Integracja na poziomie systemu, PCB i układu scalonego jest jednym z najbardziej intrygujących zjawisk współczesnych projektów elektroniki.
Dzięki ściślejszej integracji wzrasta potrzeba bardziej fizycznych połączeń między komponentami, urządzeniami, płytami, panelami lub okablowaniem zewnętrznym. Niezawodne łączenie systemów elektronicznych jest głównym zadaniem, zwłaszcza jeśli chodzi o wymagające zastosowania w przemyśle lotniczym, wojskowym i przemysłowym.
W przyszłości autonomiczne samochody i bezzałogowe statki powietrzne będą wymagały nie tylko niezawodnych i trwałych połączeń, ale także kompaktowych i lekkich koncepcji konstrukcji mechanicznej. Pod względem wysokiej niezawodności złączy oryginalny okrągły bagnet zachowuje swoją niszę, ale w wielu zastosowaniach miniaturyzacja i kompaktowość wymagają mniejszych i lżejszych wersji złączy.
Istnieje rosnące zapotrzebowanie na systemy, które mogą działać w trudnych warunkach, co również przyczynia się do konstrukcji złączy, które są ograniczone do kilku gramów wagi. Lotnictwo jest być może najbardziej krytycznym zastosowaniem pod względem redukcji masy ciała. Jednym z przykładów jest program CubeSat tanich i lekkich mini-satelitów, zainaugurowany w 1999 roku przez Uniwersytet Stanforda. Są one zobowiązane do przenoszenia mas nie więcej niż 1,33 kg na 10cm3.
Proces selekcji
Złącza elektromechaniczne są coraz bardziej złożone, zgodnie z długą listą specyfikacji, takich jak obsługa prądu stałego, napięcie znamionowe, izolacja i rezystancja styku, utrata wstawiania z określoną częstotliwością, wzajemne rozmowy między przewodami, indukcyjność między przewodami, wzajemna pojemność oraz mechaniczne siły wstawiania i odstawiania.
Coraz większe znaczenie mają specyfikacje środowiskowe, takie jak temperatura pracy, wilgotność, wstrząsy, wibracje, wysokość i odporność na zwykłe chemikalia.
Projekt i produkcja złączy stała się zatem polem dla specjalistów z reputacją gwarantującą integralność sygnału i mocy produktów.
Jakie są wyzwania?
Aby sprostać wyzwaniom, przed którymi stoją teraz złącza mechaniczne, producenci montują wiele punktów styczności. Zapewnia to pewien stopień zgodności mechanicznej w celu zapewnienia, że określona niska odporność na kontakt i wartości indukcyjności są utrzymywane w warunkach odkształceń mechanicznych, wstrząsów i drgań.
Głównym problemem w konstrukcji złącza jest zapewnienie niezawodnego interfejsu mechanicznego z minimalną nieciągłością fizyczną i elektryczną. Złymi przykładami mogą być hotspoty DC lub niedopasowania impedancji AC lub straty w transmisjiach o wysokiej częstotliwości.
Historia projektowania złączy jest pełna prób pomysłowości, ale wraz z miniaturyzacją, integracją i równoczesnym zmniejszeniem wymiarów złączy na pierwszy ławę pojawiają się nowe wyzwania.
Styki sworznia skrętu są łatwe do podłączenia i odłączenia
Proste rozwiązanie do sygnalizacji niskiej częstotliwości i zastosowań w zakresie przesyłu mocy znajduje się w technologii skrętki oferowanej przez Cinch. Występuje w wielu stylach serii Dura-Con (Rysunek 1).
Chodzi o to, aby połączyć siedem pasm pozłacanego drutu berylu-miedzianego, spawać je na czubku i mechanicznie rozszerzać je, tworząc klatkę z siedmioma punktami kontaktu dostępnymi na obrzeżach żeńskiego sworznia współpracującego.Ta konstrukcja skrętka jest używana w prostokątnym złączu Dura-Con i Micro-D (MIL-DTL-83513). Skonfigurowany jako złącze taśmowe o minimalnej przestrzeni i masie, Micro-D (Rysunek 2) tworzy do 60 połączeń liniowych o skoku do 1,27 mm. Proces wstawiania rozszerza klatkę o dodatnie działanie "wycierania". Umowy o odstąpienie od umowy, więc siła wycofania pozostaje niska. Minimalizuje to również naprężenie mechaniczne okablowania złącza.
Innym rozwiązaniem jest technologia kompresji o nazwie CIN::APSE (Rysunek 3). Jest to kontynuacja idei zapewnienia wielu połączeń poprzez dyskretny pakiet pozłacanych przewodów molibdenu, które są losowo powiązane. Oznacza to, że na każdym końcu znajduje się od siedmiu do 11 punktów styczności, które są wykonane przez dotknięcie podkładki ścierającej na sztywnej lub elastycznej płytce drukowanej lub urządzeniu półprzewodnikowym.
Wiązka jest włożona do opatentowanego otworu w kształcie klepsydry w izolacyjnym korpusie złącza polimerowego ciekłokrystalicznego. Aplikacje docelowe obejmują interfejsy łączników między PCB lub PCB do urządzeń macierzy siatki (LGA) (takich jak asics i procesory). Liczba pinów we/wy może przekroczyć 7000 przy skoku do 1,0 mm.
Styki Dura-Con Twist-Pin są o temperaturze od -55°C do +135°C. Każdy kontakt może przenosić 3A przy 600V AC na poziomie morza. Rezystancja styku wynosi maks. Oceniane na 170g i 11.33g (6.0-uncji i 0.4-uncji) maksimum odpowiednio, siły wstawiania i wycofania mają stosunek ponad 10:1.
Wynika to z rozszerzenia i skurczu klatki. Ten styk może być stosowany w aplikacjach wymagających kontrolowanej impedancji różnicowej, z pasującym okablowaniem dla wysokiej integralności sygnału. Testy pseudolosowej sekwencji binarnej (PRBS) z szybkością transmisji danych 1,25 Gb/s dowiodły tej wydajności, a pomiary odblaskowe domeny czasowej (TDR) potwierdziły impedancję różnicową 100Ω.
Przy odstępach 1,0 mm (0,04 cala) styk kompresji CIN::APSE jest znamionowy od 3A do 6A. Dielektryk wytrzymuje 500V DC na poziomie morza, zakres temperatur pracy wynosi od -60°C do +105°C. Ocena wstrząsów wynosi 100G, a testy udarowe wykonywane są dla klientów w niektórych zastosowaniach osiągając 22 000 G i mogą wytrzymać temperatury nawet -200°C. Zakres częstotliwości osiąga do 50GHz, podczas gdy utrata wstawiania wynosi -0,2dB przy 10GHz i tylko -1,2dB przy 20GHz.
Niektóre inne istotne cechy projektu obejmują bardzo niskie wartości przesłuchów między stykami, przy mniej niż -25dB. Strata zwrotu jest mierzona jako -19dB przy 10GHz, a rezystancja styku jest mniejsza niż 10mΩ przy indukcyjności mniejszej niż 0,5nH.
Rysunek 4: CIN::Złącza APSE dla asiki,
interposers i interposers RF
Styk CIN::APSE jest dostępny z krytą wysokością 0,8 mm lub 0,032 cala, ale efektywną długość można rozszerzyć o różne opcje tulejek dystansowych i tłoków, które są zintegrowane z długością styku złącza. W ten sposób można rozłączyć odległości do 25,4 mm (jeden cal). Gdy styk jest osadzony między dwoma tłoczerniami, jest mechanicznie zabezpieczony przed uszkodzeniem. Technologia ta działa najlepiej, gdy system kompresji jest używany do zapewnienia jednolitego ciśnienia w całej tablicy stykowej. Można to osiągnąć za pomocą układu płyt, sprężyn i śrub, które mogą być wykorzystane do zakończenia elastycznego obwodu do PCB, lub typowego systemu LGA z górnym radiatorem i dolną płytą wzmacniającą między LGA a PCB. Byłoby to zamocowane za pomocą śrub i sprężyn o kontrolowanym zatrzymaniu o określonej szybkości, aby zapewnić równomierny rozkład ciśnienia.
Niestandardowe wersje układów kontaktów można skonfigurować zgodnie z wymaganiami klientów w zakresie footprintów wraz z kompletną konstrukcją systemu kompresji.
Ponieważ niewielkie rozmiary, wysoka gęstość i niezawodne połączenia we współczesnych zastosowaniach zastąpiły proste złącza z dopasowaniem do tarcia , które wyraźnie nie są wystarczające do bieżących zadań , technologia złącza wyposażona w wielostykowy terminal może zapewnić optymalną wydajność od DC do kilkudziesięciu GHz.
