תכנון של מגע חד-אלומה בעל ביצועים איכותיים עבור יישומים תובעניים ובעלי חיים ארוכים בשוקי התעשייה והתקשורת האלחוטית

Jan Broeksteeg,Tyco Electronics

עבור יישומים ארוכי חיים (טלקום) ותובעניים (תעשייה), מערכות מגעים מתוכננות לעתים קרובות בעזרת קפיצי מגע מפולגים או בעלי אלומה כפולה. דבר זה מקנה הדירות למחבר. השוק דורש גם צפיפות עולה ואיכות העברת אותות משופרת. במקרים מסוימים דברים אלה נמצאים בסתירה. תכנון מחברים חדש ומהפכני פותר סתירה זו.
Tyco Electronics השיקה תכנית מחברים כרטיס לכרטיס במשפחת המוצרים Z-PACK. המוצר החדש מכונה Z-PACK Slim UHD והוא זמין עבור יישומים עד מהירות אותות של 20Gbps . מאמר זה מתאר את הפתרונות בתכנון מכני של מחברים המרוכזים מסביב לממשק המגעים. ראה איור 1. תאור מלא ומעודכן של תכנית המחבר ניתן למצוא ב-www.zpackuhd.com או באמצעות יצירת קשר עם נציג Tyco המקומי.
התפתחות מחברי הטלקום
כדי להבין טוב יותר את תוכן מאמר זה, דרושה תמצית קצרה של התפתחות המחבר במהלך העשור האחרון.
ראשית, ההגדרה של מחבר בעל שני חלקים כמיוחס במאמר זה [1]:
לפי הפונקציה, מחבר מספק חיבור נתיק בין שני מרכיבים של מערכת אלקטרונית ללא עיוות אותות או הפסד הספק בלתי-מקובלים.
לפי המבנה, כל מחבר כרטיס לכרטיס מכיל שני ממשקים קבועים אל הכרטיסים, קפיצי המגע בכל מחצית המחבר, הממשק הניתן להפרדה ובתי המחבר.
בשנות ה-1970 הושקו מחברי כרטיס לכרטיס משני חלקים, סמוך למחברי קצה הכרטיס (חלק אחד) והם הפכו לנפוצים עבור יישומי כרטיס לכרטיס. תקני תעשייה שונים מבוססים על מחברים בעלי שני חלקים. מחבר בעל שני חלקים מורכב לרוב מסוג מחברים זכר ונקבה. כל אחד מהם ניתן להציב על לוח-הבת. גם יישומים קופלנריים ומזאנין (לוחות-בנות) הופיעו, אולם הסבר מפורט עליהם חורג ממטרת מאמר זה.
מחבר טיפוסי כרטים לכרטיס בעל שני חלקים מוצג באיור 2.
כוח מגע רגיל המועדף היה >100 cN עבור ציפוי מגעים אציל כגון Au מעל Nickel. היישום היה במסדים המכונים 19 אינטש, בהם אחד או שני מחברי 96 מצבים הוכנסו בו-זמנית. כוח שילוב גבוה, המיוחס ישירות לכוח הרגיל, לא היווה בעיה.
בשנות ה-1980 המאוחרות נוצרו יותר ויותר גיוונים למחברים המקוריים 96 מצבים DIN/Eurocard. הופיעו גרסאות בעלות 128 מגעים (4 שורות), גרסאות מוגדלות וגרסאות מסוככות.
הצפיפות העולה חייבה שיקול מחדש של כוחות השילוב והניתוק ואיתם גם כוח המגע הרגיל, מאחר שהם קשורים ישירות. דרישות גנריות חדשות הוגדרו עבור מחברים חשמליים הניתנים להפרדה המשמשים בחומרת טלקומוניקציה. את המחברים בעלי כוחות מגע רגילים מתחת ל 100cN היה צורך לאשרר לפי דרישות חדשות אלה.
דוגמאות מוקדמות ניתן למצוא במשפחת המחברים Z-PACK של Tyco Electronics, כגון  מחברי Z-PACK 2mm HM ו-ZPACK FB.
עיקרון המגעים המשמשים לרוב כמתואר באיור 2 ואיור 3 (משמאל) מכונה “אלומה כפולה” מאחר שכוח המגע הרגיל נבנה בין שני חצאי מגע מתכתיים ויש להביא בחשבון רק שינויים פלסטיים וההצבה הקבועה של אלומות המגע המתכתיות. בהתפתחות לכיוון מהירות וצפיפות גבוהות יותר, עיקרון זה עדיין תקף, אולם בקנה מידה קטן יותר ובכוחות רגילים של מגעים נמוכים יותר.
מאז השקת סוגי מחברים אלה בשנות ה-1990, הצפיפות ומהירות העברת האותות עלו עוד יותר, והפיקו מוצרים כגון ה-Z-PACK Slim UHD .
כעת קשה להגשים  את עיקרון המגע בעל אלומה כפולה מסיבות שונות:
א.העברת אותות במהירות גבוהה. הדרישות החשמליות עבור המגעים אינן מוגבלות עוד למוליכות בלבד. ערב-דיבור, עכבה אופיינית, כשל סנכרון (skew) וניחות הפכו למשתנים קריטיים. הביצועים החשמליים של סוגי מחברים אלה נקבעים על-ידי פרמטרים מכניים כגון תכונות החומר, מרחקים בין המוליכים והדיאלקטרי, אילוצי המעגל המודפס, דרישות ממדים וניתוב האותות על הכרטיס.
ב.צפיפות. עיקרון מגע בעל אלומה כפולה עשוי להפוך לגורם מגביל למזעור פסיעת המגע לפחות בציר אחד.
כתוצאה מכך, אלומות קפיץ מפוצלות, כמו באיור 3, הופכות לנפוצות בסוגי המחברים של טלקום ומחשבים. כדי לשמור על עיקרון של שתי נקודות מגע בכל מגע, אלומות יחידות אלו מפוצלות לאורך לעתים קרובות, ויוצרות אלומה מפוצלת יחידה. הכוח הרגיל של המגע מוקטן הלאה, רך אם ממשק המגע מתוכנן היטב וגיאומטריית המגע מוגדרת היטב, ההקטנה של כוח המגע הרגיל ניתן לקיזוז.
מגעי אלומה כפולה ומגעים מפוצלים נקראים לעתים קרובות עקרונות מגע הדירים, בשל הממשקים בעלי שני מגעים שלהם. כוחות מגע רגילים צריכים להישאר ברמה סבירה במהלך מחזור החיים של המוצר.

דרישות עבור המחבר Z-PACK Slim UHD
(נבחרו מרשימה ארוכה יותר, אולם מיוחסות לממשק המגעים).
-אין זוגות דיפרנציאליים מוגדרים מראש, על-פי התכנון. הצבת זוגות דיפרנציאליים מוגדרת על-ידי הממדים של כרטיס המעגל המודפס.
-משיגים 384 מגעים באורך כרטיס של עד 70 ממ’.
-גובה המחבר צריך לאפשר מרווח כרטיס של 15 ממ’, אולם גובה המחבר הנמדד מצד הרכיבים של הכרטיס לא יעלה על 7.85 ממ’.
-טמפרטורת עבודה מ-550C- עד 1050C.
-בעת החיבור והפירוק יש לקבל הטיה של 10 ואי-כיוון של 1 ממ’.

הרעיון
כדי להשיג את 384 המגעים בפחות מ-70 ממ’ אורך כרטיס ולמלא אחר המשימות החשמליות והממדיות האחרות נבנה מודול מחבר המציע 96 מצבים. מחבר בעל 384 מגעים נבנה על-ידי צירוף קצה-לקצה של 4 מודולים. האורך הכולל של מחבר זה הוא 69.5 ממ’.
דרישות חשמליות הגבילו את בחירת החומרים עבור הבתים. היה גם הכרחי להגביל את כמות האוויר במחבר. הקבוע הדיאלקטרי של(LCP) Liquid Cristal Polymer ממולא זכוכית היה אידיאלי עבור המשימה. הרעיון מגביל את כמות האוויר במחבר באורכים המלאים של המגעים החשמליים, הן עבור המחבר הזכר והן הנקבה. הדבר מעניק למחבר מראה איתן ביותר. פינים זכריים ומגעי נקבה מוגנים כמעט במלואם על-ידי חומר LCP קשוח.
המודול המחובר בעל ממדים כלליים של רק 27.30 x 17.30 x 12.55 ממ’ (עומק x רוחבx  גובה) מארח 96 מגעים. ראה איור 4. אולם, בשל אילוצים חשמליים ושל צפיפות, אלומה כפולה ועקרונות מגעים מפוצלים אינם מועדפים עבור תכנון זה. למחברZ-PACK Slim UHD   יש קפיץ מגעים לא-מפוצל יחיד.

האתגר
הבחירה שלנו של 96 מגעים למודול הובילה להשוואה עם מחברי 96 מצבים DIN 41612/IEC 60603.2 Eurocard. מחברים אלה נוצרו בשנות השבעים המוקדמות של המאה שעברה והם עדיין בשימוש כיום ביישומי טלקום ותעשייה.
בעוד הביצועים החשמליים הקיצוניים של מחבר Z-PACK Slim UHD מוערכים על-ידי לקוחות של טלקום, הצפיפות והאיתנות הקיצונית צוינה על-ידי לקוחות שאינם מבקשים חיבורים הדדיים מהירים במיוחד. עבור יישומים אלה, השאלה היא:
האם המחבר הוא כה איתן כפי שהוא נראה? כיצד מתנהג מחבר זה בתנאי מערכת קשים?
כדי לענות לשאלות אלו עלינו לסקור בצורה ביקורתית את כל היבטי המחבר ביחס לסוגי כשל אפשריים.

סוגי כשל.
סוגי הכשל מתחלקים בד”כ לסוגי כשל פנימיים וחיצוניים [1]
סוגי כשל פנימיים: נקבעים על-ידי חומרים, גיאומטריה והחלטות תכנון.
עבור ממשק המגעים, איבוד הכוח הרגיל של המגע הוא סוג כשל טיפוסי.
א.ממוקם קבוע בתוך המגעים:
ב.החלשת המאמץ של חומר המגע
ג.הפחתת חומר הבית הפולימרי
ד.חוסר כיוון המגעים
תוך כדי פיתוח המחבר Z-PACK Slim UHD ננקטו אמצעים כדי למנוע סוגי כשל פנימיים ולהבטיח יציבות ממשק המגעים. ראה איור 1 ו-5.
•הטיית הקפיץ מוגבלת בתכנון כדי למנוע הטיה מעבר לגבול ההטיה המתוכנן.
•ננקטו זוויות כניסה יעילות וכיוון חיובי.
•חיתוך זוויות של החלקים התואמים הן בבית והן במגעים.
•המגעים מוגנים היטב על-ידי החומר הפולימרי, גם במצב חיבור וגם בניתוק.
•מגעי זכר ונקבה נקבעים במלואם בתוך הפולימר, מלבד אזורים פונקציונליים.
•מגע הנקבה נטען מראש ונקבע במדויק במצבו הסופי.
•שלבי הייצור ואפיצויות הייצור מוזערו.
סוגי כשל חיצוניים
קיימים בשל תנאי הסביבה בהם החלק פועל והם מדאיגים ביותר.
אם כי חלודה ושימוש הם מנגנוני התדרדרות חשובים, הם מטופלים בהצלחה במוצר Z-PACK Slim UHD באמצעות גימור המגעים והטיפול בשטחים. בוצעה בדיקת מוצר נרחבת כדי לתמוך בטענה זו. הדיון המפורט בסוגיה זו חורג ממטרות מאמר זה.
זיהום חלקיקים צוין כמנגנון כשל חשוב נוסף עבור מגעי  מתכת אצילה הפועלים בכוחות רגילים מתחת ל-100 cN.
עיוות האות או איבוד ההספק קשורים ישירות לאיבוד כוח המגע הרגיל והוא בלתי סביר עבור העברות אותות מהירות, בשל איבוד אפשרי של נתונים.
לרוב, מבצעים בדיקות רעידות והלם מכני בצירוף עם אבק כדי לקבוע את ביצועי המחבר. כאן מיושמים בהצלחה האלומה הכפולה והמגעים המפוצלים כדי להפחית את הרגישות לאבק ולספק ממשקי מגע הדירים.
בשל הצפיפות הקיצונית ודרישות מהירות האותות נבחר עבור המחבר Z-PACK Slim UHD מבנה של אלומה בלתי-מפוצלת. אמצעי הזהירות אשר ננקטו בעת פיתוח המחבר Z-PACK Slim UHD כדי למנוע סוגי כשלים פנימיים מבטיחים גם יציבות ממשק המגעים בעת בדיקות אבק, רעידות והלם מכני.
מאחר שמסדים ותת-מסדים, בהם סוג זה של מחבר משמש לרוב, דורשים לוחות רעידה מיוחדים, בדיקה זו מבוצעת לעתים הקרובות ביותר ברמת המחבר, תוך שימוש במסגרת בדיקה, ותוך הגבלת התנועה למרכיבי המחבר בלבד. בדיקות הרעידה וההלם מבוצעות בשלושה צירים. אולם אחד היישומים הפוטנציאליים עבור המחבר Z-PACK Slim UHD היה במחשב זעיר, בעל ממדים כלליים של 107 x 94 x 94 ממ’, ובעל פנל אחורי אחד ושני לוחות-בנות. שני מחברי Z-PACK Slim UHD שימשו אחד בנוי מ-4 מודולים (384 מגעים) ואחד בנוי ממודול יחיד (96 מודולים).
הלוחות-הבנות נתמכו על-ידי מובילי כרטיסים, ניצב על הפנל האחורי, הנותן חופש מוגבל לכרטיסים. צד לוח-הבת המקביל לפנל האחורי לא נתמך. נבנתה מסגרת בדיקה, המעתיקה את ממדי היישום האמיתי. לא נבנתה כל תמיכה נוספת.
לצורך הבדיקה החלטנו לצייד לוח-בת אחד במחבר 30 מצבים   DIN 41612/IEC 60603-2,  עם כוח מגע רגיל מעל 100 cN ומגעי אלומה כפולה, לשם ייחוס, ולוח-הבת השני עם 2 מודולי מחבר Z-PACK Slim UHD (192 מגעים). שני המחברים דומים במידותיהם. ראה איור 7.
גם מחבר ה-DIN הורכב מכנית על הכרטיס באמצעות נועלי כרטיס מולחמים (פנל אחורי) או ברגים ואומים (לוח-בת). מאחר שבדיקה זו הורכבה כדי לבדוק את ממשק המגעים, כל המגעים הולחמו לכרטיסים.
בעבר מחברים אלה נבדקו להשתקות של מעל 1 מיקרו-שנייה, אולם נתון זה איננו מעשי כיום. לכן החלטנו לבדוק השתקות של מעל 10 ננו-שניות.

תאור הבדיקה
התקנת גילוי השתקות איור 6.
א.ספק כוח: מפיק מתח רציף 0.5 וולט DC.
אות מבוא עבור דגימת הבדיקה.
ב.דגימת הבדיקה מורכבת מלוח אחורי ושני לוחות-בנות. גרסה 1 עם מחבר Z-PACK Slim UHD, גרסה 2 עם מחבר DIN. ראה איור 7.
ג.אוסילוסקופ HP54720: פיתחה 1 מכוונת במוד תיחול (הפרעה אקראית יותר מ-10 ננו-שניות ) ותיחול על אותות בעלי שיפוע שלילי מעל 10 ננו-שניות. רמת התיחול הייתה 150 מילי-וולט.
ד.בקר PC: תוכנית ב-VEE של Agilent לבדיקת הסקופ ולגלות/ למנות השתקות.

מסקנות
כאשר נבדק בתנאי מערכת קיצוניים של אבק, רעידות והלם מכני, המחבר Z-PACK Slim UHD מתנהג בצורה שווה ל-DIN 41612/IEC 60603-2. הדבר מוכיח את איכותו הגבוהה של מבנה ממשק המגעים של Z-PACK Slim UHD.