Bílá kniha: Odolnost konektorů
Ať už v letectví a kosmonautice, v průmyslové automatizaci, v dopravě nebo ve zdravotnictví: konektory musí vždy zajistit spolehlivý přenos signálu a za žádných okolností nesmějí selhat. Zároveň jsou vystaveny řadě zátěží ze svého okolí: Mechanické vlivy, jako jsou nárazy, vibrace a kmitání, ohrožují stabilitu přenosu dat stejně jako tepelné a chemické vlivy prostředí způsobené extrémními teplotami, silnými teplotními výkyvy, škodlivými plyny, vlhkostí a nečistotami. Výrobci vysoce kvalitních konektorů proto využívají celou řadu možností, aby své konektory proti těmto vlivům ochránili.
Odolnost i přes miniaturizaci

Moderní elektrotechnika podléhá více než kdy jindy jednomu trendu: miniaturizaci. Moduly a jejich komponenty musí být nejen stále výkonnější, ale také stále menší. Přesto se často používají v náročných reálných podmínkách. Komponenty, stejně jako konektory, se proto při zachování stejného zatížení stávají stále jemnějšími. Kvalitní konektor však tomuto namáhání odolává nejen stejně dobře jako jeho starší a větší bratr, ale dokonce ještě lépe. Důvodem jsou pokroky ve složení materiálů i v designu produktu, například v geometrii izolačního tělesa (obr. 1).
Faktor vlivu: povrch

Na odolnost konektoru má vliv řada faktorů. Jedním z nich je povrch kontaktů. Ten má zásadní vliv na životnost konektoru, která se obvykle měří v počtu zapojovacích cyklů. Při provozu v terénu je konektor vystaven určitým mikropo pohyby. Ty vedou k oděru povrchu a v důsledku toho k tvorbě oxidu (obr. 2).
Důsledkem je zvýšený přechodový odpor a tím i horší kvalita přenosu signálu. Proto je třeba pomocí vysoce kvalitního a odolného povlaku kontaktů minimalizovat opotřebení povrchu při zasouvání i během provozu. K tomu musí mít jak nožový, tak pružinový kontakt odpovídající hladký povrch. Navzdory rostoucím cenám se zlato díky své odolnosti proti korozi a vynikající vodivosti dodnes ráda používá pro povrchové povlaky. Jelikož je čisté zlato měkké, leguje se s 0,2 až 0,3 procenty kobaltu nebo niklu, čímž se získává tvrdé zlato. Kdo však hledá cenově stabilnější alternativu k této struktuře vrstvy, může například sáhnout po slitině niklu a fosforu s povrchovou vrstvou zlata. V přesně stanovených poměrech vykazují tyto dva materiály v kombinaci pozitivní vlastnosti, které má i zlato: vysokou odolnost proti korozi, výraznou odolnost proti opotřebení a vynikající vodivost. Aby se zabránilo difúzi mezi kontaktním materiálem a povrchovou vrstvou, používá se často takzvaná niklová bariérová vrstva. Pomocí této bariéry lze zabránit korozi.
Faktor ovlivňující konstrukci kontaktů

Kontakty konektoru se vyrábějí lisováním nebo válcováním. Při lisování však na spodní straně lisovaného pásu vzniká nerovnoměrný povrch s ostrými hranami, který je viditelný pod mikroskopem. Běžné systémy se dotýkají právě této lisované hrany, což vede ke zvýšenému opotřebení povrchu a tím i k vyššímu přechodovému odporu. Tomu lze zabránit, pokud se pružinová tulipánová část v takzvaném procesu lisování a ohýbání ohnete o 90 stupňů, takže se hladkou, válcovanou plochou dotýká nožového kontaktu (obr. 3).
Pro dlouhou životnost konektoru je však rozhodující nejen konstrukce pružinové lišty, ale také konstrukce nožové lišty. I ta musí být totiž čistě vyražena a dále zpracována, aby se zabránilo vzniku poškozených, ostrých geometrií.
Pro dlouhou životnost konektoru je však rozhodující nejen konstrukce pružinové lišty, ale také konstrukce nožové lišty. I ta musí být totiž čistě vyražena a dále zpracována, aby se zabránilo vzniku poškozených, ostrých geometrií.
Faktor ovlivňující kontaktní systém

Klasické dvoudílné konektory mají nožový a pružinový kontakt. V případě silného nárazu se však nožová lišta může od pružinové lišty odtrhnout. Aby k takovému přerušení kontaktu nedošlo, lze pomocí oboustranné pružinové lišty zajistit redundanci a tím i bezpečnost kontaktu, protože díky druhé pružině je přenos signálu vždy zajištěn alespoň přes jeden kontaktní bod (obr. 4).

Ještě odolnější jsou naopak konektory s takzvaným „genderově neutrálním“ kontaktním systémem. Jejich zvláštností je identická geometrie kontaktů u obou polovin konektoru, tedy u zástrčky i zásuvky. Obě poloviny jsou tedy vybaveny jak pružinou, tak i nožovým kontaktem. Každý pin je tak v kontaktu se dvěma pružinami, přičemž zástrčka a zásuvka jsou vzájemně propletené a nemohou se od sebe oddělit. Zatímco oboustranná pružinová lišta při mechanickém namáhání vždy zajišťuje alespoň jeden kontaktní bod, propletené geometrie u genderově neutrálních kontaktních systémů zaručují, že přenos signálu vždy probíhá přes dva kontaktní body. Tato vysoká redundance tak umožňuje maximální bezpečnost kontaktu (obr. 5).

Co se týče odolnosti, tento genderově neutrální kontaktní systém překonávají pouze jednodílné konektory. Ty se zcela obejdou bez klasického dvoudílného principu kontaktu, který se skládá z nožové a pružinové lišty. Díky odstranění zranitelné kontaktní oblasti mají jednodílné konektory nejen nejvyšší odolnost proti nárazům, vibracím, vlhkosti, prachu a atmosférickým podmínkám, ale jsou také vhodné pro zalévání a další způsoby ochrany komponentů. V kombinaci s technologií lisování představují nejbezpečnější mechanické a elektrické spojení dvou desek plošných spojů (obr. 6).
Faktor ovlivňující připojovací techniku

Existuje několik způsobů, jak připevnit konektory na desky plošných spojů. Jedním z nich je již zmíněná technika lisování. Jejím cílem je dosáhnout co nejvyšší přilnavé síly mezi konektorem a deskou plošných spojů při co nejnižší síle potřebné k lisování. Udržovací síly rozhodují o mechanickém spojení, které musí odolávat nárazům a vibracím. Tato připojovací technika je miliardkrát osvědčený postup, při kterém se lisovací kolík vtlačí do průchozího otvoru v desce plošných spojů (obr. 7).

Zatlačovací kolík má přitom větší úhlopříčku než průměr otvoru v desce plošných spojů. Kolík konektoru je v oblasti zatlačování pružný, aby se deska plošných spojů při zatlačování nedeformovala v důsledku působení fyzikálních sil. Deformace se proto omezuje na zónu lisování (obr. 8). Mezi kontaktním kolíkem a pokoveným otvorem v desce plošných spojů vzniká studené svaření: plynotěsné, korozivzdorné, nízkoohmové a elektricky dobře vodivé mechanické spojení, které je vhodné i pro zalévání. Je navíc specifikována v normě DIN EN 60352-5 a zůstává kontaktně spolehlivá i při velmi vysokých mechanických a tepelných zatíženích, jako jsou vibrace, ohyb a silné teplotní změny, a vydrží dokonce i rázové zatížení až 200 g.
Díky svým vynikajícím vlastnostem z hlediska odolnosti a desetkrát lepší míře poruchovosti (FIT-Rate) než u automaticky pájených konektorů se technologie lisování často používá v aplikacích s vysokými bezpečnostními požadavky, kde nesmí dojít za žádných okolností k přerušení přenosu signálu, například v airbagových systémech nebo modulech ABS a ESP.
Díky svým vynikajícím vlastnostem z hlediska odolnosti a desetkrát lepší míře poruchovosti (FIT-Rate) než u automaticky pájených konektorů se technologie lisování často používá v aplikacích s vysokými bezpečnostními požadavky, kde nesmí dojít za žádných okolností k přerušení přenosu signálu, například v airbagových systémech nebo modulech ABS a ESP.

Technika lisování však není vždy vhodná, například pokud mají být desky plošných spojů osazeny z obou stran nebo pokud nelze dodržet minimální vzdálenost od součástek ve směru působení síly. Další možností, jak vytvořit spolehlivé a trvanlivé spojení mezi konektorem a deskou plošných spojů, je technologie povrchové montáže (SMT). Pomocí pájecí pasty se konektory připájejí na definované připojovací plochy desky plošných spojů, tzv. pájecí plošky. Teprve v takzvané reflow peci se pájka roztaví a následně vytvrdí. Pomocí SMT lze realizovat stabilní spoje mezi konektorem a deskou plošných spojů. K tomu však musí být splněna některá kritéria: Nejprve je třeba pro pájecí místo vyhovující normě IPC-A-610 dodržet správný poměr mezi pájecím výstupkem, pájecím bodem a pájecí pastou. Pouze tak vznikne vysoce kvalitní spoj, který umožňuje připojení podle třídy IPC 3, a je tedy vhodný pro použití ve vysoce výkonné elektronice. V této třídě musí být kdykoli vyloučeny výpadky v přenosu signálu. Optimální pájené spojení poznáte podle rovnoměrného vytvoření menisku. Kontakt musí být po obvodu obklopen pájecím meniskem, aby bylo dosaženo nejlepší přilnavosti k desce plošných spojů. (Obr. 9).
Koplanarita kontaktních nožiček je přitom předpokladem pro vynikající spojení. Jsou-li splněny všechny tyto předpoklady, je prokázáno, že konektory SMT vydrží mechanické zatížení až 400 N.
Faktor ovlivňující konstrukci izolačního tělesa

Geometrie izolačního tělesa konektoru navíc pomáhá chránit kontakty před poškozením během provozu nebo při instalaci. Měla by být navržena tak, aby citlivé kontakty uvnitř konektoru byly chráněny.
Pomocí zkosení lze navíc zabránit poškození při montáži. Pomáhají vyrovnat posun desek plošných spojů při zasunutí v jakémkoli směru. Díky dodatečné záchytné oblasti lze obě poloviny konektoru spojit bez poškození i v případě posunutí ve středu nebo v úhlu (obr. 10).
Pomocí zkosení lze navíc zabránit poškození při montáži. Pomáhají vyrovnat posun desek plošných spojů při zasunutí v jakémkoli směru. Díky dodatečné záchytné oblasti lze obě poloviny konektoru spojit bez poškození i v případě posunutí ve středu nebo v úhlu (obr. 10).

Některé konektory jsou navíc vybaveny upevňovacími prvky typu Boardlock. Jedná se o kovové úchyty, které jsou připevněny k izolačnímu tělesu a zároveň se připájejí na desku plošných spojů (obr. 11). Tím zajišťují dodatečnou stabilitu – i za nepříznivých podmínek, jako jsou vibrace a nárazy.
Faktor ovlivňující Rozsah tolerance

Rozsah tolerance konektoru hraje při posuzování jeho odolnosti rozhodující roli. Pokud konektor nedokáže vyrovnat dané tolerance, vedou mechanické pohyby k opotřebení nebo dokonce k poškození konektorového spojení. Při instalaci zde pomáhají zaváděcí zkosení, která umožňují bezproblémové zasunutí nožového a pružinového konektoru. Avšak i ve zapojeném stavu je třeba překlenout mikropohyby. Toho se dosahuje díky geometrii kontaktů a izolačních těles. Pokud má konektor funkci „floating“, může kompenzovat až ±0,4 mm i během provozu. Tato funkce nabývá na významu, protože hraje rozhodující roli při osazování desky plošných spojů více konektory. V terénu však vznikají zatížení nejen ve směru x a y, ale také ve směru z (obr. 12).

Zde vyvstává otázka bezpečnosti proti přesažení u konektoru. Ta popisuje oblast překrytí kontaktních a pružinových lišt a umožňuje tak nejen různé rozestupy na desce plošných spojů, ale – v závislosti na velikosti této oblasti – také rozsahy tolerancí (obr. 13).
Maximální vyrovnání tolerancí lze naopak dosáhnout pomocí kabelového propojení. Zde rozhoduje délka kabelu o tolerančním rozmezí konektorového spojení.
Maximální vyrovnání tolerancí lze naopak dosáhnout pomocí kabelového propojení. Zde rozhoduje délka kabelu o tolerančním rozmezí konektorového spojení.
Zkušební postup

K důkladnému otestování konektorů z hlediska jejich odolnosti existují různé zkušební postupy. Při tom se sledují proměnné, jako je dielektrická pevnost a kontaktní odpor, a to před i po zátěžové zkoušce, a vizuálně se kontroluje stav kontaktů. Tak lze například ověřit vliv 500 cyklů zasunutí na dielektrickou pevnost nebo v klimatickém testu zjistit, zda má několikahodinové vystavení nejprve teplotě -55 °C a následně 125 °C negativní vliv na kontaktní odpor konektoru. Při teplotním šokovém testu musí konektor vydržet 100krát rychlý přechod mezi těmito extrémními teplotami po dobu 30 minut. A také středové a úhlové posunutí při zasunutí, stejně jako rozsah tolerance ve zasunutém stavu, by neměly být ověřovány pouze teoreticky na CAD modelu, ale měly by být důkladně testovány v praxi a jejich odolnost empiricky potvrzena. Stejně důležité je, aby byly různé zkoušky, které jsou pro kontaktní plochu kritické, prováděny také v kombinaci, aby se simulovaly reálné podmínky. Tak by se například mohly provádět kombinované zkoušky zapojovacích cyklů a zkoušky s agresivními plyny, aby se zajistilo, že se výkon konektoru z hlediska kontaktního odporu a dielektrické pevnosti nezhoršil a že kontakty neutrpěly žádné poškození (obr. 14).
Váš design – vaše volba

V závislosti na požadavcích dané aplikace existují různá kritéria odolnosti, která musí konektor splňovat. Musí například kompenzovat velké tolerance? Je vystaven silným nárazům nebo vibracím? Používá se v prostředí s vysokými teplotami nebo nízkými teplotami? Nebo musí být připojovací řešení chráněno před vlhkostí, škodlivými plyny nebo nečistotami? Pokud se uživatel při výběru připojovacího řešení řídí těmito otázkami, může si být jistý, že jeho konektor je pro použití v terénu optimálně připraven.

