Integratie op systeem-, PCB- en geïntegreerde circuitniveau is een van de meest intrigerende fenomenen van de hedendaagse elektronica-ontwerpen.
Met een strakkere integratie neemt de behoefte aan meer fysieke verbindingen tussen componenten, apparaten, borden, panelen of externe bekabeling toe. Het op betrouwbare wijze met elkaar verbinden van elektronische systemen is een grote taak, vooral als het gaat om veeleisende toepassingen in de ruimtevaart, militaire en industriële toepassingen.
In de toekomst zullen autonome auto's en onbemande luchtvaartuigen niet alleen betrouwbare en duurzame verbindingen vereisen, maar ook compacte en lichtgewicht concepten voor mechanisch ontwerp. In termen van zeer betrouwbare connectoren behoudt de originele ronde bajonet zijn nis, maar in veel toepassingen vragen miniaturisatie en compactheid kleinere en lichtere versies van connectoren.
Er is een groeiende behoefte aan systemen die kunnen werken in ruwe omgevingen, wat ook bijdraagt aan connectorontwerpen die beperkt zijn tot een paar gram in gewicht. Luchtvaart is misschien wel de meest kritische toepassing wat betreft gewichtsvermindering. Een voorbeeld is het CubeSat-programma van goedkope en lichtgewicht minisatellieten, dat in 1999 werd ingewijd door Stanford University. Ze moeten een massa dragen van niet meer dan 1,33 kg per 10 cm3.
Het selectieproces
Elektromechanische connectoren worden steeds complexer en voldoen aan een lange lijst met specificaties zoals gelijkstroombehandeling, spanningswaarde, isolatie en contactweerstand, invoegverlies bij een gespecificeerde frequentie, overspraak tussen geleiders, inductantie tussen geleiders, wederzijdse capaciteit en mechanische invoeging en terugtrekkrachten.
Van toenemend belang zijn omgevingsspecificaties zoals bedrijfstemperatuur, vochtigheid, schokken, trillingen, hoogte en weerstand tegen gewone chemicaliën.
Het ontwerp en de fabricage van connectoren is daarom uitgegroeid tot een veld voor specialisten met een reputatie voor het garanderen van de signaal- en stroomintegriteit van producten.
Wat zijn de uitdagingen?
Om de uitdagingen te overwinnen waarmee mechanische connectoren nu worden geconfronteerd, passen fabrikanten meerdere contactpunten toe. Dit zorgt voor een zekere mate van mechanische conformiteit om ervoor te zorgen dat de gespecificeerde lage contactweerstands- en inductantiewaarden worden gehandhaafd onder omstandigheden van mechanische vervorming, schokken en trillingen.
Van primair belang bij het ontwerp van een connector is het verschaffen van een betrouwbare mechanische interface met een minimum aan fysieke en elektrische discontinuïteit. Slechte voorbeelden zijn DC-hotspots of niet-overeenkomende AC-impedantie of verliezen bij hoogfrequente transmissies.
De geschiedenis van connectorontwerp zit vol met pogingen tot vindingrijkheid, maar naarmate miniaturisatie, integratie en de gelijktijdige vermindering van de afmetingen van de connectoren voortduren, komen er nieuwe uitdagingen naar voren.
Twist pin contacten zijn eenvoudig in te pluggen en los te koppelen
Een eenvoudige oplossing voor toepassingen voor laagfrequente signalering en krachtoverbrenging is te vinden in de twist-pin-technologie van Cinch. Het komt in veel stijlen van de Dura-Con-serie (Figuur 1).
Het idee is om zeven strengen verguld beryllium-koperdraad te bundelen, ze aan de punt te lassen en ze mechanisch uit te breiden tot een kooi met zeven contactpunten die beschikbaar zijn binnen de omtrek van een parende vrouwelijke pin.Dit twist-pin ontwerp wordt gebruikt in de rechthoekige Dura-Con-connector en de Micro-D (MIL ‑ DTL-83513). Geconfigureerd als een stripconnector met minimale ruimte en gewicht, creëert de Micro-D (Figuur 2) tot 60 in-line verbindingen met een pitch tot 1,27 mm. Het inbrengproces breidt de kooi uit met een positieve 'veeg'-actie. Intrekking trekt de kooi samen, zodat de terugtrekkracht laag blijft. Dit minimaliseert ook de mechanische belasting van de bedrading naar de connector.
Een andere oplossing is een compressietechnologie genaamd CIN :: APSE (Figuur 3). Het is een voortzetting van het idee om meerdere verbindingen te bieden via een discrete bundel van vergulde molybdeendraden, die willekeurig zijn gebundeld. Dit betekent dat er aan elk uiteinde zeven tot elf contactpunten zijn, gemaakt door een bijpassende pad op een stijve of flexibele printplaat of halfgeleiderinrichting aan te raken.
De bundel wordt in een gepatenteerde zandlopervormige opening in het isolerende vloeibaar-kristal polymeer connectorlichaam gestoken. Doeltoepassingen omvatten connectorinterfaces tussen PCB's of PCB to Land Grid Array (LGA) -apparaten (zoals ASICS en CPU's). Het aantal I / O-pinnen kan meer dan 7.000 bedragen bij een pitch tot 1,0 mm.
De Dura-Con Twist-Pin-contacten hebben een temperatuurbereik van -55 ° C tot +135 ° C. Elk contact kan 3A bij 600V AC op zeeniveau dragen. De contactweerstand is max. 8 mΩ. De invoeg- en terugtrekkrachten hebben een nominaal vermogen van respectievelijk 170 g en 11,33 g (6,0 ounce en 0,4 ounce) en hebben een verhouding van meer dan 10: 1.
Dit komt door het uitzetting- en samentrekkingseffect van de kooi. Dit contact kan worden gebruikt in toepassingen die een gecontroleerde differentiële impedantie vereisen, met bijpassende bekabeling voor een hoge signaalintegriteit. Pseudo-willekeurige binaire sequentie-tests (PRBS) met een datasnelheid van 1,25 Gbps hebben deze prestatie bewezen, en tijddomein-reflectometrie (TDR) -metingen hebben een differentiële impedantie van 100 Ω bevestigd.
Bij een afstand van 1,0 mm (0,04 inch) heeft het CIN :: APSE-compressiecontact een waarde van 3 A tot 6 A. Het diëlektricum is bestand tegen 500 V DC op zeeniveau, het bedrijfstemperatuurbereik is -60 ° C tot +105 ° C. De schokbestendigheid is 100G, waarbij schoktests zijn uitgevoerd voor klanten in bepaalde toepassingen van 22.000G en bestand zijn tegen temperaturen tot -200 ° C. Het frequentiebereik reikt tot 50 GHz, terwijl het invoegverlies -0,2 dB is bij 10 GHz en slechts -1,2 dB bij 20 GHz.
Enkele andere belangrijke kenmerken van het ontwerp zijn zeer lage overspraakwaarden tussen contacten, op minder dan -25dB. Het retourverlies wordt gemeten als -19 dB bij 10 GHz en de contactweerstand is minder dan 10 mΩ met een inductantie van minder dan 0,5 nH.
Figuur 4: CIN :: APSEconnectors voor asics,
interposers en RF-interposers
Het CIN :: APSE-contact is verkrijgbaar met een passende hoogte van 0,8 mm of 0,032-inch, maar de effectieve lengte kan worden uitgebreid met verschillende opties van afstandhouders en plunjers, die in de lengte van het connectorcontact zijn geïntegreerd. Op deze manier kunnen afstanden tot 25,4 mm (één inch) worden overbrugd. Wanneer het contact is ingebed tussen twee plunjers, is het mechanisch beschermd tegen schade tijdens het hanteren. De technologie presteert het beste wanneer een compressiesysteem wordt gebruikt om een uniforme druk over de contactreeks te bieden. Dit kan worden bereikt met behulp van een opstelling van platen, veer en schroeven, zoals kan worden gebruikt voor het beëindigen van een flexibel circuit naar een PCB, of een typisch LGA-systeem met een bovenste koellichaam en onderste steunplaat tussen de LGA en de PCB. Het zou worden bevestigd met schroeven met gecontroleerde stop en veren met een gedefinieerde snelheid voor een gelijkmatige drukverdeling.
Aangepaste versies van de contactlay-outs kunnen worden geconfigureerd naar de wensen van de klant, samen met het volledige ontwerp van het compressiesysteem.
Omdat kleine afmetingen, hoge dichtheid en betrouwbare interconnectie in moderne toepassingen eenvoudige wrijving-fit connectoren hebben vervangen - die duidelijk niet voldoende zijn voor huidige taken - kan een connectortechnologie uitgerust met een multi-contact terminal optimale prestaties leveren van DC tot tientallen GHz.
