Die neue Kontaktierungstechnik für Stapelverbindungen Die neuen Embedded Computer Modul-Familie EXM32 der Fa. MSC besteht aus einer Familie kleiner und robuster Rechnermodule, die sich sowohl im Automotive Einsatz als auch im rauen industriellen Umfeld und im Outdoor Bereich bewähren. Durch den Einsatz von Prozessoren mit geringster Verlustleistung werden keine aktive Kühlung und keine Kühlkörper benötigt. Die resultierende geringe Bauhöhe ermöglicht es, diese Module zu stapeln und so sehr kompakte Embedded Rechner Systeme zu bauen.

EXM32 - Stapel

• zum Anschluss der Module an die breiten CPU Busse und zur Weiterleitung der umfangreichen I/O Signale der Embedded Prozessoren wird eine Polzahl von >200 Kontakten pro Stecker benötigt
• über die Steckverbindung sind sowohl Signale als auch Stromversorgung mit einigen Ampère zu übertragen
• das geplante Einsatzgebiet verlangt absolute Unempfindlichkeit gegenüber Schock & Vibration, die Module müssen für Karosserieanbau nach DIN EN 60068 geeignet sein
• die Steckverbindung muss auch die Stapelbarkeit der Module unterstützen

Die schier unübersehbare Menge der auf dem Markt angebotenen Steckverbindungen reduzierte sich bei diesen Vorgaben rasch auf einige wenige, leider sehr kostspielige Alternativen.

Das veranlasste die Entwickler von MSC auf eine Eigenentwicklung auf Basis von Elastomerkontakten zu setzen - eine Technologie mit der sie bereits bei früheren Projekten sehr gute Erfahrungen gemacht hatten. Dieses Wissen floss nun in Entwicklung der EXM32 Connectoren ein.

Der EXM32 Connector ist ein so genanntes "One-Piece" Verbindungselement. Im Gegensatz zu herkömmlichen Steckverbindungen, die immer aus einem Paar von Buchse und Stecker bestehen, wird beim EXM32 Connector nur ein Teil benötigt, das zwischen den zu verbindenden Modulen positioniert wird. Dabei wird die Verbindung nach dem Prinzip der redundanten Kontakte hergestellt:

EXM32 Connector

Funktionsprinzip der redundanten Kontakte "redundante Kontakte"

Im Prinzip entsteht ein "Kontakt-Pin" dadurch, dass Kontaktflächen (PADs) von zwei gegenüberliegenden Modulen genau zueinander positioniert werden und durch das Kontaktelement, in dem eine Reihe mit einer Vielzahl von Drähten, die voneinander isoliert in Silikon eingebettet sind, miteinander verbunden werden, siehe Bild: Drähte, die zwischen den PADs zu liegen kommen, bilden die Unterbrechungen zwischen den "Kontakt-Pins". Die Positionierung der Leiterplatten zueinander und die des EXM32 Connectors erfolgt durch Zentrierstifte, die in dem EXM32 Steckerkörper integriert sind und in Bohrungen auf den Modulen eingreifen.

PAD Layout

Stecker werden meist in Dimensionen von Pins charakterisiert. Dies ist bei der Kontaktierung von 2 Leiterplatten mit Hilfe von redundanten Kontakten nur indirekt möglich. Die Abmessungen der PADs , deren Abstand und die Länge der Kontaktelemente ergeben dann den "Pin Count" des Steckers. Die Entwickler haben in vielen Versuchen die Dimensionen optimiert, und den besten Kompromiss zwischen Pincount und Funktionssicherheit gefunden: bei einem PAD Raster von 0,8 mm und vier 2-reihigen Kontaktelementen in einem Holder stehen beim EXM32 Connector nun bis zu 208 Kontakte zur Verfügung.

Generell kann das PAD Layout den Anforderungen angepasst werden. Wenn man z.B. Strom zu übertragen hat, verlängert man einfach die PADs wobei man auch Zwischenräume zwischen den Signal-PADs mitbenutzt. Auf der Fläche von 6 Signalen lassen sich so 1,25 A, auf einer Fläche von 12 Signalen sogar 4,4A übertragen.

"Pads"

Schock & Vibration, "Zero Insertion Force"

Die Kontaktierung der PADs über die Kontaktelemente kommt dadurch zustande, dass die PCBs miteinender verschraubt werden. Dabei werden die elastischen Kontaktelemente auf die PADS gepresst und die vergoldeten Drähte in den Kontaktelementen stellen die Verbindung her.

Die Verschraubung der PCBs hat ganz "nebenbei" den Effekt, dass die Verbindung absolut resistent gegenüber Schock und Vibration ist (LGA tested).

Beim Lösen der Schraubverbindung können die PCBs nahezu mit "Zero Insertion Force" entnommen b.z.w. wieder eingesteckt werden.

Temperaturbereich und Entflammbarkeit

Durch die Auswahl geeigneter Materialien, der Steckerkörper besteht aus Hochleistungskunststoff, die Kontaktelemente aus Silikon, wird zum einen erreicht, dass die Funktion im geforderten Temperaturbereich von -40°C bis +85°C sichergestellt ist und andererseits auch die Entflammbarkeit nach UL94-V0 eingehalten wird.

Stapelbarkeit Erweitungsmöglichkeit & Platzbedarf

Das PAD Layout und die Geometrie der Steckerkörper sind dafür ausgelegt, dass Module gestapelt werden können. Dabei werden dann lediglich längere Befestigungsschrauben benötigt. Durch die Höhe des Steckerkörpers von 6,5 mm können die Module sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite bestückt werden - Bauhöhe (PCB - Abstand) >5 mm.

Die Erweiterungsmöglichkeit kommt bei dieser Art von Verbindungstechnologie zum Nulltarif. Wenn beispielsweise Varianten eines Gerätes dadurch realisiert werden sollen, dass spezifische Module hinzugefügt werden, muss auf dem Baseboard lediglich dass Footprint der EXM32 Connectoren vorgesehenen werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Steckverbindungen, bei denen immer ein Teil eines Steckerpaares bestückt werden muss, fallen bim EXM32 Connector keine Kosten an.

Fazit:

EXM32 Connector - hochpolige, robuste, kostengünstige und einfach zu handhabende Verbindungstechnologie im erweiterten Temperaturbereich