L'integrazione a livello di sistema, PCB e circuito integrato è uno dei fenomeni più intriganti dei progetti elettronici di oggi.
Con una più stretta integrazione, aumenta la necessità di più connessioni fisiche tra componenti, dispositivi, schede, pannelli o cavi esterni. L'interconnessione affidabile dei sistemi elettronici è un compito importante, soprattutto quando si tratta di applicazioni impegnative in applicazioni aerospaziali, militari e industriali.
In futuro, le auto autonome e i veicoli aerei senza equipaggio richiederanno non solo interconnessioni affidabili e durevoli, ma anche concetti compatti e leggeri per la progettazione meccanica. In termini di connettori ad alta affidabilità, la baionetta circolare originale mantiene la sua nicchia, ma in molte applicazioni, la miniaturizzazione e la compattezza richiedono versioni di connettori più piccole e leggere.
Vi è una crescente necessità di sistemi in grado di funzionare in ambienti difficili, il che contribuisce anche alla progettazione di connettori che hanno un peso limitato a pochi grammi. L'aerospazio è forse l'applicazione più critica in termini di riduzione del peso. Un esempio è il programma CubeSat di mini-satelliti economici e leggeri, inaugurato nel 1999 dalla Stanford University. Sono tenuti a trasportare masse non superiori a 1,33 kg per 10 cm3.
Il processo di selezione
I connettori elettromeccanici sono sempre più complessi, conformi a un lungo elenco di specifiche come la gestione della corrente continua, la tensione nominale, l'isolamento e la resistenza di contatto, la perdita di inserzione a una frequenza specifica, il cross-talk tra i conduttori, l'induttanza tra i conduttori, la capacità reciproca e l'inserzione meccanica e forze di ritiro.
Di crescente importanza sono le specifiche ambientali come temperatura di esercizio, umidità, urti, vibrazioni, altitudine e resistenza a sostanze chimiche comuni.
La progettazione e produzione di connettori è quindi diventata un campo per specialisti con la reputazione di garantire il segnale e l'integrità dell'alimentazione dei prodotti.
Quali sono le sfide?
Per superare le sfide che devono affrontare i connettori meccanici, i produttori stanno installando più punti di contatto. Ciò comporta un certo grado di conformità meccanica per assicurare che i valori di resistenza al contatto e induttanza specificati siano mantenuti in condizioni di deformazione meccanica, urti e urti.
Di primaria preoccupazione nella progettazione di un connettore è fornire un'interfaccia meccanica affidabile con un minimo di discontinuità fisica ed elettrica. Cattivi esempi potrebbero essere gli hotspot CC, i disallineamenti o le perdite di impedenza CA nelle trasmissioni ad alta frequenza.
La storia della progettazione dei connettori è piena di tentativi di ingegnosità, ma man mano che la miniaturizzazione, l'integrazione e la contemporanea riduzione delle dimensioni dei connettori continuano, emergono nuove sfide.
I contatti con pin a spirale sono facili da collegare e scollegare
Una semplice soluzione per le applicazioni di segnalazione e trasmissione di potenza a bassa frequenza si trova nella tecnologia twist-pin offerta da Cinch. È disponibile in molti stili della serie Dura-Con (Figura 1).
L'idea è quella di raggruppare sette fili di filo di rame-berillio placcato oro, saldarli sulla punta ed espanderli meccanicamente per formare una gabbia con sette punti di contatto disponibili all'interno della periferia di un perno femmina accoppiato.Questo design a perno twistato viene utilizzato nel connettore rettangolare Dura-Con e nel Micro-D (MIL ‑ DTL-83513). Configurato come connettore a striscia con spazio e peso minimi, Micro-D (Figura 2) crea fino a 60 connessioni in linea con un passo fino a 1,27 mm. Il processo di inserimento espande la gabbia con un'azione positiva di "pulizia". Il prelievo contrae la gabbia, quindi la forza di prelievo rimane bassa. Ciò riduce anche al minimo lo stress meccanico sul cablaggio al connettore.
Un'altra soluzione è una tecnologia di compressione chiamata CIN :: APSE (Figura 3). È una continuazione dell'idea di fornire connessioni multiple attraverso un fascio discreto di fili di molibdeno placcati in oro, che sono raggruppati casualmente. Ciò significa che ci sono da 7 a 11 punti di contatto a ciascuna estremità, realizzati toccando un cuscinetto di accoppiamento su un PCB rigido o flessibile o un dispositivo a semiconduttore.
Il fascio viene inserito in un'apertura brevettata a forma di clessidra nel corpo del connettore isolante in polimero a cristalli liquidi. Le applicazioni target includono interfacce di collegamento tra PCB o dispositivi PCB to land grid array (LGA) (come asics e CPU). Il conteggio dei pin I / O può superare 7000 con un passo fino a 1,0 mm.
I contatti Dura-Con Twist-Pin hanno una temperatura nominale da -55 ° C a +135 ° C. Ogni contatto può trasportare 3 A a 600 V CA a livello del mare. La resistenza di contatto è di 8 mΩ max. Valutati rispettivamente a 170 g e 11,33 g (6,0 once e 0,4 once), le forze di inserzione e di estrazione hanno un rapporto superiore a 10: 1.
Ciò è dovuto all'effetto di espansione e contrazione della gabbia. Questo contatto può essere utilizzato in applicazioni che richiedono un'impedenza differenziale controllata, con cablaggio corrispondente per un'elevata integrità del segnale. I test di sequenza binaria pseudo-casuale (PRBS) a una velocità di dati di 1,25 Gbps hanno dimostrato questa prestazione e le misurazioni della riflettometria nel dominio del tempo (TDR) hanno confermato un'impedenza differenziale di 100Ω.
Con una spaziatura di 1,0 mm (0,04 pollici), il contatto di compressione CIN :: APSE è valutato da 3 A a 6 A. Il dielettrico resiste a 500 V CC a livello del mare, la gamma di temperature di funzionamento è compresa tra -60 ° C e -105 ° C. Il livello di shock è di 100 G, con test di shock eseguiti per i clienti in determinate applicazioni che raggiungono i 22.000 G e può resistere a temperature fino a -200 ° C. La gamma di frequenza arriva fino a 50 GHz, mentre la perdita di inserzione è di -0,2 dB a 10 GHz e solo -1,2 dB a 20 GHz.
Alcune altre caratteristiche significative del design includono valori di crosstalk molto bassi tra i contatti, a meno di -25 dB. La perdita di ritorno è misurata come -19dB a 10 GHz e la resistenza di contatto è inferiore a 10 mΩ con un'induttanza inferiore a 0,5nH.
Figura 4: CIN :: APSEconnectors per asics,
interpositori e interpositori RF
Il contatto CIN :: APSE è disponibile con un'altezza di accoppiamento di 0,8 mm o 0,032 pollici, ma la lunghezza effettiva può essere estesa con varie opzioni di distanziatori e pistoni, che sono integrati nella lunghezza del contatto del connettore. In questo modo è possibile percorrere distanze fino a 25,4 mm (un pollice). Quando il contatto è incorporato tra due pistoni, è meccanicamente protetto contro i danni da manipolazione. La tecnologia funziona meglio quando viene utilizzato un sistema di compressione per fornire una pressione uniforme attraverso l'array di contatti. Ciò può essere ottenuto utilizzando una disposizione di piastre, molla e viti, come potrebbe essere usato per terminare un circuito flessibile su un PCB, o un tipico sistema LGA con un dissipatore di calore superiore e una piastra di supporto inferiore tra LGA e PCB. Sarebbe fissato con viti e molle ad arresto controllato con velocità definita per garantire una distribuzione uniforme della pressione.
Le versioni personalizzate dei layout dei contatti possono essere configurate in base alle esigenze dell'impronta del cliente insieme al design completo del sistema di compressione.
Poiché le dimensioni ridotte, l'alta densità e l'interconnessione affidabile nelle applicazioni moderne hanno sostituito i semplici connettori a frizione - che non sono chiaramente sufficienti per le attività correnti - una tecnologia di connettori dotata di un terminale multi-contatto può offrire prestazioni ottimali da CC a decine di GHz.
