Eng vernetzt: Komponentendesign und Verbindungstechnik

Die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die Verteidigungsindustrie stehen an der Spitze der technologischen Entwicklung. Ihre Raumfahrzeuge, Bodenfahrzeuge und Verteidigungssysteme loten die Grenzen des Machbaren aus. Hohe Standards sind unerlässlich, wenn Menschenleben vom Ergebnis abhängen, da selbst kleinste Fehler schwerwiegende Folgen haben können. Die effektive Konzeption, Entwicklung und Fertigung von Elektroniksystemen für diese Kunden erfordern Qualität und Zuverlässigkeit in jeder Phase, was eine erhebliche Herausforderung darstellt.

Jedes einzelne System muss unter extremen Umgebungsbedingungen einwandfrei funktionieren, darunter Stöße und G-Kräfte, Strahlenbelastung, Vakuum des Weltraums, Vibrationen, Temperaturwechsel, Feuchtigkeit und Staub. Hinzu kommt, dass sich die Lebenszyklen oft in Jahrzehnten und nicht in Jahren bemessen lassen. Systeme müssen daher Tausende von Steckzyklen ohne Ausfall überstehen.

Gleichzeitig werden die Formfaktoren immer kleiner, während die Datenübertragungsraten steigen. Mit jeder neuen Generation nimmt die Komponentendichte zu, was die Herausforderungen in den Bereichen Wärmemanagement, Signalintegrität und elektromagnetische Störungen (EMI) verschärft. Systementwickler und Fertigungsteams müssen sich jeder dieser Herausforderungen direkt stellen und dabei strenge Qualitätsstandards in der Fertigung einhalten sowie die Anforderungen an Größe, Gewicht, Leistungsaufnahme und Kosten (SWaP-C) in Einklang bringen.

Systematischer Ansatz: Qualität durch Design

Um dieses hohe Qualitätsniveau zu erreichen, ist ein „Quality-by-Design“-Ansatz erforderlich, der auf einer engen funktionsübergreifenden Zusammenarbeit über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg basiert. Dies umfasst die Koordination zwischen Designteams, Fertigungsingenieuren, Materialwissenschaftlern, Qualitätsspezialisten sowie Lieferketten- und Beschaffungsteams, gepaart mit umfangreichen Testverfahren und Feedbackschleifen, um Schwachstellen zu identifizieren und zu beheben.

Die Wahl des falschen Materials aufgrund von Gewichtsbeschränkungen kann zum Beispiel zu Korrosion durch Salznebel und Oxidation führen, was die Integrität beeinträchtigt und Komponenten bisher abgeschirmten Umgebungseinflüssen aussetzt. All dies hat erhebliche Auswirkungen auf vor- und nachgelagerte Entwicklungsprozesse.

Die Vorteile dieses ganzheitlichen Ansatzes gehen weit über eine verbesserte Zuverlässigkeit und Langlebigkeit hinaus. Er ermöglicht Effizienzsteigerungen in der Fertigung und im Kostenmanagement, verbessert die Sicherheit und trägt letztlich zu einem größeren Missionserfolg bei.

Form und Funktion: Abwägen von Designkompromissen und Prioritäten

Aufträge im Luft-/Raumfahrt- und Verteidigungsbereich sind fast ausnahmslos maßgeschneidert. Die Entwicklung elektronischer Systeme für jeden Anwendungsfall bringt eine Reihe von Anforderungen an Form und Funktion mit sich. Auch wächst der Druck hinsichtlich SWaP-C, da Entwickler immer mehr Funktionen auf immer kleinerem Raum bereitstellen müssen.

Dies ist nicht zu unterschätzen. Jeder Einzelfall erfordert eine sorgfältige Abwägung von Leistungsfähigkeit und Designkompromissen. Sowohl die EMI-Abschirmung als auch die Aufrechterhaltung der Signalintegrität wirken sich direkt auf die Formfaktoren aus. Eine verbesserte Abschirmung kann häufig die Größe, das Gewicht und die Kosten von Steckverbindern erhöhen. Sie kann zudem die Wärmeableitung beeinträchtigen und die Montage erschweren. Gleichzeitig können strengere Anforderungen an die Signalimpedanzsteuerung die Packungsdichte von Kontaktsystemen einschränken – beides hat erhebliche Auswirkungen auf eine gewünschte Miniaturisierung.

Viele Designs erfordern ein ausgefeiltes Routing, um Übersprechen und Signalverschlechterung über lange Distanzen zu reduzieren. Andere müssen möglicherweise mehrere Eingänge in einem einzigen Steckverbinder zusammenführen, die sowohl Standardsignale als auch HF verarbeiten können. Daher sind Lösungen wie die „Molex AirBorn SInergy Mini-Modular High-Speed Hybrid Connectors“ entstanden, die Mixed-Signal- und Leistungsmodule in einer einzigen, kompakten Schnittstelle integrieren.

Kontaktsysteme: Das Herzstück des Steckverbinders

In jedem Steckverbinder befindet sich ein Kontaktsystem. Es ist für die Aufrechterhaltung der elektrischen Leitfähigkeit verantwortlich und ermöglicht den Strom- oder Signalfluss zwischen verbundenen Schaltkreisen oder Geräten. Daher spielen Kontaktsysteme eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit des Steckverbinders und die Gesamtzuverlässigkeit des Systems.

Die Entwicklung eines leistungsfähigen Kontaktsystems erfordert eine Kombination aus Maschinenbau und Elektrotechnik, Signalintegritätsdesign und Materialwissenschaft. Zahlreiche Faktoren sind involviert: die Kontaktgeometrie, Federkonstruktion/-spannung, Wahl des Grundmaterials und der Beschichtung sowie Leitfähigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit.

Jeder Kontakt ist auf ein bestimmtes Maß an Normalkraft angewiesen, um seine Verbindungen aufrechtzuerhalten – abhängig von der jeweiligen Anwendung. In den meisten Fällen sind Signalverschlechterungen und mechanischer Verschleiß auf eine ungleichmäßige Kraftverteilung oder falsch ausgerichtete Kontakte zurückzuführen. Dies stellt insbesondere in der Luft-/Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie eine Herausforderung dar, da die Systeme großen Kräften und Vibrationen standhalten müssen.

Hier bieten Steckverbinder mit bis zu vier Kontaktpunkten, wie die High-Density-Serie AirBorn verSI von Molex, eine höhere Stabilität und Signalintegrität. Da diese Kontaktsysteme mechanische Belastungen bei Vibrationen und Stößen über redundante Kontaktpfade verteilen, sind sie besser in der Lage, eine unterbrechungsfreie Funktion zu gewährleisten. Dieser Fokus auf Zuverlässigkeit ist zu einem wesentlichen Aspekt des Steckverbinderdesigns im Luft-/Raumfahrt- und Verteidigungsbereich geworden, wo Ausfälle keine Option sind.

Fertigung: Präzision durch Automatisierung

Herausragendes Design muss mit exzellenter und konsistenter Fertigung einhergehen. Angesichts immer kleinerer Rastermaße, steigender Pin-Zahlen und enger Toleranzen trägt die Automatisierung dazu bei, die Wiederholbarkeit in der Fertigung zu gewährleisten. Sie stellt sicher, dass jede Komponente und jeder Steckverbinder jedes Mal auf die gleiche Weise gefertigt wird, was Schwankungen in der Fertigungsqualität minimiert.

Viele dieser Fertigungsprozesse werden zunehmend datengesteuert. Hersteller setzen immer häufiger auf digitale Zwillinge für die Gestaltung, Validierung und Optimierung von Arbeitsabläufen (noch vor der physischen Produktion) sowie für die vorausschauende Wartung und Fehlererkennung. Zusätzliche Technologien wie Röntgen-/CT-Bildgebung und -Inspektion werden ebenfalls in der Fehlererkennung eingesetzt und fördern die Fertigungskonsistenz. Die gewonnenen Daten fließen dabei direkt in die Produktionsabläufe mit ein.

Dank solcher Technologien ermöglichen automatisierte Verfahren – wie Zerspanung, Stanzen, Galvanisieren, Formen und robotergestützte Montage – eine schnelle Produktion, senken die Arbeitskosten, optimieren die Materialausnutzung und reduzieren den Ausschuss.

Qualität: Gesichert

Jedes Bauteil, jedes Produkt und jedes System, das in Luft-/Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen zum Einsatz kommt, muss in jeder Phase nachweisbaren Prüfungen unterzogen werden. Es handelt sich um einen strengen Prozess, der von den Entwicklungsteams verlangt, stets auf dem neuesten Stand der entsprechenden Normen und Vorschriften zu bleiben. Und davon gibt es viele: IPC-620 Klasse 3 (einschließlich des Zusatzes für Raumfahrt), MIL-STD-202, MIL-STD-810, MIL-DTL-83513, MIL-STD-1344, NASA-STD-8739.4, NASA ASTM-E595, NASA EEE-INST-002, ECSS-E-ST-10-03C, IPC-A-610 Klasse 3 und AS9100.

Die Einhaltung der MIL-SPECs (Spezifikationen) ist zudem mit umfangreichen Anforderungen an die Dokumentation und Rückverfolgbarkeit verbunden – oft bis hinunter zu Chargennummern der Rohmaterialien und einzelnen Fertigungsschritten. Dies ist entscheidend für Qualitätsaudits, Fehleranalysen und das Lebenszyklusmanagement.

Eine vernetzte Zukunft

Von Satelliten und unbemannten Luftfahrzeugen bis hin zu Ausrüstung für Soldaten und moderner Avionik: Luft-/Raumfahrt- und Verteidigungssysteme stellen immer höhere Anforderungen an die ihnen zugrundeliegende Elektronik. In diesen missionskritischen Anwendungen stehen Qualität und Zuverlässigkeit an erster Stelle und erfordern Konsequenz bei Designintegrität, Zusammenarbeit und fortschrittlicher Fertigungsautomatisierung. Letztlich wird die nächste Generation dieser Technologien nicht nur durch die Leistungsfähigkeit des Systems definiert, sondern auch durch die Integrität der verwendeten Komponenten und der Verbindungen, die sie zusammenhalten.

Um diesen steigenden Anforderungen gerecht zu werden, verstärkt Molex seinen Fokus in diesem Bereich weiter – unter anderem durch die kürzlich erfolgte Übernahme von Smiths Interconnect. Das Unternehmen ist auf robuste, kundenspezifische Steckverbinder, Kontakte, HF-Komponenten und optische Transceiver spezialisiert, die für den Einsatz in rauen Umgebungen ausgelegt sind.