Bela knjiga: Zanesljivost priključnih konektorjev
Naj gre za letalsko in vesoljsko industrijo, industrijsko avtomatizacijo, promet ali zdravstvo: konektorji morajo vedno zagotavljati zanesljiv prenos signala in se pri tem pod nobenim pogojem ne smejo pokvariti. Hkrati so izpostavljeni vrsti obremenitev iz okolja: Mehanske vplive, kot so udarci, vibracije in nihanja, ogrožajo stabilnost prenosa podatkov, prav tako pa tudi toplotni in kemični vplivi okolja zaradi ekstremnih temperatur, močnih temperaturnih nihanj, škodljivih plinov, vlage in umazanije. Proizvajalci visokokakovostnih konektorjev zato uporabljajo celo vrsto možnosti, da svoje konektorje zaščitijo pred temi obremenitvami.
Trdnost kljub miniaturizaciji
Sodobna elektrotehnika je bolj kot kdaj koli prej podvržena trendu miniaturizacije. Sklopi in njihove komponente morajo biti ne le vedno zmogljivejši, temveč tudi vedno manjši. Kljub temu se pogosto uporabljajo v zahtevnih realnih pogojih. Komponente, kot so tudi konektorji, zato ob nespremenjeni obremenitvi postajajo vedno bolj filigranski. Kakovosten konektor pa tem obremenitvam ne le enako dobro kljubuje kot njegov starejši in večji brat, ampak celo bolje. Razlog za to so nadaljnji razvoj sestave materialov ter oblikovanja izdelkov, na primer v geometriji izolacijskega telesa (sl. 1).
Vplivni dejavnik: površina
Na trdnost konektorja vpliva vrsta dejavnikov. Eden od njih je površina stika. Ta odločilno vpliva na življenjsko dobo konektorja, ki se običajno meri v število vtakovanj. Pri uporabi v terenskih pogojih je konektor izpostavljen določenim mikrogibanjem. Ta povzročajo obrabo površine in posledično nastajanje oksida (sl. 2).
Posledica tega je povečan prehodni upor in s tem slabša kakovost prenosa signala. Zato je treba s pomočjo kakovostnega in trajnega premaza kontaktov zmanjšati obrabo površine med vstavljanjem in med delovanjem na minimum. Za to morajo imeti tako nožni kot vzmetni kontakt ustrezno gladko površino. Kljub naraščajočim cenam se zlato zaradi svoje odpornosti proti koroziji in odlične prevodnosti še danes rad uporablja za površinske prevleke. Ker je čisto zlato mehko, se z 0,2 do 0,3 odstotka kobalta ali niklja zlitina in tako pridobi trdo zlato. Kdor pa išče cenovno stabilnejšo alternativo tej strukturi prevleke, se lahko na primer odloči za zlitino niklja in fosforja z zlato prevleko. V določenih razmerjih ta dva materiala skupaj kažejo pozitivne lastnosti, ki jih ima tudi zlato: visoko odpornost proti koroziji, izrazito odpornost proti obrabi in odlično prevodnost. Da bi preprečili difuzijo med kontaktnim materialom in površinskim premazom, se pogosto uporablja tako imenovana nikljeva zaporna plast. S pomočjo te pregrade je mogoče preprečiti korozijo.
Vplivni dejavnik: oblika stične površine
Kontakti konektorja so izrezani ali izvrtani. Pri izrezovanju pa na spodnji strani izrezanega traku nastane neenakomerna površina z ostrimi robovi, ki je vidna pod mikroskopom. Običajni sistemi se stikajo na tem izstiskanem robu, kar povzroča povečano obrabo površine in s tem višjo prehodno upornost. To je mogoče preprečiti, če se sponko v tako imenovanem procesu izstiskovanja in upogibanja upogne za 90 stopinj, tako da se z gladko, valjano površino dotika nožnega stika (sl. 3).
Vendar pa za dolgo življenjsko dobo konektorja ni odločilna le zasnova sponke, temveč tudi zasnova noža. Tudi slednji morajo biti namreč natančno izrezani in nadalje obdelani, da se preprečijo poškodovane, ostre geometrije.
Vendar pa za dolgo življenjsko dobo konektorja ni odločilna le zasnova sponke, temveč tudi zasnova noža. Tudi slednji morajo biti namreč natančno izrezani in nadalje obdelani, da se preprečijo poškodovane, ostre geometrije.
Dejavnik vpliva: sistem stikov
Klasični dvodelni konektorji imajo nožni in vzmetni kontakt. V primeru močnega udarca se lahko nožni kontaktni trak odtrga od vzmetnega kontaktnega traku. Da do takšne prekinitve stika ne pride, je mogoče z dvostranskim vzmetnim kontaktnim trakom zagotoviti redundanto in s tem zanesljivost stika, saj je s pomočjo druge vzmeti prenos signala vedno zagotovljen vsaj prek ene kontaktne točke (sl. 4).
Še bolj robustni so v primerjavi s tem konektorji s tako imenovanim »spolno nevtralnim« kontaktnim sistemom. Posebnost tega sistema je v identični geometriji kontaktov obeh polov konektorja, tj. vtiča in vtičnice. Oba imata tako vzmet kot tudi rezilo. Tako je vsak pin v stiku z dvema vzmetema, vtič in vtičnica pa sta med seboj prepletena in se ne moreta ločiti. Medtem ko dvostranska vzmetna letev pod mehansko obremenitvijo vedno zagotavlja vsaj en kontaktni točki, prepletene geometrije pri spolno nevtralnih kontaktnih sistemih zagotavljajo, da signalni prenos vedno poteka prek dveh kontaktnih točk. Ta visoka redundancija tako omogoča maksimalno varnost stika (sl. 5).
Glede na svoje lastnosti trdnosti je ta spolno nevtralni kontaktni sistem po trdnosti prekašajo le enodelni konektorji. Ti se namreč v celoti odpovedujejo klasičnemu dvodelnemu kontaktnemu principu z nožnim in vzmetnim trakom. Zaradi odprave ranljivega kontaktnega območja enodelni konektorji ne zagotavljajo le najvišje odpornosti proti udarcem, vibracijam, vlagi, prahu in vremenskim razmeram, temveč so primerni tudi za zalivanje in druge postopke zaščite komponent. V kombinaciji s tehnologijo vtiskovanja predstavljajo najvarnejšo mehansko in električno povezavo dveh tiskanih vezij (sl. 6).
Vplivni dejavnik: priključna tehnika
Obstajajo različne možnosti za pritrditev konektorjev na tiskane vezje. Ena od njih je že omenjena tehnika vtiskovanja. Njen cilj je doseči čim večjo zadrževalno silo med konektorjem in tiskanim vezjem ob čim manjši sili vtiskovanja. Prijemne sile odločajo o mehanski povezavi, ki mora kljubovati udarcem in vibracijam. Ta tehnika priključevanja je milijardokrat preizkušena metoda, pri kateri se vtisni zatič vtisne v luknjo s skozno povezavo na tiskanem vezju (sl. 7).
Pri tem ima vtiskalni koničnik večjo diagonalo kot premer luknje na tiskanem vezju. Koničnik konektorja je v območju vtiska prožen, da se tiskano vezje med vtiskovanjem ne deformira zaradi fizikalnih sil. Deformacija je zato omejena na območje vtiska (sl. 8). Med kontaktnim zatičem in metalizirano luknjo na tiskanem vezju nastane hladno varjenje: plinsko neprepustna, korozijsko odporna, nizkoohmska in električno dobro prevodna mehanska povezava, ki je primerna tudi za zalivanje. Poleg tega je opredeljena v standardu DIN EN 60352-5 in ohranja zanesljiv stik tudi pri zelo visokih mehanskih in toplotnih obremenitvah, kot so vibracije, upogibanje in močne temperaturne spremembe, ter prenese celo udarne obremenitve do 200 g.
Zaradi svojih odličnih lastnosti trdnosti in desetkrat boljše stopnje odpovedi (FIT-stopnja) kot pri avtomatsko spajkanih konektorjih se tehnika vtiskovanja pogosto uporablja v visoko varnostnih aplikacijah, kjer prenos signala pod nobenim pogojem ne sme biti prekinjen, na primer v sistemih zračnih blazin ali modulih ABS in ESP.
Zaradi svojih odličnih lastnosti trdnosti in desetkrat boljše stopnje odpovedi (FIT-stopnja) kot pri avtomatsko spajkanih konektorjih se tehnika vtiskovanja pogosto uporablja v visoko varnostnih aplikacijah, kjer prenos signala pod nobenim pogojem ne sme biti prekinjen, na primer v sistemih zračnih blazin ali modulih ABS in ESP.
Vendar tehnika vtiskovanja ni vedno primerna, na primer kadar je treba tiskane vezje opremiti z obeh strani ali kadar ni mogoče upoštevati minimalne razdalje do komponent v smeri delovanja sile. Druga možnost za vzpostavitev zanesljive in trajne povezave med konektorjem in tiskano vezje je tehnologija površinske montaže (SMT). S pomočjo spajkalne paste se konektorji spajkajo na določene priključne površine tiskanega vezja, t. i. spajkalne ploščice. Šele v tako imenovani reflow peči se spajkalno sredstvo stopi in nato strdi. S tehnologijo SMT je mogoče doseči stabilne povezave med konektorjem in tiskano vezje. Za to pa morajo biti izpolnjena nekatera merila: najprej je treba za spajkanje, ki ustreza standardu IPC-A-610, upoštevati pravilno razmerje med spajkalnim nogom, spajkalnim padom in spajkalno pasto. Le tako se ustvari kakovostna povezava, ki omogoča priključek po razredu IPC 3, torej je primerna za uporabo v visokozmogljivi elektroniki. V tej razredni je treba v vsakem trenutku izključiti motnje v prenosu signala. Optimalno spajkano povezavo prepoznamo po enakomerni obliki meniskusa. Kontakt mora biti po celotnem obodu obdan s spajkalnim meniskusom, da se dosežejo najboljše sile zadrževanja na tiskanem vezju. (Slika 9).
Koplanarnost kontaktnih nog je pri tem pogoj za odlično povezavo. Če so izpolnjeni vsi ti pogoji, je dokazano, da SMT-konektorji prenesejo mehanske obremenitve do 400 N.
Dejavnik vpliva: oblika izolacijskega telesa
Geometrija izolacijskega telesa konektorja pomaga tudi pri zaščiti kontaktov pred poškodbami med delovanjem ali namestitvijo. Oblikovana mora biti tako, da so občutljivi kontakti v notranjosti konektorja zaščiteni.
S pomočjo vstavnih poševnin je mogoče preprečiti tudi poškodbe med montažo. Te pomagajo izravnati morebitno zamik plošč s tiskanimi vezji v katero koli smer med vstavljanjem. Z dodatnim zadrževalnim območjem se lahko obe polovici konektorja brez poškodb spojita tudi v primeru sredinskega ali kotnega zamika (sl. 10).
S pomočjo vstavnih poševnin je mogoče preprečiti tudi poškodbe med montažo. Te pomagajo izravnati morebitno zamik plošč s tiskanimi vezji v katero koli smer med vstavljanjem. Z dodatnim zadrževalnim območjem se lahko obe polovici konektorja brez poškodb spojita tudi v primeru sredinskega ali kotnega zamika (sl. 10).
Nekateri konektorji imajo poleg tega tudi »boardlock«-e. To so kovinski obroči, ki so pritrjeni na izolacijsko telo in se prav tako pripajajo na tiskano vezje (sl. 11). Tako dodatno zagotavljajo stabilnost – tudi v neugodnih razmerah, kot so vibracije in udarci.
Vplivni dejavnik Območje tolerance
Območje tolerance priključnega konektorja ima odločilno vlogo pri ocenjevanju njegove trdnosti. Če konektor ne more izravnati določenih toleranc, mehanska gibanja povzročijo obrabo ali celo poškodbo priključnega spoja. Pri vgradnji pri tem pomagajo vstavne poševine, ki omogočajo varno vstavljanje nožnih in spončnih letev. Toda tudi v vstavljenem stanju je treba premostiti mikro premike. To je mogoče doseči z geometrijo kontaktnih in izolacijskih elementov. Če ima konektor funkcijo plavajočega stika, lahko tudi med delovanjem izravna do ±0,4 mm. Ta funkcija postaja vse bolj pomembna, saj igra odločilno vlogo pri opremljanju tiskanega vezja z več konektorji. V praksi pa obremenitve ne nastajajo le v smeri x in y, temveč tudi v smeri z (sl. 12).
Tu se pojavi vprašanje varnosti pred preklopom pri konektorju. Ta opisuje območje prekrivanja nožnih in spončnih kontaktov ter tako omogoča ne le različne razmike med tiskanimi vezji, temveč – odvisno od velikosti tega območja – tudi tolerančna območja (sl. 13).
Največje izravnave toleranc pa se dosežejo s kabelsko povezavo. Tukaj dolžina kabla odloča o tolerančnem območju vtičnega spoja.
Največje izravnave toleranc pa se dosežejo s kabelsko povezavo. Tukaj dolžina kabla odloča o tolerančnem območju vtičnega spoja.
Preskusni postopek
Za temeljito preizkušanje trdnosti konektorjev obstajajo različni preskusni postopki. Pri tem se upoštevajo spremenljivke, kot sta napetostna trdnost in prehodni upor, tako pred kot po obremenitvenem preskusu, stanje kontaktov pa se pregleda vizualno. Tako je mogoče na primer preveriti vpliv 500 vstavnih ciklov na napetostno trdnost ali v klimatskem preskusu ugotoviti, ali več ur pri najprej -55 °C in nato 125 °C negativno vpliva na prehodni upor konektorja. Pri preskusu s temperaturnim šokom mora konektor 100-krat po 30 minut zdržati hitro prehajanje med temi ekstremnimi temperaturami. Tudi sredinski in kotni zamik pri vstavljanju, pa tudi tolerančno območje v vstavljenem stanju, se ne smejo preverjati le teoretično na CAD-modelu, ampak jih je treba v praksi obširno preskusiti in njihovo obremenljivost empirično potrditi. Enako pomembno je, da se različne preskuse, ki so kritični za stično površino, izvedejo tudi v kombinaciji, da se simulirajo realne razmere. Tako bi se na primer lahko preskusi vtakovalnih ciklov in škodljivih plinov izvedli v kombinaciji, da se zagotovi, da se zmogljivost konektorja glede prehodnega upora in napetostne trdnosti ni poslabšala in da stiki niso utrpeli poškodb (sl. 14).
Vaš dizajn – vaša izbira
Glede na zahteve uporabe veljajo različna merila trdnosti, ki jih mora izpolnjevati konektor. Ali mora na primer izravnavati velike tolerance? Ali je izpostavljen močnim udarcem ali vibracijam? Ali se uporablja v okolju z močnim vplivom vročine ali mraza? Ali pa mora biti priključna rešitev zaščitena pred vlago, škodljivimi plini ali umazanijo? Če se uporabnik pri izbiri priključne rešitve ravna po teh vprašanjih, lahko biti prepričan, da je njegov konektor najbolje pripravljen za uporabo v terenskih pogojih.