkt in die Leiterplatte gesteckt. Dadurch werden die Kosten reduziert, die Stückliste getrimmt, eine weitere Quelle möglicher intermittierender Kontaktfehler eliminiert und zusätzliche Optionen für die Kabelführung und Platinenanordnung angeboten.

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Referenzen

1. "Jaycar Electronics Referenzdatenblatt" (Internet-Archiv Wayback-Maschine)
2. "Insulation-displacement connector" (Wikipedia)