Whitepaper: Robuustheid van connectoren
Of het nu gaat om de lucht- en ruimtevaart, industriële automatisering, transport of de gezondheidszorg: connectoren moeten altijd een betrouwbare signaaloverdracht garanderen en mogen onder geen enkele omstandigheid uitvallen. Tegelijkertijd worden ze blootgesteld aan een reeks belastingen vanuit hun omgeving: Mechanische invloeden zoals schokken, trillingen en schommelingen brengen de stabiliteit van de gegevensoverdracht in gevaar, evenals thermische en chemische omgevingsinvloeden door extreme temperaturen, sterke temperatuurschommelingen, schadelijke gassen, vocht en vuil. Fabrikanten van hoogwaardige connectoren halen daarom alles uit de kast om hun connectoren tegen deze belastingen te wapenen.
Robuustheid ondanks miniaturisatie
De moderne elektrotechniek wordt meer dan ooit gekenmerkt door één trend: miniaturisatie. Assemblages en hun componenten moeten daarbij niet alleen steeds krachtiger, maar ook steeds kleiner worden. Toch worden ze vaak onder zware praktijkomstandigheden ingezet. Onderdelen en connectoren worden daarom, bij een gelijkblijvende belasting, steeds verfijnder. Een hoogwaardige connector weerstaat deze belasting echter niet alleen even goed als zijn oudere en grotere broer, maar zelfs beter. De reden hiervoor zijn verdere ontwikkelingen in de materiaalsamenstelling en in het productontwerp, bijvoorbeeld in de geometrie van het isolatielichaam (afb. 1).
Invloedsfactor oppervlak
Er zijn tal van factoren die van invloed zijn op de robuustheid van een connector. Een daarvan is het contactoppervlak. Dit is in belangrijke mate bepalend voor de levensduur van de connector, die doorgaans wordt gemeten in steekcycli. Bij gebruik in de praktijk wordt de connector blootgesteld aan bepaalde microbewegingen. Deze leiden tot slijtage van het oppervlak en bijgevolg tot oxidatie (afb. 2).
Het gevolg is een verhoogde overgangsweerstand en daarmee een slechtere kwaliteit van de signaaloverdracht. Daarom is het van belang om met behulp van een hoogwaardige en duurzame contactcoating de slijtage van het oppervlak tijdens het aansluiten en tijdens het gebruik tot een minimum te beperken. Hiervoor moeten zowel het mes- als het veercontact een voldoende glad oppervlak hebben. Ondanks stijgende prijzen wordt goud vanwege zijn corrosiebestendigheid en uitstekende geleidbaarheid nog steeds graag gebruikt voor oppervlaktecoatings. Omdat puur goud zacht is, wordt het gelegeerd met een aandeel van 0,2 tot 0,3 procent kobalt of nikkel, waardoor hardgoud wordt verkregen. Wie echter op zoek is naar een prijsstabieler alternatief voor deze laagopbouw, kan bijvoorbeeld terugvallen op een legering van nikkel en fosfor met een goudlaagje. In zeer specifieke verhoudingen gecombineerd vertonen deze twee materialen de positieve eigenschappen die ook goud met zich meebrengt: hoge corrosiebestendigheid, uitgesproken slijtvastheid en uitstekende geleidbaarheid. Om diffusie tussen het contactmateriaal en de oppervlaktecoating te voorkomen, wordt vaak een zogenaamde nikkelbarrièrelaag gebruikt. Met behulp van deze barrière kan corrosie worden voorkomen.
Invloedsfactor: het ontwerp van de contactpunten
De contacten van een stekkerverbinding worden gestanst of gedraaid. Bij het stansen ontstaat er echter aan de onderkant van de gestanste strook een onder de microscoop zichtbaar, ongelijkmatig oppervlak met scherpe randen. Bij conventionele systemen vindt het contact plaats op deze stansrand, wat gepaard gaat met verhoogde oppervlakte-slijtage en dus met een hogere overgangsweerstand. Dit kan worden vermeden door de veertulp in het zogenaamde stans-buigproces 90 graden te buigen, zodat deze met het gladde, gewalste oppervlak op het mescontact komt (afb. 3).
Maar niet alleen het ontwerp van de veerlijst, maar ook dat van de meslijst is bepalend voor de levensduur van de stekkerverbinding. Ook deze laatste moeten namelijk netjes gestanst en verder verwerkt worden om beschadigde, scherpe geometrieën te vermijden.
Maar niet alleen het ontwerp van de veerlijst, maar ook dat van de meslijst is bepalend voor de levensduur van de stekkerverbinding. Ook deze laatste moeten namelijk netjes gestanst en verder verwerkt worden om beschadigde, scherpe geometrieën te vermijden.
Invloedsfactor: contactsysteem
Klassieke tweedelige stekkers zijn voorzien van een mes- en een veercontact. Bij een sterke schok kan de mescontactstrip echter loskomen van de veercontactstrip. Om te voorkomen dat een dergelijke contactonderbreking optreedt, kan met behulp van een dubbelzijdige veercontactstrip voor redundantie en daarmee voor contactzekerheid worden gezorgd, want door de tweede veer is de signaaloverdracht te allen tijde via ten minste één contactpunt gewaarborgd (afb. 4).
Nog robuuster zijn daarentegen connectoren met een zogenaamd „genderneutraal“ contactsysteem. Het bijzondere hieraan is dat de contactgeometrieën van de beide helften, de stekker en de bus, identiek zijn. Beide beschikken dus zowel over een veer als over een mes. Zo wordt elke pin door twee veren geraakt, waarbij de stekker en de bus in elkaar zijn vergrendeld en niet van elkaar los kunnen komen. Terwijl een dubbelzijdige veerlijst onder mechanische belasting altijd minimaal één contactpunt garandeert, zorgen de in elkaar vergrendelde geometrieën bij genderneutrale contactsystemen ervoor dat de signaaloverdracht altijd via twee contactpunten verloopt. Deze hoge redundantie zorgt dus voor maximale contactzekerheid (afb. 5).
Wat betreft robuustheid wordt het genderneutrale contactsysteem alleen overtroffen door eendelige connectoren. Deze maken volledig af van het klassieke tweedelige contactprincipe met mes- en veercontacten. Door het wegvallen van het kwetsbare contactgebied beschikken eendelige connectoren niet alleen over de hoogste weerstand tegen schokken, trillingen, vocht, stof en atmosferische omstandigheden, maar zijn ze ook geschikt voor ingieten en andere methoden voor componentbescherming. In combinatie met de inperstechniek vormen ze de veiligste mechanische en elektrische verbinding tussen twee printplaten (afb. 6).
Invloedsfactor: aansluittechniek
Er zijn verschillende manieren om connectoren op printplaten te bevestigen. Een daarvan is de eerder genoemde inperstechniek. Het doel hiervan is om met zo min mogelijk inperskracht een zo groot mogelijke houdkracht tussen de connector en de printplaat te realiseren. De houdkrachten zijn bepalend voor de mechanische verbinding, die op haar beurt schokken en trillingen moet weerstaan. Deze aansluittechniek is een miljarden keren beproefd proces, waarbij een insteekpen in een doorlopend contactgat in de printplaat wordt gedrukt (afb. 7).
De insteekpen heeft daarbij een grotere diagonaal dan de diameter van het gat in de printplaat. De pen van de connector is flexibel in de insteekzone, zodat de printplaat niet vervormt door de fysieke krachten tijdens het insteken. De vervorming blijft daarom beperkt tot de inperszone (afb. 8). Er ontstaat een koudlas tussen de contactpen en het gemetalliseerde gat in de printplaat: een gasdichte, corrosiebestendige, laagohmige en elektrisch goed geleidende mechanische verbinding, die ook geschikt is voor het ingieten. Deze verbinding wordt bovendien gespecificeerd in DIN EN 60352-5 en blijft ook bij zeer hoge mechanische en thermische belastingen, zoals trillingen, buiging en sterke temperatuurschommelingen, contactzeker en is zelfs bestand tegen schokbelastingen tot 200 g.
Vanwege de uitstekende robuustheid en het tien keer betere uitvalpercentage (FIT-rate) ten opzichte van automatisch gesoldeerde connectoren, wordt de inperstechniek graag toegepast in hoogbeveiligde toepassingen waarbij de signaaloverdracht onder geen enkele omstandigheid mag worden onderbroken, bijvoorbeeld in airbagsystemen of ABS- en ESP-modules.
Vanwege de uitstekende robuustheid en het tien keer betere uitvalpercentage (FIT-rate) ten opzichte van automatisch gesoldeerde connectoren, wordt de inperstechniek graag toegepast in hoogbeveiligde toepassingen waarbij de signaaloverdracht onder geen enkele omstandigheid mag worden onderbroken, bijvoorbeeld in airbagsystemen of ABS- en ESP-modules.
De insteektechniek is echter niet altijd geschikt, bijvoorbeeld wanneer printplaten aan beide zijden moeten worden bestukt of wanneer de minimale afstand tot componenten in de krachtrichting niet kan worden aangehouden. Een andere mogelijkheid om een betrouwbare en duurzame verbinding tussen connector en printplaat tot stand te brengen, is dan de Surface-Mount-Technologie (SMT). Hierbij worden de connectoren met soldeerpasta op gedefinieerde aansluitvlakken van de printplaat, de soldeerpads, gesoldeerd. Pas in een zogenaamde reflow-oven wordt het soldeermiddel gesmolten en vervolgens uitgehard. Met SMT kunnen stabiele verbindingen tussen connector en printplaat worden gerealiseerd. Hiervoor moet echter aan enkele criteria worden voldaan: ten eerste moet voor een normconforme IPC-A-610-soldeerverbinding de juiste verhouding tussen soldeervoet, soldeerpad en soldeerpasta worden aangehouden. Alleen zo wordt een hoogwaardige verbinding tot stand gebracht die een aansluiting volgens IPC-klasse 3 mogelijk maakt, en dus geschikt is voor gebruik in hoogvermogenelektronica. Storingen in de signaaloverdracht moeten in deze klasse te allen tijde worden uitgesloten. Een optimale soldeerverbinding is te herkennen aan de gelijkmatige meniscusvorming. Het contact moet rondom worden omsloten door een soldeermeniscus om de beste hechtkrachten op de printplaat te bereiken. (Afb. 9).
De coplanariteit van de contactvoeten is daarbij een voorwaarde voor een uitstekende verbinding. Als aan al deze voorwaarden is voldaan, is aangetoond dat SMT-connectoren mechanische belastingen tot 400 N kunnen weerstaan.
Invloedsfactor: ontwerp van het isolatielichaam
De geometrie van het isolatielichaam van een connector helpt bovendien om de contacten te beschermen tegen beschadiging tijdens het gebruik of bij de installatie. Deze moet zo zijn ontworpen dat de kwetsbare contacten binnenin de connector beschermd liggen.
Door middel van inbrengschuinevlakken kan bovendien beschadiging tijdens de montage worden voorkomen. Ze helpen om een verschuiving van de printplaten in elke richting tijdens het aansluiten te compenseren. Met behulp van een extra vanggebied kunnen de twee connectorhelften ook in geval van een verschuiving in het midden of in de hoek zonder beschadiging in elkaar worden gestoken (afb. 10).
Door middel van inbrengschuinevlakken kan bovendien beschadiging tijdens de montage worden voorkomen. Ze helpen om een verschuiving van de printplaten in elke richting tijdens het aansluiten te compenseren. Met behulp van een extra vanggebied kunnen de twee connectorhelften ook in geval van een verschuiving in het midden of in de hoek zonder beschadiging in elkaar worden gestoken (afb. 10).
Sommige connectoren zijn bovendien voorzien van boardlocks. Dit zijn metalen beugels die aan het isolerende lichaam zijn bevestigd en eveneens op de printplaat worden gesoldeerd (afb. 11). Zo zorgen ze voor extra stabiliteit – ook onder zware omstandigheden zoals trillingen en schokken.
Invloedsfactor Tolerantiebereik
Het tolerantiebereik van een connector speelt een doorslaggevende rol bij het beoordelen van de robuustheid ervan. Als de connector bepaalde toleranties niet kan opvangen, leiden mechanische bewegingen tot slijtage of zelfs tot beschadiging van de verbinding. Bij de installatie bieden inbrengschuinevlakken hierbij ondersteuning om een schadevrij aansluiten van stekker- en pennenrijen mogelijk te maken. Maar ook in gestoken toestand moeten microbewegingen worden opgevangen. Dit lukt dankzij de geometrie van de contact- en isolatielichamen. Beschikt een connector over een floating-functie, dan kan deze ook tijdens het gebruik tot ±0,4 mm compenseren. Deze functie wint steeds meer aan relevantie, omdat ze een doorslaggevende rol speelt bij het bestukken van een printplaat met meerdere connectoren. In de praktijk ontstaan er echter niet alleen belastingen in de x- en y-richting, maar ook in de z-richting (afb. 12).
Hier rijst de vraag naar de steekveiligheid van een steekverbinding. Deze beschrijft het overlappingsgebied tussen de stekker- en de contactstrip en maakt daarmee niet alleen verschillende printplaatafstanden mogelijk, maar – afhankelijk van de grootte van dit gebied – ook tolerantiebereiken (afb. 13).
Maximale tolerantiecompensaties zijn daarentegen mogelijk door middel van een kabelverbinding. Hier bepaalt de lengte van de kabel het tolerantiebereik van de steekverbinding.
Maximale tolerantiecompensaties zijn daarentegen mogelijk door middel van een kabelverbinding. Hier bepaalt de lengte van de kabel het tolerantiebereik van de steekverbinding.
Testprocedure
Er bestaan verschillende testmethoden om connectoren grondig te testen op hun robuustheid. Daarbij worden variabelen zoals de spanningsweerstand en de overgangsweerstand zowel voor als na een belastingstest gemeten en wordt de toestand van de contacten visueel geïnspecteerd. Zo kunnen bijvoorbeeld de effecten van 500 steekcycli op de spanningsvastheid worden gecontroleerd of kan in de klimaattest worden vastgesteld of meerdere uren bij eerst -55 °C en vervolgens 125 °C een negatief effect hebben op de overgangsweerstand van de connector. Bij de temperatuurschoktest moet de connector 100 keer gedurende telkens 30 minuten de snelle wisseling tussen deze extreme temperaturen doorstaan. Ook de centrale en hoekafwijking bij het steken, evenals het tolerantiebereik in gestoken toestand, moeten niet alleen theoretisch op het CAD-model worden gecontroleerd, maar in de praktijk uitgebreid worden getest en de belastbaarheid empirisch worden bevestigd. Het is eveneens van belang dat verschillende tests die cruciaal zijn voor het contactoppervlak, ook gecombineerd worden uitgevoerd om reële omstandigheden te simuleren. Zo zouden bijvoorbeeld steekcycli- en schadelijke-gastests in combinatie kunnen plaatsvinden om te garanderen dat de prestaties van de connector wat betreft overgangsweerstand en spanningsvastheid niet zijn verslechterd en dat de contacten geen schade hebben opgelopen (afb. 14).
Uw ontwerp – uw keuze
Afhankelijk van de eisen van de toepassing gelden er verschillende criteria voor robuustheid waaraan een connector moet voldoen. Moet hij bijvoorbeeld grote toleranties opvangen? Wordt hij blootgesteld aan zware schokken of trillingen? Wordt hij gebruikt in omgevingen met extreme hitte of kou? Of moet de aansluitoplossing worden beschermd tegen vocht, schadelijke gassen of vuil? Als een gebruiker zich bij de keuze van zijn aansluitoplossing door deze vragen laat leiden, kan hij er zeker van zijn dat zijn connector optimaal is toegerust voor gebruik in het veld.