Bela knjiga: Zanesljivost priključnih konektorjev
Naj gre za letalstvo in vesolje (letalstvo in vesolje), industrijsko avtomatizacijo, promet ali zdravstvo: priključki (konektor) morajo vedno zagotavljati zanesljiv prenos signala in se pri tem pod nobenim pogojem ne smejo pokvariti. Hkrati so izpostavljeni vrsti obremenitev iz okolja: Mehanski vplivi, 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 konektor 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: miniaturizaciji. Sklopi in njihove komponente morajo biti pri tem ne le vedno zmogljivejši, temveč tudi vedno manjši. Kljub temu se pogosto uporabljajo v zahtevnih realnih pogojih. Komponente, pa tudi konektor, zato ob nespremenjeni obremenitvi postajajo vedno bolj filigranski. Kakovosten konektor pa se temu stresu ne upira le enako dobro kot njegov starejši in večji brat, ampak celo bolje. Razlog za to so nadaljnji razvoj v sestavi materialov ter v oblikovanju izdelka, na primer v geometriji izolacijskega telesa (sl. 1).
Vplivni dejavnik: površina
Na robustnost konektorja vpliva veliko dejavnikov. Eden od njih je stična površina (kontaktna površina). Ta odločilno vpliva na življenjsko dobo konektorja, ki se običajno meri v število vstavljanja (število ciklov vtikanja). Pri uporabi v praksi je konektor izpostavljen določenim mikrogibanjem. Ta povzročajo obrabo površine in posledično nastajanje oksida (sl. 2).
Posledica tega je povečan prehodni upor (kontaktna upornost) in s tem slabša kakovost prenosa signala. Zato je pomembno, da se s pomočjo visokokakovostnega in trajnega premaza za stike (prevleka kontaktov) obraba površine med vstavljanjem in med delovanjem zmanjša na minimum. Za to morajo imeti tako nožni kot vzmetni stiki (ženski 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 zlitina pripravi z dodatkom 0,2 do 0,3 odstotka kobalta ali niklja, s čimer se pridobi »trdo zlato«. Kdor pa išče cenovno stabilnejšo alternativo tej sestavi prevleke, se lahko na primer odloči za zlitino niklja in fosforja z imenom »gold flash«. V določenih razmerjih ta dva materiala skupaj kažejo pozitivne lastnosti, ki jih prinaša 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 imenovani nikljev zaporni sloj. S pomočjo te pregrade je mogoče preprečiti korozijo.
Vplivni dejavnik: oblika stične površine
Kontakti konektora so izrezani ali izvrtani. Pri štancanje pa na spodnji strani štancanega traka nastane nehomogena površina z ostrimi robovi, ki je vidna pod mikroskopom. Konvencionalni sistemi vzpostavljajo stik na tem »strižni rob«, kar povzroča povečano obrabo površine in s tem višji kontaktna upornost. To je mogoče preprečiti, če se sponko v tako imenovanem procesu »stanzbiegen« upogne za 90 stopinj, tako da se z gladko, valjano površino dotakne »moški kontakt« (sl. 3).
Vendar pa ni le zasnova sponke »ženski konektor«, temveč tudi zasnova sponke »moški konektor« odločilna za dolgo življenjsko dobo konektorja. Tudi slednje morajo biti namreč natančno štancane in nadalje obdelane, da se preprečijo poškodovane, ostre geometrijske oblike.
Vendar pa ni le zasnova sponke »ženski konektor«, temveč tudi zasnova sponke »moški konektor« odločilna za dolgo življenjsko dobo konektorja. Tudi slednje morajo biti namreč natančno štancane in nadalje obdelane, da se preprečijo poškodovane, ostre geometrijske oblike.
Dejavnik vpliva: sistem stikov
Klasični dvodelni konektorji (konektor) imajo nožni in vzmetni kontakt (ženski kontakt). V primeru močnega udarca pa se lahko nožna letev (moški konektor) odlepi od vzmetne letve (ženski konektor). Da ne pride do takšne prekinitve stika (prekinitev kontakta), je mogoče z dvostransko vzmetno letvijo (ženski konektor) zagotoviti redundancijo in s tem varnost stika, saj je zaradi druge vzmeti prenos signala vedno zagotovljen vsaj prek ene kontaktne točke (sl. 4).
Še bolj robustni so nasprotno konektorji (konektor) s tako imenovanim »hermafroditnim« kontaktnim sistemom. Posebnost je v identičnih geometrijah kontaktov obeh polov konektorja, vtiča (Plug) in vtičnice (Socket). 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 »ženski konektor« pod mehansko obremenitvijo vedno zagotavlja vsaj eno stično točko, prepletene geometrije pri spolno nevtralnih kontaktnih sistemih zagotavljajo, da prenos signala vedno poteka prek dveh stičnih točk. Ta visoka redundancija tako omogoča maksimalno zanesljivost stika (sl. 5).
Glede na svoje lastnosti trdnosti ta hermafroditni kontaktni sistem presegajo le enodelni konektorji. Ti se pri tem v celoti odpovedujejo klasičnemu dvodelnemu kontaktnemu principu, sestavljenemu iz nožne inženski konektor. Zaradi odprave ranljivega stičnega območja enodelni konektor ne zagotavljajo le najvišje odpornosti proti udarcem, vibracijam, vlagi, prahu in vremenskim vplivom, temveč so primerni tudi za zalivanje (zalivanje) in druge postopke zaščite komponent. V kombinaciji s tehnologijo vtiskovanja (tehnologija press-fit) predstavljajo najvarnejšo mehansko in električno povezavo med dvema tiskanima vezjema (sl. 6).
Vplivni dejavnik: tehnika priključevanja
Obstajajo različne možnosti za namestitev konektorjev (konektor) na tiskane vezje. Ena od njih je že omenjena tehnika vtiskovanja (tehnologija press-fit). Njen cilj je doseči čim večjo zadrževalno silo med konektorjem in tiskanim vezjem ob čim manjši vtiskovalni sili (sila vtiskanja). Zadrževalne sile so odločilne za mehansko povezavo, ki mora kljubovati udarcem in vibracijam. Ta tehnika priključevanja (tehnika priključevanja) je postopek, ki se je izkazal že milijarde krat, pri katerem se vtisni zatič (vtisni zatič) v luknjo s prehodno kontaktno ploščico (metalizirana izvrtina) v tiskanem vezju (sl. 7).
Pri tem ima » vtisni zatič « večjo diagonalo kot premer luknje na tiskanem vezju. Konektorjevi pin je v » cona vtiskanja « prožen, da se tiskano vezje med vtiskovanjem ne deformira zaradi fizikalnih sil. Deformacija se zato omeji na cona vtiskanja (sl. 8). Med kontaktni zatič in metalizirano luknjo v tiskanem vezju nastane hladno varjenje: plinotesen, korozijsko odporen, nizkoohmski in električno dobro prevodni mehanski element, ki je primeren tudi za zalivanje. Poleg tega je ta povezava 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 izjemnih lastnosti trdnosti in desetkrat boljše zanesljivosti ( intenzivnost odpovedi ) (vrednost FIT) v primerjavi z avtomatsko spajkanimi konektor se tehnologija press-fit 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 izjemnih lastnosti trdnosti in desetkrat boljše zanesljivosti ( intenzivnost odpovedi ) (vrednost FIT) v primerjavi z avtomatsko spajkanimi konektor se tehnologija press-fit 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 pa tehnika vtiskovanja (tehnologija press-fit) ni vedno primerna, na primer kadar je treba tiskane plošče 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 (konektor) in tiskano ploščo je tehnologija površinske montaže (SMT). S pomočjo spajkalne paste (spajkalna pasta) se spajkalni konektorji (konektor) spajkajo na določene priključne blazinice tiskanega vezja, t. i. spajkalne blazinice (spajkalne blazinice). Šele v tako imenovanem reflow-peči (reflow peč) se spajkalno sredstvo stopi in nato strdi. S tehnologijo SMT je mogoče vzpostaviti stabilne povezave med konektorjem in tiskano ploščo. Za to pa morajo biti izpolnjena nekatera merila: najprej je treba za spajkani spoj, ki ustreza standardu IPC-A-610, upoštevati pravilno razmerje med SMT priključek, spajkalna blazinica in spajkalna pasta. Le tako se vzpostavi visokokakovostna povezava, ki omogoča priključek v skladu z razredom IPC 3, torej je primerna za uporabo v visokozmogljivi elektroniki. V tej razredni je treba v vsakem trenutku izključiti motnje pri prenosu signala. Optimalno spajkanje (spajkani spoj) prepoznamo po enakomernem oblikovanju meniskusa. Stik mora biti po celotnem obodu obdan s spajkalnim meniskusom, da se dosežejo najboljše zadrževalne sile na tiskanem vezju. (sl. 9).
Koplanarnost kontaktnih nogic je pri tem pogoj za odlično povezavo. Če so izpolnjeni vsi ti pogoji, lahko SMT-vtičniki dokazano 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 konektor imajo poleg tega še »boardlocks«. Pod tem se razumejo kovinski obroči, ki so pritrjeni na izolacijsko telo in se prav tako spajkajo na tiskano vezje (sl. 11). Tako dodatno zagotavljajo stabilnost – tudi v neugodnih pogojih, kot sta vibracija in udarci.
Vplivni dejavnik Območje tolerance
Območje tolerance konektorja ima odločilno vlogo pri oceni njegove robustnosti. Če konektor ne more izravnati danih toleranc, mehanska gibanja povzročijo obrabo ali celo poškodbo konektorja. Pri vgradnji pri tem pomagajo vodilne posnetine, ki omogočajo nepoškodovano vstavljanje nožev in ženski konektor. Toda tudi v vstavljenem stanju je treba premostiti mikrogibanja. To se doseže z geometrijo kontaktnih in izolacijskih elementov. Če ima konektor funkcijo »plavajoča izvedba-Funktion«, lahko tudi med delovanjem izravna do ±0,4 mm. Ta funkcija postaja vse pomembnejša, 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 o varnosti pred prekrivanjem (efektivna dolžina spoja) konektorja. Ta opisuje območje prekrivanja nožev in sponk (ženski konektor) ter s tem omogoča ne le različne razdalje med ploščami, temveč – odvisno od velikosti tega območja – tudi tolerančna območja (sl. 13).
Največje izravnave toleranc pa se dosežejo s kabelsko povezavo. Pri tem dolžina kabla določa tolerančno območje konektora.
Največje izravnave toleranc pa se dosežejo s kabelsko povezavo. Pri tem dolžina kabla določa tolerančno območje konektora.
Preskusni postopek
Za temeljito preizkušanje vtičnih konektorjev (konektor) glede na njihove lastnosti trdnosti obstajajo različni preskusni postopki. Pri tem se upoštevajo spremenljivke, kot sta dielektrična trdnost in kontaktna upornost, pred in po obremenitvenem preskusu, stanje kontaktov pa se vizualno pregleda. Tako je mogoče na primer preveriti vpliv 500 vstavljalnih ciklov (število ciklov vtikanja) na dielektrična trdnost ali v klimatskem preskusu ugotoviti, ali več ur izpostavljenosti najprej pri -55 °C in nato pri 125 °C negativno vpliva na kontaktna upornost konektorja. Pri preskusu s temperaturnim šokom mora konektor 100-krat po 30 minut zdržati hitro preklapljanje med temi ekstremnimi temperaturami. Tudi sredinski in kotnikotna neporavnanost pri vstavljanju, pa tudi tolerančno območje v vstavljenem stanju, se ne smejo preverjati le teoretično na CAD-modelu, temveč jih je treba v praksi obširno preskusiti in njihovo obremenljivost empirično potrditi. Enako pomembno je, da se različni preskusi, ki so ključni za kontaktna površina, izvajajo tudi v kombinaciji, da se simulirajo realne razmere. Tako bi se na primer lahko preskusi vstavljanja (število ciklov vtikanja-) in preskusi s korozivnimi plini izvajali v kombinaciji, da se zagotovi, da se zmogljivost konektorja glede kontaktna upornost in dielektrična trdnost ni poslabšala ter da kontakti niso utrpeli poškodb (sl. 14).
Vaš dizajn – vaša izbira
Glede na zahteve uporabe veljajo različna merila robustnosti, ki jih mora izpolnjevati konektor. Ali mora na primer izravnavati velike tolerance? Ali je izpostavljen velikim udarnim obremenitvam 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 rešitve za priključitev ravna po teh vprašanjih, lahko biti prepričan, da je njegov konektor najbolje pripravljen za uporabo v terenskih pogojih.