תכנון של חיבור הדדי עבור יישומים תעשייתיים

תכנון של חיבור הדדי עבור יישומים תעשייתיים

מתכננים בתעשיות התקשורת, המחשוב והרפואה ניצבים בפני דרישות לחיבורים הדדיים חשמליות ומכניות. תעשיות אלו מוזנות על-ידי קצבי נתונים גדלים, מערכות צפופות יותר ועקבות מוצרים מתכווצות.

למזלם של מתכננים בתחומים אחרים, כגון תעשייה, בקרת תנועה וחלק מהיישומים הצבאיים, דרישות החיבורים ההדדיים לא משתנות כה מהר. הסיבות לכך הן מחזורי חיים של מוצרים ארוכים יותר, דרישות רוחב פס קלות יותר, כך שהמתכננים אינם ניצבים בפני לחץ מתמיד להקטין את גודל המוצר, בין שאר הסיבות.

מתכננים בשווקים התעשייתיים אינם מודאגים ככלל עם בשל חיבורים הדדיים מהירים. Ethernet היא לרוב דרישת רוחב הפס המרבית.

הרבה מתכנני EOEM תעשייתיים משתמשים במילה “rugged” כדי לתאר את צורכי החיבורים ההדדיים ברמת הכרטיס. בעוד “rugged” עשוי להתפרש כדברים שונים לאנשים שונים, הוא כולל בד”כ את היכולת לעמוד ביישומי הלם ורעידות גבוהים, שמירה על שלימות מכנית וחשמלית אחרי חשיפה בפני סביבות קשות ולאחר מחזורי תאום רבים  והספקת תכונות סיכוך EMI, אם למנות אחדים מהם.

מספר יסודות תכנון תורמים לכינוי מחבר בתור “rugged”, כולל תכנון המגעים, תכנון הציפוי והמבודד.

תכנון המבודד

דוגמאות של תכונות תכנון של מבודדים פלסטיים הנפוצים אצל מתכנני מוצרים תעשייתיים כוללות:

• נעילות במחברים הנועלות מכנית שני מעגלים מודפסים יחד.
• מערכות נעילה חיובית על מערכות חיווט דיסקרטי וכבלי IDC. נעילות מופעלות ידנית יכולות להגדיל את כוח הפתיחה בעד 200%.
• הברגות המחברות את המחבר מכנית אל הכרטיס.
• סימני ריתוך, המגדילים משמעותית את התנגדות המחבר אל הכרטיס
• הגנות בפני אבק ולחות הן לעתים קרובות מדאיגות; קצבי IP דוגמת IP67 ו-68 דרושים לעתים קרובות.

המקום אינו מאפשר לנו לדון בשינויי הסדר ללא-ספור של התכנון דוגמת חומר המבודד, טמפרטורת הטיית החום, טמפרטורת עיבוד מרבית, תאימות ל-RoHS או חוזק דיאלקטרי, בין שיקולים אחרים רבים.

תכנון המגעים

אנחנו נגביל את הדיון הקצר שלנו לחומרי בסיס של המגעים והתכנון עבור יישומים מחמירים. מתכות בסיס מקובלות כוללות פליז, ארד, פוספור ונחושת-בריליום.

• פליז הוא הזול ביותר בין שלוש המתכות והוא בעל תכונות חשמליות מצוינות. עם זאת, Samtec ממליצה לא להשתמש בפליז במגעים (שקעים) באלומת עבודה מאחר שהוא עשוי להיכשל בשל חוזק תשואה נמוך.
• ארד פוספור הוא יותר חזק מפליז ויש לו תכונות קפיציות טובות יותר. הוא מצוין עבור מגעים בעלי מעט קשרים וגמישות מגע נמוכה.
• נחושת בריליום (Beryllium copper –BeCu) הוא יותר יקר מאשר רוב חומרי המגעים, אך מספק את השילוב הטוב ביותר של תכונות מכניות וחשמליות. לאחר בנייה וחיזוק, ה-BeCu ישמור על הצורה שלו במגוון תנאים שונים.

ב-Samtec, שתי מערכות מגעים הן המקובלות ביותר עבור יישומים תעשייתיים. ראשונה היא מגע המערכת BeCu רב-אצבעות, מטופל בחום. דבר זה משמש לרוב במערכות פסיעה של 1.27 ו-2.00 ממ’. למרות שהן מערכות מיקרו-הדדיות המגע מיועד לסביבות קשות. לדוגמה, חריץ אחורי מאפשר יותר שטח עבור חיבור ההלחמה. כמו כן, מחברים בעלי חריצי מיקרו נוטים להתחבר למשחת ההלחמה הלחה לפני ה-reflow טוב יותר מאשר מוליכים שטוחים. כל זה מגדיל את החוזק המכני של המחבר אל המעגל המודפס.

כמו כן שים לב לחריץ בשטח המעבר בין הזנב המתעקל כזנב שחף (gull-wing tail) והמגע. חריץ זה, הנחוץ לעתים רחוקות, מתוכנן למנוע wicking של בדיל ההלחמה. בעוד ה-wicking הוא נדיר ביישומי SMT בשל הכמות המוגבלת של בדיל, אם הוא מופיע, החריץ מנתק את הקשר הקפילארי כך שהבדיל אינו עובר למשטח המגע.

השני הוא תכנון קולן (tuning fork) פוספור-ארד. תכנון זה מקובל ביישומים מחמירים בשל גיאומטריית המגעים. במיוחד אורך שתי זרועות החיבור מאפשר כוחות רגילים וחזקהם והוא פחות נוטה לקבל צורה קבועה לאחר חשיפה למחזורים רבים.

רוחב הפס

בשעה שמהירות במערכת איננה מהווה דאגה עבור רוב מתכנני EOEM תעשייתיים, היא עשויה ליצור דאגה בעתיד. Ethernet תעשייתי הוא לרוב הדרישה המרבית לרוחב פס.

מערכות מגעים ניתנות לתכנון כדי שיענו לדרישות המחמירות ורוחב הפס הגבוה. תכנון מקובל אחד כולל BeCu גדי למרב את תכונות הקפיציות, בעוד גיאומטריית המגעים והכיוון שלהם במבודד מייטבים את שלימות האות. במיוחד, משטח המגע הוא טעון, דבר היוצר משטח תואם חלק במקום מגע דרוך המתאים לקצה חחיתוך. משטח תואם חלק זה מקטין את שחיקת העקבות על המגע ומגדיל את עמידות ומחזור החיים של מערכת המגעים. הוא גם מפחית את כוחות החיבור והנסיגה ומאפשר למחבר להתחבר ללא קישור.

המגעים ממוקמים במבודד הפלסטי כך שהקצוות הצרים של הפינים מקבילים זה לזה. דבר זה ממזער את המשטח המגביל ומקטין את הצימוד בפס רחב וערב הדיבור.

ציפוי

מתכננים שואלים לעתים קרובות איזו סיומת של ציפוי אנחנו ממליצים. סיומת הציפוי הטובה ביותר היא זו שהחומר עונה לדרישות שלכם בעלויות הנמוכות ביותר. זהב מצוין לרוב עבור יישומי מחזור גבוה ואמינות גבוהה או ביישומים של מתח נמוך או זרם נמוך. אף בסביבות עוינות ביותר, הוא יישאר חופשי מחומצות העלולות לגרום להגדלה בהתנגדות המגע.

בדיל הוא חלופה זולה יותר והוא בעל יכולת הלחמה מצוינת. הוא משמש במערכות מחברים בהן צפויים פחות מחזורים. בדיל משמש גם במגעים בעלי כוח גבוה הגורם לפעולת החלקה מספקת במהלך הכנסת המוליכים כדי לסייע לשבור את משטח התחמוצת של הבדיל.

ציפוי זהב-בדיל בריר הוא אופציית הציפוי המקובלת ביותר מאחר שהיא מספקת למתכננים את הטוב שבשני העולמות. למשטח המגע הקריטי יש האמינות של הזהב, ולזנב העלות הנמוכה ביותר וכושר ההלחמה של הבדיל.

 

 

 

 

 

לסיכום, מערכות חיבורים הדדיים אינן עונות לדרישות הביצועים התעשייתיים במקרה. המבודד המחבר, מערכת המגעים והתכונות הקשוחות חייבים לאפשר לה לעמוד בפני מחזורי חיבור גבוהים, אמינות גבוהה ויישומי סביבות קשות. כמו כן, מגעים ומבודדים קשוחים מיועדים לענות לדרישות רוחב הפס הגבוהות יותר.