בחירת חומר הגלם לפין ואפשרויות חיפוי לחיבור

מה הן העלויות העיקריות בבניית חיבור? אילו מהן העלויות הגבוהות יותר? במילים אחרות, מה הוא החלק היקר ביותר בחיבור? פרט למכלולי כבלים, העלות העיקרית ברוב החיבורים ברמת הלוח הם גוף הפלסטיק, הפינים, החיפוי על הפינים, עבודת ההרכבה, והאריזה. לרוב, הפריטים המרכזיים הם הפינים והחיפוי.

לדוגמה, במוצר Micro Pitch או High Density הפין והחיבור עשויים להוות עד 30% מהעלות הכוללת של החיבור. אך במחבר בסיסי בפסיעה של 2.54 מ”מ עשויים הפין והחיפוי להוות מעל 50% מעלות החיבור הכוללת. (ראה תמונה 1).

הגודל היחסי של גוף הפלסטיק במיקרו חיבור מיניאטורי מסוג mold-to-position הוא כמעט תמיד גדול יותר מהגוף בחיבור cut-to-position strip-line. במילים אחרות, יש יותר פלסטיק ברוב חיבורי ה micro-pitch interconnect בהשוואה ליחידות גדולות יותר מסוג pitch strip header. ובנוסף, כמובן, הפינים יעלו יותר במידה ונשתמש בחיפוי זהב.

על כן, בחירת הפין והחיפוי הנכונים משפיע משמעותית על עלות מערכת החיבור. מאמר זה סוקר בקצרה את שלושת המתכות בסיסיות הנפוצות בפינים ושקעים, ובוחן אפשרויות חיפוי שונות הזמינות לשימוש, באילו משתמשים הלקוחות, ומדוע.

רוב הדוגמאות במאמר זה מתייחסות לחיבורי Samtec, אך אני מניח כי עקרונות העלות נכונים גם לחיבורים מחברות אחרות.

מתכות בסיסיות נפוצות

שלושת המתכות הנפוצות ביותר עבור רוב חיבורי ה לוח-ללוח עשויים פליז, נחושת בריליום, וארד זרחתי.

פליז (Brass)

פליז היא הפחות יקרה מבין שלושת המתכות ובעלת תכונות חשמליות מצויינות. ובכל זאת, לפליז היפותזת חוזק נמוכה. מסיבה זו, Samtec ממליצה שלא להשתמש בפליז עבור חיבורים. הבעייתיות טמונה בקורות הפליז שבשקע שעלולות להתקבע באופן תמידי. כלומר, לאחר ה-cycling, קורות השקע יקפצו חזרה למיקום המקורי וקורת הקצה לא תוכל להתחבר כראוי עם השקע.

Samtec משתמשת ברכיבי פליז בחלק מהחיבורים, אך אלה נועדו לשימוש שלא מתכופף או מצריך תנועה כמו weld tabs על שקע כרטיס micro edge. (ראה תמונה 2)

נחושת בריליום (Beryllium Copper)

נחושת בריליום, למרות היותה יקרה יותר מאשר רוב חומרי המגע, מהווה את השילוב הטוב ביותר של תכונות מכניות וחשמליות. מרגע קבלת צורה והקשחותה, BeCu תשמור על צורתה במגוון רחב של תנאים. ומאחר ו-BeCu קופצת חזרה לאחר ה-cycling, היא מהווה חומר מצויין לפינים בחיבורים מזעריים. כך ש BeCu מתאימה היטב ליישומים שוחקים ו-high-cycle, ולמיקרו-חיבורים.

ארד זרחתי (Phosphor Bronze)

ארד זרחתי הוא חזק יותר מאשר פליז ובעל תכונות קפיציות טובות יותר. עם זאת, התכונות הקפיציות שלו אינן טובות כמו אלה של ה BeCu (נחושת בריליום), כך שהשימוש בו בחיבורי micro pitch אינו תכוף. ארד זרחתי מתאים היטב למערכות חיבור גדולות יותר בעלות קורות ארוכות יותר עם יותר הטיה (ראה תמונה 3).

על אילו אפשרויות חיפוי אנו ממליצים?

בחירת החיפוי הנכון היא קריטית להצלחת מערכת החיבור. החיפוי משפיע על ביצועי החיבור, מחזור החיים, איכות, ועלות. מתכננים שואלים לעתים קרובות על אילו גימורי חיפוי אנו ממליצים? ישנם שיקולים רבים לקחת בחשבון, אך גימור החיפוי הטוב ביותר הוא זה המתאים לדרישות המערכת שלכם, בעלות הנמוכה ביותר. במילים אחרות, וודאו כי החיפוי שבחרתם עובד ועומד בתנאי תכנון האיכות שלכם, אך אל תתמקדו בחיפוי יתר על המידה.

חיפוי זהב (Gold Plating)

זהב נועד באופן כללי ליישומי אמינות גבוהה, מתח נמוך, או זרם נמוך. בזהב נעשה שימוש ביישומים בעלי cycle גבוה מאחר והוא מחוספס ובעל תכונות שחיקה מעולות. ב-Samtec נעשה שימוש בסגסוגת זהב וקובלט, מה שמעלה את רמת הקשיחות. אנו ממליצים על זהב גם עבור סביבות עוינות, מכיוון שהוא יישאר נקי מתחמוצות אשר עלולות לגרום לעלייה בהתנגדות החיבור. זהב הוא מתכת אצילה, ופירוש הדבר שאיננו מגיב בקלות לסביבה שלו.

חיפוי פח (Tin Plating)

פח הוא אלטרנטיבה בעלות נמוכה מזו של זהב, ונוחה מאד להלחמה. שלא כמו זהב, פח היא לא מתכת אצילה. חיפוי פח מתחיל להתחמצן ברגע בו הוא נחשף לאויר. כך שמערכת מגע בעלת חיפוי פח דורשת כוחות נורמליים גדולים יותר ואיזור מגע ארוך יותר על מנת לחדור את שכבת החמצון. (ראה תמונה 4)

השורה התחתונה היא, פח מתאים יותר ליישומים בעלי פחות cycles בשל הכוחות הנוספים המופעלים על המגע, ופשוט משום שהוא מתכת רכה יותר.

כח נורמלי (Normal Force)

ההבדלה בין זהב לפח מסתכמת בכח נורמלי. זהב דורש כמות נמוכה בהרבה של כח נורמלי בהשוואה לפח. עם חיבורי fine pitch קשה למצוא מקום ומרחב לתכנן קורה עבה וגדולה עם הטיות רבות על מנת לחולל את הכח הנורמלי הדרוש לפח. וכך, בשל מגבלת הגודל הפיזי, זהב הוא לרוב האפשרות היחידה. במילים אחרות, היינו משתמשים בפח אילו יכולנו. בפח נעשה שימוש באיזור המגע של החיבור בו ניתן לחולל את הכח הנורמלי הראוי, ובסביבות לא עוינות. פח ייתחמצן ולכן כמות גדולה יותר של כח נורמלי ושטח מגע נדרש כדי לחדור דרך שכבת החמצון.

האפשרות הסלקטיבית של זהב + פח (Selective Gold + Tin Plating Option)

חיפוי סלקטיבי זהב-פח הוא אפשרות החיפוי הנפוצה ביותר ב Samtec מאחר והיא מספקת למתכננים את הטוב שבשני העולמות. איזור המגע, האיזור הקריטי בו החיבור מתממשק עם פין הקצה ובו עובר האות, הוא בעל אמינות של זהב. הזנב, אשר מולחם אל הלוח, הוא בעל העלות הנמוכה ונוחות ההלחמה של פח.

פח-עופרת, פלדיום ניקל מצופה זהב (Tin-Lead, Gold-Flashed Palladium Nickel)             

ישנן אפשרויות חיפוי נוספות ליישומים ספציפיים. שתי דוגמאות נפוצות הן חיפוי פח-עופרת ופלדיום ניקל מצופה זהב. פח-עופרת נמצא בשימוש ביישומים צבאיים, ובעל תועלות הכוללות נקודת טמפרטורה אוטקטית נמוכה, ונוכחות העופרת מונעת הווצרות “שפמים” (תופעת התחמצנות) בפח. פלדיום ניקל מצופה זהב נמצא בשימוש ביישומים בעלי cycle גבוה ביותר. אך עבור רוב היישומים הנפוצים, זהב, פח, או חיפוי סלקטיבי של זהב/פח הם מקובלים.

סיכום

זהב נמצא בשימוש תכוף ביישומי אמינות גבוהה, cycle גבוה, ומתח נמוך. פח נמצא בשימוש ביישומים בעלי כמות קטנה יותר של cycles, הוא פחות יקר, ועומד בהלחמה. חיפוי סלקטיבי עם זהב בנקודת המגע ופח בזנב, הוא בד”כ האפשרות בעלת יחס העלות/ביצועים הטוב ביותר.