Die Integration auf System-, Leiterplatten- und integrierter Schaltungsebene ist eines der faszinierendsten Phänomene heutiger Elektronikdesigns.
Mit einer engeren Integration steigt der Bedarf an mehr physischen Verbindungen zwischen Komponenten, Geräten, Platinen, Panels oder externen Kabeln. Die zuverlässige Verbindung elektronischer Systeme ist eine wichtige Aufgabe, insbesondere bei anspruchsvollen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Militär und in der Industrie.
Autonome Autos und unbemannte Luftfahrzeuge werden in Zukunft nicht nur zuverlässige und langlebige Verbindungen erfordern, sondern auch kompakte und leichte Konzepte für die mechanische Konstruktion. In Bezug auf hochzuverlässige Steckverbinder behält das ursprüngliche kreisförmige Bajonett seine Nische bei, aber in vielen Anwendungen erfordern Miniaturisierung und Kompaktheit kleinere und leichtere Versionen von Steckverbindern.
Es besteht ein wachsender Bedarf an Systemen, die in rauen Umgebungen betrieben werden können, was auch zu Steckverbinderdesigns beiträgt, die auf wenige Gramm Gewicht beschränkt sind. Die Luft- und Raumfahrt ist möglicherweise die kritischste Anwendung in Bezug auf die Gewichtsreduzierung. Ein Beispiel ist das CubeSat-Programm für kostengünstige und leichte Minisatelliten, das 1999 von der Stanford University eröffnet wurde. Sie müssen Massen von nicht mehr als 1,33 kg pro 10 cm3 tragen.
Der Auswahlprozess
Elektromechanische Steckverbinder werden immer komplexer und entsprechen einer langen Liste von Spezifikationen wie Gleichstrombehandlung, Nennspannung, Isolation und Kontaktwiderstand, Einfügungsverlust bei einer bestimmten Frequenz, Übersprechen zwischen Leitern, Induktivität zwischen Leitern, gegenseitige Kapazität und mechanisches Einsetzen und Rückzugskräfte.
Von wachsender Bedeutung sind Umgebungsspezifikationen wie Betriebstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Schock, Vibration, Höhe und Beständigkeit gegen gängige Chemikalien.
Das Design und die Herstellung von Steckverbindern haben sich daher zu einem Bereich für Spezialisten entwickelt, die den Ruf haben, die Signal- und Leistungsintegrität von Produkten zu gewährleisten.
Was sind die Herausforderungen?
Um die Herausforderungen zu bewältigen, denen sich mechanische Steckverbinder jetzt gegenübersehen, passen die Hersteller mehrere Kontaktpunkte an. Dies bringt ein gewisses Maß an mechanischer Nachgiebigkeit mit sich, um sicherzustellen, dass die angegebenen Werte für niedrigen Kontaktwiderstand und Induktivität unter mechanischen Verformungs-, Stoß- und Vibrationsbedingungen beibehalten werden.
Das Hauptanliegen bei der Konstruktion eines Steckverbinders ist die Bereitstellung einer zuverlässigen mechanischen Schnittstelle mit einem Minimum an physikalischer und elektrischer Diskontinuität. Schlechte Beispiele wären Gleichstrom-Hotspots oder Fehlanpassungen oder Verluste der Wechselstromimpedanz bei Hochfrequenzübertragungen.
Die Geschichte des Steckverbinderdesigns ist voller Einfallsreichtumversuche, aber mit fortschreitender Miniaturisierung, Integration und gleichzeitiger Reduzierung der Steckverbinderabmessungen treten neue Herausforderungen in den Vordergrund.
Twist-Pin-Kontakte lassen sich leicht ein- und ausstecken
Eine einfache Lösung für niederfrequente Signalisierungs- und Energieübertragungsanwendungen ist die von Cinch angebotene Twist-Pin-Technologie. Es gibt viele Ausführungen der Dura-Con-Serie (Abbildung 1).
Die Idee ist, sieben Litzen aus vergoldetem Beryllium-Kupfer-Draht zu bündeln, an der Spitze zu schweißen und mechanisch zu erweitern, um einen Käfig mit sieben Kontaktpunkten zu bilden, die innerhalb des Umfangs eines passenden weiblichen Stifts verfügbar sind.Dieses Twist-Pin-Design wird im rechteckigen Dura-Con-Stecker und im Micro-D (MIL-DTL-83513) verwendet. Der Micro-D (Abbildung 2) ist als Streifenverbinder mit minimalem Platz- und Gewichtsaufwand konfiguriert und erstellt bis zu 60 Inline-Verbindungen mit einem Abstand von bis zu 1,27 mm. Der Einführvorgang erweitert den Käfig mit einer positiven "Wisch" -Aktion. Der Rückzug zieht den Käfig zusammen, so dass die Rückzugskraft gering bleibt. Dies minimiert auch die mechanische Belastung der Verkabelung zum Stecker.
Eine andere Lösung ist eine Komprimierungstechnologie namens CIN :: APSE (Abbildung 3). Es ist eine Fortsetzung der Idee, mehrere Verbindungen durch ein diskretes Bündel vergoldeter Molybdändrähte bereitzustellen, die zufällig gebündelt werden. Dies bedeutet, dass an jedem Ende sieben bis 11 Kontaktpunkte vorhanden sind, die durch Berühren eines Gegenkissens auf einer starren oder flexiblen Leiterplatte oder einem Halbleiterbauelement hergestellt werden.
Das Bündel wird in eine patentierte sanduhrförmige Öffnung im isolierenden Flüssigkristall-Polymer-Verbindungskörper eingeführt. Zu den Zielanwendungen gehören Anschlussschnittstellen zwischen Leiterplatten oder LGA-Geräten (PCB to Land Grid Array) (z. B. Asics und CPUs). Die Anzahl der E / A-Pins kann 7.000 bei einem Abstand von bis zu 1,0 mm überschreiten.
Die Dura-Con Twist-Pin-Kontakte haben eine Temperatur von -55 ° C bis ~ 135 ° C. Jeder Kontakt kann 3A bei 600 V AC auf Meereshöhe führen. Der Kontaktwiderstand beträgt max. 8 mΩ. Bei einem Gewicht von maximal 170 g und 11,33 g (6,0 Unzen bzw. 0,4 Unzen) haben die Einführ- und Rückzugskräfte ein Verhältnis von mehr als 10: 1.
Dies ist auf den Expansions- und Kontraktionseffekt des Käfigs zurückzuführen. Dieser Kontakt kann in Anwendungen verwendet werden, die eine gesteuerte Differenzimpedanz mit passender Verkabelung für eine hohe Signalintegrität erfordern. Pseudozufalls-Binärsequenztests (PRBS) mit einer Datenrate von 1,25 Gbit / s haben diese Leistung bewiesen, und TDR-Messungen (Time Domain Reflectometry) haben eine Differenzimpedanz von 100 Ω bestätigt.
Bei einem Abstand von 1,0 mm (0,04 Zoll) ist der CIN :: APSE-Kompressionskontakt für 3A bis 66 A ausgelegt. Das Dielektrikum hält 500 V Gleichstrom auf Meereshöhe aus, der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -60 ° C und 105 ° C. Die Stoßfestigkeit beträgt 100 G, wobei für Kunden in bestimmten Anwendungen Schocktests bis zu 22.000 G durchgeführt werden und Temperaturen von bis zu -200 ° C standhalten. Der Frequenzbereich erreicht bis zu 50 GHz, während der Einfügungsverlust bei 10 GHz -0,2 dB und bei 20 GHz nur -1,2 dB beträgt.
Einige andere wichtige Merkmale des Designs sind sehr niedrige Übersprechwerte zwischen Kontakten bei weniger als -25 dB. Die Rückflussdämpfung wird bei 10 GHz mit -19 dB gemessen, und der Kontaktwiderstand beträgt weniger als 10 mΩ bei einer Induktivität von weniger als 0,5 nH.
Abbildung 4: CIN :: APSEconnectors für Asics,
Interposer und RF-Interposer
Der CIN :: APSE-Kontakt ist mit einer passenden Höhe von 0,8 mm oder 0,032 Zoll erhältlich. Die effektive Länge kann jedoch mit verschiedenen Optionen für Abstandshalter und Kolben erweitert werden, die in die Länge des Steckerkontakts integriert sind. Auf diese Weise können Abstände von bis zu 25,4 mm (1 Zoll) überbrückt werden. Wenn der Kontakt zwischen zwei Kolben eingebettet ist, ist er mechanisch gegen Handhabungsschäden geschützt. Die Technologie funktioniert am besten, wenn ein Kompressionssystem verwendet wird, um einen gleichmäßigen Druck über die Kontaktanordnung bereitzustellen. Dies kann durch eine Anordnung von Platten, Federn und Schrauben erreicht werden, wie sie zum Anschließen eines flexiblen Stromkreises an eine Leiterplatte verwendet werden können, oder durch ein typisches LGA-System mit einem oberen Kühlkörper und einer unteren Polsterplatte zwischen der LGA und der Leiterplatte. Es würde mit Schrauben und Federn mit kontrolliertem Anschlag mit definierter Geschwindigkeit befestigt, um eine gleichmäßige Druckverteilung zu erzielen.
Benutzerdefinierte Versionen der Kontaktlayouts können zusammen mit dem vollständigen Design des Komprimierungssystems an die Anforderungen des Kunden angepasst werden.
Da kleine, hohe Dichte und zuverlässige Verbindungen in modernen Anwendungen einfache reibschlüssige Steckverbinder ersetzt haben, die für aktuelle Aufgaben eindeutig nicht ausreichen, kann eine Steckverbindertechnologie mit einem Mehrkontakt-Terminal eine optimale Leistung von Gleichstrom bis zu zehn liefern GHz.
