Fünf Überlegungen bei der Spezifikation von Steckverbindern für medizinische Anwendungen

Entwickler von medizinischen Geräten und Systemen benötigen Steckverbinder, die ihnen helfen, die zunehmende Komplexität und die kleineren Formfaktoren zu bewältigen und gleichzeitig ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Leistung bei verschiedenen Nutzungsmodellen zu gewährleisten. Einige Anschlüsse sind innerhalb des Systems unzugänglich, so dass deren Zuverlässigkeit entscheidend ist. Andere Steckverbinder werden regelmäßig von Chirurgen, Ärzten, Krankenschwestern oder Technikern verwendet, weswegen eine einfache Handhabung und eine hohe Haltbarkeit ebenfalls wichtig sind.

Je nach Anwendung müssen Steckverbinder für medizinische Geräte und Systeme Normen wie die IEC 60601, ISO 80369-1 und ISO 13485 erfüllen und können strenge Prüfungen bezüglich der Auswirkungen von Umwelteinflüssen erfordern, die über die üblichen Industrienormen und -spezifikationen hinausgehen.

Neben Nutzbarkeit und spezifischen Normen müssen Entwickler auch technische Kompromisse zwischen NRZ- (Non-Return-to-Zero), auch PAM2 (Pulsamplitudenmodulation mit 2 Pegeln), und PAM4-Steckverbindertechnologien (Pulsamplitudenmodulation mit 4 Pegeln) in Betracht ziehen, um die optimalen Kosten und Leistungen für einen bestimmten Anwendungsfall zu erreichen.

Entwickler müssen bei der Suche nach der besten Lösung eine breite Palette von Steckverbindertypen prüfen. Um hierbei zu helfen, werden in diesem Artikel zunächst fünf wichtige Faktoren erläutert, die bei der Spezifikation von Steckverbindern für medizinische Geräte zu beachten sind. Anschließend werden Beispiele für Steckverbinderoptionen von Samtec vorgestellt. Den Abschluss bildet ein Überblick über Anwendungsüberlegungen bei der Integration von Steckverbindern in Hochgeschwindigkeitssysteme gegeben.

NRZ und PAM4

Bei NRZ wird pro Signalintervall 1 Bit an Informationen übertragen. PAM4 ist ein Mehrpegel-Signalmodulationsformat mit einem Durchsatz von 2 Bit pro Intervall. Beim NRZ-Auge repräsentiert der obere Teil die „1“ und der untere Teil die „0“, während das PAM4-Signal aus drei gestapelten Augen besteht, die durch vier Spannungspegel gebildet werden: 00, 01, 10 und 11 (Abbildung 1). Die Höhe der Augen ist ein wichtiger Faktor. Die größere Augenhöhe des NRZ-Signals führt zu einer besseren Signalqualität. NRZ ist einfacher zu implementieren, bietet weniger Reflexionen sowie einen besseren Rauschabstand und ist im Vergleich zu PAM4 kostengünstiger. PAM4 ist jedoch von Natur aus schneller und wird bei Hochgeschwindigkeitsverbindungen wie der Multi-Gigabit-Kommunikation eingesetzt.

Abbildung 1: NRZ hat ein einziges Auge (links) und überträgt pro Signalintervall 1 Bit an Informationen. PAM4 ist ein Mehrpegel-Signalmodulationsformat mit drei Augen (rechts) und einem Durchsatz von 2 Bit pro Intervall. (Bildquelle: Samtec)

Mechanische Überlegungen

Zu den mechanischen Erwägungen bei der Auswahl von Steckverbindern gehören Raster, Verbindungsart, Montageart und Größe (Abbildung 2). Das Raster bemisst den Abstand der Kontakte von der Mitte des einen zur Mitte des nächsten. Es wird unter Umständen mit mehreren Zahlen angegeben, da der Abstand zwischen den Kontakten in jeder Reihe und der Abstand zwischen den Reihen gleich oder unterschiedlich ausfallen kann. Steckverbinder auf Leiterplatten können horizontal, vertikal oder rechtwinklig gesteckt werden. Die Haltekraft ist ein weiterer Faktor, der angibt, wie leicht sich der Steckverbinder entfernen lässt.

Abbildung 2: Kleine Auswahl aus der Vielfalt der verfügbaren Raster, Anschlussarten und Größen. (Bildquelle: Samtec)

Gängige Anschlussarten sind Durchkontaktierung, Oberflächenmontage, Paste-in-Hole und Einpressmontage. Durchsteckkontakte werden durch ein Loch in der Leiterplatte geführt und sorgen für feste Verbindungen zwischen den Leiterplattenschichten. Oberflächenmontierte Steckverbinder werden auf der Oberfläche der Leiterplatte montiert und erfordern keine Bohrungen. Sie können im Vergleich zu durchkontaktierten Steckverbindern kleinere Rasterabstände nutzen. Bei einer wachsenden Zahl von Anwendungen werden Durchkontaktierungen durch oberflächenmontierbare Anschlüsse ersetzt.

Paste-in-Hole-Steckverbinder werden in Löchern montiert, die nicht durch die gesamte Leiterplatte verlaufen. Um für oberflächenmontierte oder Paste-in-Hole-Designs verwendet werden zu können, muss das Material des Steckverbindergehäuses Reflow-Löttemperaturen standhalten können. Außerdem ist ein horizontaler und vertikaler Freiraum um die Leitungen nötig, um die erforderliche Menge an Lötpaste aufzunehmen.

Einpressanschlüsse sind lötfrei und kostengünstiger, erfordern aber spezielle Werkzeuge für die Installation. Sie werden in ein Loch auf der Leiterplatte gepresst und durch Druckkräfte in Position gehalten. Zu den weniger verbreiteten Anschlussarten gehören Land-Grid-Arrays, Ball-Grid-Arrays, Drahtumwicklung, Crimpen und Schraubanschlüsse.

Benutzerfreundlichkeit

Kontaktwiderstand, Steckzyklen und Steck-/Lösekraft sind Kriterien bei der Benutzerfreundlichkeit von Steckverbindern in Anwendungen, bei denen diese regelmäßig gesteckt und getrennt werden müssen. Je geringer der Kontaktwiderstand, desto weniger Strom geht über den Steckverbinder verloren. Eine niedrige Steck- bzw. Lösekraft kann zur Benutzerfreundlichkeit beitragen, solange der Kontaktwiderstand niedrig genug ist, um die elektrischen Anforderungen zu erfüllen. Steckverbinder haben eine begrenzte Anzahl von Steckzyklen, die von einigen Dutzend bis zu mehreren Tausend Zyklen reichen. Die Lebensdauer des Steckverbinders muss auf die Anforderungen der Anwendung abgestimmt sein.

Wenn Steckverbinderkontakte zusammengesteckt werden, wird der Kontakt verschoben und das Metall gebogen. Die Biegung ist wichtig und bestimmt die Kraft, die zum Stecken und Trennen des Steckers benötigt wird, sowie den Kontaktwiderstand. Die Biegung verursacht auch Spannungen in den Kontakten, die dazu führen, dass sowohl die Steckkraft als auch der Kontaktwiderstand mit der Zeit abnehmen. Das Ersetzen des üblicherweise in Steckverbinderkontakten verwendeten Grundmetalls Messing durch die teurere Phosphorbronze erhöht die Lebensdauer der Kontakte. Phosphorbronze ist elastischer als Messing und weniger anfällig für Spannungen, die die Lebensdauer von Bronzekontakten begrenzen.

IEC 60601, ISO 80369-1 und ISO 13485

Es gibt zahlreiche anwendungsspezifische Industrienormen für verschiedene medizinische Systeme und Geräte. Drei der allgemeineren Normen, die bei allen Entwürfen berücksichtigt werden müssen, sind:

• ISO 80369-1: Diese Norm befasst sich mit der Entwurfsmethodik zur Verringerung des Risikos eines Fehlanschlusses von medizinischen Geräten oder Zubehör für verschiedene Anwendungen.
• IEC 60601: Hier geht es um die allgemeinen Anforderungen an die grundlegende Sicherheit und die wesentlichen Leistungsmerkmale, einschließlich elektromagnetischer Störungen (EMI) und elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV).
• ISO 13485: Diese Norm konzentriert sich auf die Qualitätssysteme, die für die Verfolgung der im Herstellungsprozess verwendeten Komponenten und Verfahren erforderlich sind. Sie ist mit ISO-9001 verwandt.

Prüfungen über die Industriestandards hinaus

Severe Environment Testing (SET), das Testen in extremen Umgebungen, ist eine von Samtec entwickelte Prüfreihe, die über die typischen Industrienormen und -spezifikationen hinausgeht und Folgendes umfasst:

• 250 Steckzyklen bei 100 % Luftfeuchtigkeit
• Intensive Stöße und Vibrationen auf der Basis einer Kontaktwiderstandsprüfung und einer Ereigniserkennung
  • Kontaktwiderstandsprüfung mit dem 40-fachen der Standard-Gravitationskraft (g), 11 Millisekunden (ms), Halbsinus und 12 g RMS, 5 bis 2000 Hertz (Hz), 1 Stunde/Achse
  • Ereigniserkennung gemäß EIA-364-87, EIA-364-27 und EIA-364-28 unter Verwendung desselben Prüfverfahrens wie bei der Kontaktwiderstandsprüfung
• 500 Temperaturzyklen
• Prüfungen außerhalb des Betriebstemperaturbereichs, bei denen der Steckverbinder einer Kontaktwiderstandsprüfung unterzogen und dann 100 Zyklen lang -55 °C bis +105 °C ausgesetzt wird, gefolgt von einer erneuten Kontaktwiderstandsprüfung, weiteren 100 Zyklen bei -65 °C bis +125 °C und noch einer Kontaktwiderstandsprüfung, wobei der Steckverbinder zum Bestehen eine Änderung des Kontaktwiderstands von ≤5 Milliohm (mΩ) einhalten muss
• Spannungsfestigkeit in einer Höhe von über 2.000 Metern
• ESD-Prüfung (elektrostatische Entladung) wird normalerweise nicht an Steckverbindern durchgeführt, ist aber in Umwelttests enthalten

Steckverbinder, die eine Haltbarkeit von 10.000 Steckzyklen bieten

Entwickler, die bis zu 10.000 Steckzyklen benötigen, können von den Serien TFM und SFM als Teil des Tiger Eye-Verbindungssystems von Samtec profitieren. Diese Steckverbinder sind für robuste Mikroanwendungen mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Haltbarkeit ausgelegt und in drei Rastermaßen erhältlich: 0,80, 1,27 und 2,00 Millimeter (mm). Sie verfügen über wärmebehandelte Mehrfachkontakte aus Berylliumkupfer (BeCu), die für Anwendungen mit hoher Steckzyklenzahl optimiert und für raue Umgebungen ausgelegt sind (Abbildung 3). Das Modell TFM-105-01-S-D-A zum Beispiel ist eine 10-polige Steckleiste mit Kontakten im Raster von 1,27 mm.

Abbildung 3: Die Tiger Eye-Verbindungstechnik (links) ist in einer Vielzahl von Formaten und Größen erhältlich und bietet ein robustes Kontaktsystem, das für 10.000 Steckzyklen und mehr ausgelegt ist. Das Modell TFM-105-01-S-D-A (rechts) ist eine 10-polige Steckleiste mit Kontakten im Raster von 1,27 mm. (Bildquelle: Samtec)

Die glatte Kontaktfläche belastet die Beschichtung nicht, was zu einem geringeren Kontaktwiderstand, einer längeren Lebensdauer der Beschichtung und einer höheren Haltbarkeit führt. Das Lötzinn kann leicht in den Mikroschlitz am Ende eindringen und sorgt so für eine festere Lötstelle. Diese Steckverbinder sind polarisiert, um eine korrekte Verbindung zu gewährleisten, und optionale Reibverriegelungen verbessern die Sicherheit der Verbindung.

Extrem kompakte Hochgeschwindigkeitssteckverbinder

Anwendungen, die eine hohe Geschwindigkeit und eine hohe Dichte erfordern, können die Einpress-Arrays SEARAY 1,27 mm von Samtec mit offenem Stiftfeld verwenden. Diese Steckverbinder besitzen bis zu 500 Kontakte, die für Signalintegrität optimiert wurden, und optional zur vertikalen oder rechtwinkligen Montage erhältlich (Abbildung 4). Dieses System bietet bis zu 10 Reihen und 50 Kontakte pro Reihe, um Flexibilität bei Erdung und Routing zu ermöglichen, und auswählbare Stapelhöhen von 7 mm, 8 mm, 8,5 mm und 9,5 mm bei einer Signalverarbeitungsrate von bis zu 28 Gigabit pro Sekunde (GBits/s). Bei Artikelnummer SEAFP-40-05.0-S-06 zum Beispiel handelt es sich um eine vertikal montierte Ausführung mit 240 Kontakten zur Durchkontaktierung.

Abbildung 4: Die hochdichten Einpress-Arrays SEARAY 1,27 mm von Samtec mit offenem Stiftfeld sind in vertikaler und rechtwinkliger (oben) Ausführung erhältlich (Bildquelle: Samtec)

Steckverbinder für PAM4 oder NRZ

Für Anwendungen, die eine höhere Kontaktdichte und eine Geschwindigkeit von mehr als 28 GBit/s benötigen, kann die SEARAY-Serie mit 56 GBit/s eingesetzt werden. Mit einem Raster von 0,8 mm bietet sie die doppelte Kontaktdichte der Steckverbinder mit einem Raster von 1,27 mm. Sie ist mit einer Stapelhöhe von 7 mm und 10 mm erhältlich und eignet sich für PAM4 oder NRZ. Konfigurationen mit bis zu 12 Reihen zu je 60 Kontakten für insgesamt 720 Kontakte sind erhältlich. Diese Arrays mit offenem Stiftfeld bieten ein Höchstmaß an Flexibilität bei Erdung und Routing, einschließlich differenzieller Signalpaare, asymmetrischer Signalübertragung und Stromversorgung (Abbildung 5). Artikelnummer SEAF8-20-05.0-S-04-2-K verfügt über 80 vergoldete Kontakte und ist oberflächenmontierbar. Dieser Steckverbinder ist umweltgetestet.

Abbildung 5: Die hochdichten SERRAY-Arrays mit offenem Stiftfeld bieten ein Höchstmaß an Flexibilität bei Erdung und Routing, einschließlich differenzieller Signalpaare, asymmetrischer Signalübertragung und Stromversorgung. (Bildquelle: Samtec)

Überlegungen zur Anwendung von Hochgeschwindigkeitssteckverbindern

Bei der Verwendung von Hochgeschwindigkeitssteckverbindern in medizinischen Anwendungen müssen Entwickler zahlreiche Faktoren in Bezug auf Signalintegrität und elektromagnetische Störungen berücksichtigen, darunter folgende:

• Kürzer ist besser. Kürzere Steckverbinder verbessern die Signalqualität. Je kürzer der Steckverbinder ist, desto kürzer ist die Zeit, die für Reflexionen und Nebensprechen zur Verfügung steht.
• Das Signal-Masse-Verhältnis ist wichtig. In den meisten Fällen ist ein Verhältnis von 1:1 optimal, aber bei Steckverbindern mit einer großen Stiftanzahl kann ein kleineres Verhältnis als 1:1 für einen zuverlässigen asymmetrischen Hochgeschwindigkeitsbetrieb erforderlich sein.
• Eine Masseabschirmung der Kontaktpaare wird für differenzielle Steckverbinder empfohlen, die Signale mit 2,5 GBits/s oder mehr übertragen.
• Ausrichtungsfehler können bei Leiterplatten mit mehreren Anschlüssen ein großes Problem darstellen. Die vom Hersteller empfohlenen Spezifikationen für die Anschlussverbindungen sind genau zu befolgen und die Toleranzen für den Lochdurchmesser der Ausrichtungsstifte auf maximal 0,05 mm zu begrenzen.
• Elektromagnetische Störungen sind nicht nur ein Leiterplattenproblem. Leiterplattenverbinder können zu elektromagnetischen Störungen beitragen und müssen von Anfang an als Teil des Gesamtdesigns berücksichtigt werden.

Fazit

Die Auswahl von Steckverbindern für medizinische Systeme ist eine wichtige und komplexe Aufgabe. Die Steckverbinder müssen optimiert werden, um die Anforderungen an mechanische Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit zu erfüllen. Darüber hinaus müssen sie die elektrischen Spezifikationen erfüllen und Kommunikationsprotokolle wie NRZ und PAM4 unterstützen. Die Einhaltung einschlägiger Industrienormen ist wichtig, aber Prüfungen, die über diese hinausgehen, wie z. B. bei den hier erwähnten Komponenten von Samtec, sind oft erforderlich, um die hohen Leistungsniveaus zu gewährleisten, die von Steckverbindern in medizinischen Geräten und Systemen erwartet werden.

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