Bílá kniha: Odolnost konektorů
Ať už v letectví aletectví a kosmonautika, v průmyslové automatizaci, v dopravě nebo ve zdravotnictví: konektory musí vždy zajistit spolehlivý přenos signálu a za žádných okolností nesmějí selhat. Zároveň jsou přitom vystaveny řadě zátěží ze strany 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 konektor proto využívají celou řadu možností, aby své konektory proti těmto zátěžím ochránili.
Odolnost i přes miniaturizaci

Moderní elektrotechnika podléhá více než kdy jindy jednomu trendu: miniaturizaci. Sestavy a jejich komponenty musí být nejen stále výkonnější, ale také stále menší. Přesto se často používají v drsných reálných podmínkách. Součástky i konektkonektor se proto při stejném 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 konstrukci výrobku, například v geometrii izolačního tělesa (obr. 1).
Faktor vlivu: povrch

Na odolnost konektoru má vliv celá řada faktorů. Jedním z nich je kontaktní plocha (povrch kontaktu). Ta zásadním způsobem určuje životnost konektoru, která se obvykle měří v počtu zasunovacích cyklů (cyklus zasunutí). Při provozu v terénu je konektor vystaven určitým mikrokonektor. Ty vedou k oděru povrchu a v důsledku toho k tvorbě oxidu (obr. 2).
Důsledkem je zvýšený přechodový odpor (přechodový odpor) a tím i horší kvalita přenosu signálu. Proto je třeba pomocí vysoce kvalitní a odolné povrchová úprava kontaktu (kontaktního povlaku) snížit opotřebení povrchu při zasouvání i během provozu na minimum. K tomu musí mít jak nožový, tak pružinový dutinkový kontakt (dutinkový 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 0,2 až 0,3 procenta kobaltu nebo niklu, čímž se získává takzvané „tvrdé zlato“ (tvrdé zlato). Kdo však hledá cenově stabilnější alternativu k této struktuře vrstvy, může například sáhnout po slitině niklu a fosforu s povrchovou úpravou „zlatý flash“. V přesně stanovených poměrech vykazují tyto dva materiály stejné pozitivní vlastnosti jako zlato: vysokou odolnost proti korozi, výraznou odolnost proti opotřebení a vynikající vodivost. Aby se zabránilo difúzi mezi kontaktním materiálem a povrchovou vrstvou, často se používá takzvaná niklová bariérová vrstva. Pomocí této bariéry lze zabránit korozi.
Faktor ovlivňující konstrukci kontaktů

Kontakty konektoru se vyrábějí lisováním nebo soustružením. Při lisování (lisování) však na spodní straně lisovaného pásu vzniká nerovnoměrný povrch s ostrými hranami, který je viditelný pod mikroskopem. Tradiční systémy navazují kontakt právě na této „střižná hrana“, což vede ke zvýšenému oděru povrchu a tím i k vyššímu přechodový odpor. Tomu lze zabránit, pokud se pružinová tulipánová část v takzvaném procesu lisování a ohýbání ohnete o 90 stupňů, takže se hladkou, válcovanou plochou dotýká „nožový kontakt“ (obr. 3).
Pro dlouhou životnost konektoru je však rozhodující nejen konstrukce pružinové lišty (zásuvková lišta), ale také konstrukce nožové lišty (nožová lišta). I ta musí být totiž čistě lisována a dále zpracována, aby se zabránilo vzniku poškozených, ostrých hran.
Pro dlouhou životnost konektoru je však rozhodující nejen konstrukce pružinové lišty (zásuvková lišta), ale také konstrukce nožové lišty (nožová lišta). I ta musí být totiž čistě lisována a dále zpracována, aby se zabránilo vzniku poškozených, ostrých hran.
Faktor ovlivňující kontaktní systém

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

Ještě robustnější jsou naproti tomu konektory (konektor) s takzvaným „hermafroditním“ kontaktním systémem. Jejich zvláštností je identická geometrie kontaktů obou polovin konektoru, zástrčky (Plug) a zásuvky (Socket). Obě tedy disponují jak pružinou, tak nožem. Každý pin je tak kontaktován dvěma pružinami, přičemž zástrčka a zásuvka jsou vzájemně propleteny a nemohou se od sebe oddělit. Zatímco oboustranná lišta s pružinami (zásuvková 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 spolehlivost kontaktu (obr. 5).

Z hlediska odolnosti je tento hermafroditní kontaktní systém překonán pouze jednodílnými konektory. Ty se přitom zcela obejdou bez klasického dvoudílného kontaktního principu založeného na nožové a pružinové liště (zásuvková lišta). Díky odstranění zranitelné kontaktní oblasti mají jednodílné konektor nejen nejvyšší odolnost proti nárazům, vibracím, vlhkosti, prachu a povětrnostním vlivům, ale jsou také vhodné pro zalévání (zalévání) a další způsoby ochrany komponentů. V kombinaci s lisovací technikou (technologie press-fit) představují nejbezpečnější mechanické a elektrické spojení dvou desek plošných spojů (obr. 6).
Vlivný faktor: technika připojení

Existují různé možnosti, jak připevnit konektory (konektor) na desky plošných spojů. Jednou z nich je již zmíněná lisovací technika (technologie press-fit). Jejím cílem je dosáhnout co nejvyšších přídržných sil mezi konektorem a deskou plošných spojů při co nejnižší lisovací síle (zalisovací síla). Přídržné síly rozhodují o mechanickém spojení, které musí odolávat nárazům a vibracím. Tato technika připojení je miliardykrát osvědčený postup, při kterém se vtlačovací kolík (zalisovací kolík) vtlačí do prokovený otvor v desce plošných spojů (obr. 7).

zalisovací kolík má přitom větší úhlopříčku než průměr otvoru v desce plošných spojů. Kolík konektoru je v zalisovací zóna ohebný, aby se deska plošných spojů při lisování nedeformovala vlivem fyzikálních sil. Deformace se proto omezuje na zalisovací zóna (obr. 8). Mezi kontaktní kolík a pokoveným otvorem v desce plošných spojů vzniká svařování za studena: plynotěsné, korozivzdorné, nízkoohmové a elektricky dobře vodivé mechanické spojení, které je vhodné i pro zalévání. Toto spojení je navíc specifikováno v normě DIN EN 60352-5 a zachovává si spolehlivý kontakt i při velmi vysokých mechanických a tepelných namáháních, jako jsou vibrace, ohyb a prudké teplotní změny, a odolává dokonce i rázovým zatížením až do 200 g.
Díky svým vynikajícím vlastnostem z hlediska odolnosti a desetkrát lepší elektrické propustnosti ( intenzita poruch ) (hodnota FIT) než u automaticky pájených spojů konektor se konektor technologie press-fit často používá v aplikacích s vysokými bezpečnostními požadavky, kde nesmí dojít za žádných okolností k přerušení přenosu signálu, například v systémech airbagů nebo modulech ABS a ESP.
Díky svým vynikajícím vlastnostem z hlediska odolnosti a desetkrát lepší elektrické propustnosti ( intenzita poruch ) (hodnota FIT) než u automaticky pájených spojů konektor se konektor technologie press-fit často používá v aplikacích s vysokými bezpečnostními požadavky, kde nesmí dojít za žádných okolností k přerušení přenosu signálu, například v systémech airbagů nebo modulech ABS a ESP.

Technika lisování (technologie press-fit) 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 (konektor) a deskou plošných spojů, je pak technologie povrchové montáže (SMT). Pomocí pájecí pasty (pájecí pasta) se při tom konektor připájejí na definované plôšky desky plošných spojů, tzv. pájecí plôšky (pájecí plôšky). Teprve v takzvaném reflow peci (přetavovací pec) 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 pájený spoj vyhovující normě IPC-A-610 dodržet správný poměr mezi vývod SMT, pájecí plôška a pájecí pasta. 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 poruchy v přenosu signálu. Optimální pájený spoj poznáte podle rovnoměrného vytvoření menisku. Kontakt musí být po celém obvodu obklopen pájecím meniskem, aby bylo dosaženo nejlepších přídržných sil na desce plošných spojů. (Obr. 9).
Koplanarita kontaktních nožiček je přitom předpokladem pro vynikající spojení. Jsou-li splněny všechny tyto předpoklady, mohou SMT konektory prokazatelně odolat mechanickému zatížení až do 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 konektor navíc disponují tzv. „boardlocky“. Jedná se o kovové úchyty, které jsou připevněny k izolační těleso a rovněž 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 rozhodující roli při posuzování jeho odolnosti. 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 nožových a pružinových lišt (zásuvková lišta). Avšak i ve zapojeném stavu je třeba vyrovnat mikropohyby. Toho se dosahuje díky geometrii kontaktů a izolačních těles. Pokud má konektor (konektor) funkci „plovoucí uložení“, dokáže i během provozu vyrovnat posuny až do ±0,4 mm. 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 „efektivní délka zasunutí“ (bezpečnosti proti zasunutí) konektoru. Ta popisuje oblast překrytí nožové a pružinové lišty (zásuvková lišta) a umožňuje tak nejen různé vzdálenosti mezi deskami plošných spojů, ale – v závislosti na velikosti této oblasti – také rozsahy tolerancí (obr. 13).
Maximální vyrovnání tolerancí lze naopak dosáhnout pomocí kabelového propojení. Zde délka kabelu určuje rozsah tolerance konektorového spojení.
Maximální vyrovnání tolerancí lze naopak dosáhnout pomocí kabelového propojení. Zde délka kabelu určuje rozsah tolerance konektorového spojení.
Zkušební postup

K důkladnému testování konektorů (konektor) z hlediska jejich odolnosti existují různé zkušební postupy. Při tom se sledují proměnné, jako je elektrická pevnost a přechodový odpor, a to vždy před a po zátěžové zkoušce, a stav kontaktů se vizuálně kontroluje. Lze tak například ověřit vliv 500 cyklus zasunutí na elektrická pevnost nebo v klimatické zkoušce zjistit, zda má několikahodinové vystavení nejprve teplotě -55 °C a následně 125 °C negativní vliv na přechodový odpor konektoru. Při teplotním šokovém testu musí konektor vydržet 100krát rychlý přechod mezi těmito extrémními teplotami, vždy po dobu 30 minut. A také středové a úhlové posuny (úhlové přesazení) 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 se různé zkoušky, které jsou pro kontaktní plochy (povrch kontaktu) kritické, prováděly také v kombinaci, aby se simulovaly reálné podmínky. Tak by se například mohly provádět kombinované zkoušky zasouvacích cyklů (cyklus zasunutí-) a zkoušky ve směsi korozních plynů (Schadgas), aby se zajistilo, že se výkon konektoru z hlediska přechodového odporu (přechodový odpor) a napěťové pevnosti (elektrická pevnost) nezhoršil a že kontakty neutrpěly žádné poškození (obr. 14).
Váš design – vaše volba

V závislosti na požadavcích dané aplikace se uplatňují různá kritéria odolnosti, která musí konektor (konektor) splňovat. Musí například kompenzovat vysoké tolerance? Je vystaven velkým 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.

