Ολοκλήρωση στο σύστημα, PCB και ολοκληρωμένο επίπεδο κυκλώματος είναι ένα από τα πιο ενδιαφέροντα φαινόμενα των σχεδίων ηλεκτρονικών σήμερα.
Με την αυστηρότερη ενοποίηση, αυξάνεται η ανάγκη για περισσότερες φυσικές συνδέσεις μεταξύ εξαρτημάτων, συσκευών, πινάκων, πινάκων ή εξωτερικής καλωδίωσης. Η αξιόπιστη διασύνδεση των ηλεκτρονικών συστημάτων είναι ένα σημαντικό καθήκον, ειδικά όταν πρόκειται για απαιτητικές εφαρμογές σε αεροδιαστημικές, στρατιωτικές και βιομηχανικές εφαρμογές.
Στο μέλλον, τα αυτόνομα αυτοκίνητα και τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα θα απαιτήσουν όχι μόνο αξιόπιστες και ανθεκτικές διασυνδέσεις, αλλά και συμπαγείς και ελαφριές έννοιες για μηχανικό σχεδιασμό. Όσον αφορά τους συνδέσμους υψηλής αξιοπιστίας, η αρχική κυκλική ξιφολόγχη διατηρεί τη θέση της, αλλά σε πολλές εφαρμογές, η μινιατούρα και η συμπύκνωση απαιτούν μικρότερες και πιο ελαφριές εκδόσεις των συνδέσμων.
Υπάρχει μια αυξανόμενη ανάγκη για τα συστήματα που μπορούν να λειτουργήσουν στα σκληρά περιβάλλοντα, τα οποία συμβάλλουν επίσης στα σχέδια συνδετήρων που περιορίζονται σε μερικά γραμμάρια στο βάρος. Η αεροδιαστημική είναι ίσως η πιο κρίσιμη εφαρμογή από την άποψη της μείωσης του βάρους. Ένα παράδειγμα είναι το πρόγραμμα CubeSat των χαμηλού κόστους και ελαφρύ μίνι-δορυφόρους, που εγκαινιάστηκε το 1999 από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Είναι υποχρεωμένοι να μεταφέρουν μάζες όχι περισσότερο από 1.33kg ανά 10cm3.
Η διαδικασία επιλογής
Οι ηλεκτρομηχανικοί συνδετήρες είναι όλο και πιο σύνθετοι, σύμφωνα με έναν μακρύ κατάλογο προδιαγραφών όπως ο χειρισμός συνεχούς ρεύματος, η εκτίμηση τάσης, η μόνωση και η αντίσταση επαφών, η απώλεια εισαγωγής σε μια καθορισμένη συχνότητα, η διασταυρούμενη συζήτηση μεταξύ των αγωγών, η επαγωγή μεταξύ των αγωγών, η αμοιβαία χωρητικότητα, και οι μηχανικές δυνάμεις εισαγωγής και απόσυρσης.
Αυξανόμενης σημασίας είναι οι περιβαλλοντικές προδιαγραφές όπως η θερμοκρασία λειτουργίας, η υγρασία, ο κλονισμός, οι δονήσεις, το υψόμετρο και η αντίσταση ενάντια στις κοινές χημικές ουσίες.
Ο σχεδιασμός και η κατασκευή των συνδέσμων έχει επομένως εξελιχθεί σε ένα πεδίο για ειδικούς με τη φήμη για την εγγύηση του σήματος και της ακεραιότητας ισχύος των προϊόντων.
Ποιες είναι οι προκλήσεις;
Για να ξεπεραστούν οι προκλήσεις που αντιμετωπίζουν τώρα οι μηχανικοί σύνδεσμοι, οι κατασκευαστές τοποθετούν πολλαπλά σημεία επαφής. Αυτό φέρνει ένα βαθμό μηχανικής συμμόρφωσης για να εξασφαλιστεί ότι οι καθορισμένες χαμηλές τιμές αντίστασης επαφής και επαγωγής διατηρούνται υπό μηχανικές συνθήκες παραμόρφωσης, κραδασμών και κραδασμών.
Πρωταρχικής σημασίας στο σχεδιασμό ενός συνδέσμου είναι η παροχή μιας αξιόπιστης μηχανικής διεπαφής με ένα ελάχιστο της φυσικής και ηλεκτρικής ασυνέχειας. Κακά παραδείγματα θα ήταν dc hotspots, ή ac impedance αναντιστοιχίες ή απώλειες σε μεταδόσεις υψηλής συχνότητας.
Η ιστορία του σχεδιασμού του συνδετήρα είναι γεμάτη από προσπάθειες εφευρετικότητας, αλλά καθώς η ελαχιστοποίηση, η ενσωμάτωση και η ταυτόχρονη μείωση των διαστάσεων των συνδέσμων συνεχίζονται, νέες προκλήσεις έρχονται στο περιθώριο.
Οι επαφές καρφιτσών συστροφής είναι εύκολο να συνδέσουν και να αποσυνδεθούν
Μια απλή λύση για εφαρμογές σηματοδότησης και μετάδοσης ισχύος χαμηλής συχνότητας βρίσκεται στην τεχνολογία twist-pin που προσφέρει η Cinch. Διατίθεται σε πολλά στυλ της σειράς Dura-Con (Σχήμα 1).
Η ιδέα είναι να ομαδοποιήσετε επτά σκέλη επιχρυσωμένου σύρματος βηρυλλίου-χαλκού, να τα συγκολλήσετε στην άκρη και να τα επεκτείνετε μηχανικά για να σχηματίσουν ένα κλουβί με επτά σημεία επαφής διαθέσιμα μέσα στην περιφέρεια μιας γυναικείας καρφίτσας ζευγαρώματος.Αυτό το σχέδιο συστροφή-καρφιτσών χρησιμοποιείται στον ορθογώνιο συνδετήρα Dura-Con και το μικρο-Δ (MIL-DTL-83513). Διαμορφωμένο ως υποδοχή λωρίδας με ελάχιστο χώρο και βάρος, το Micro-D (Σχήμα 2) δημιουργεί έως και 60 συνδέσεις σε σειρά με βήμα έως 1,27 mm. Η διαδικασία εισαγωγής επεκτείνει το κλουβί με μια θετική δράση «σκούπισμα». Η απόσυρση συνάπτει το κλουβί, οπότε η δύναμη αποχώρησης παραμένει χαμηλή. Αυτό ελαχιστοποιεί επίσης τη μηχανική πίεση στην καλωδίωση στο συνδετήρα.
Μια άλλη λύση είναι μια τεχνολογία συμπίεσης που ονομάζεται CIN::APSE (Σχήμα 3). Είναι μια συνέχεια της ιδέας της παροχής πολλαπλών συνδέσεων μέσω μιας διακριτής δέσμης επιχρυσωμένων καλωδίων μολυβδαίνιο, τα οποία είναι τυχαία ομαδοποιούνται. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν επτά έως 11 σημεία επαφής σε κάθε άκρο, που γίνονται αγγίζοντας ένα μαξιλάρι ζευγαρώματος σε μια άκαμπτη ή ευέλικτη συσκευή PCB ή ημιαγωγών.
Η δέσμη εισάγεται σε ένα κατοχυρωμένο με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας κλεψύδρα σχήμα ανοίγματος στο μονωτικό υγρό-κρύσταλλο πολυμερές σώμα συνδετήρα. Οι εφαρμογές προορισμού περιλαμβάνουν διασυνδέσεις σύνδεσης μεταξύ PCB ή PCB για τη συμπερίληψη συσκευών συστοιχίας πλέγματος (LGA) (όπως asics και CPU). Ο αριθμός καρφιτσών I/O μπορεί να υπερβεί 7.000 σε μια πίσσα κάτω σε 1.0mm.
Οι επαφές Dura-Con Twist-Pin είναι θερμοκρασία-εκτιμημένος σε -55°C έως +135°C. Κάθε επαφή μπορεί να μεταφέρει 3A σε 600V AC στο επίπεδο της θάλασσας. Η αντίσταση επαφών είναι 8mΩ μέγιστο. Βαθμολογήθηκε με 170g και 11.33g (6.0-ουγκιά και 0.4-ουγκιά) μέγιστο αντίστοιχα, οι δυνάμεις εισαγωγής και απόσυρσης έχουν μια αναλογία μεγαλύτερη από 10:1.
Αυτό οφείλεται στην επέκταση και τη συστολή αποτέλεσμα του κλουβιού. Αυτή η επαφή μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές που απαιτούν ελεγχόμενη διαφορική σύνθετη αντίσταση, με αντίστοιχη καλωδίωση για υψηλή ακεραιότητα σήματος. Οι δοκιμές ψευδο-τυχαίας δυαδικής ακολουθίας (PRBS) με ρυθμό δεδομένων 1,25 Gbps έχουν αποδείξει αυτή την απόδοση και οι μετρήσεις ανακλασματομετρίας τομέα χρόνου (TDR) επιβεβαίωσαν μια διαφορική σύνθετη αντίσταση 100Ω.
Σε απόσταση 1,0 mm (0,04 ίντσες), η επαφή συμπίεσης CIN::APSE βαθμολογείται σε 3A έως 6A. Το διηλεκτρικό αντέχει 500V συνεχές ρεύμα στο επίπεδο της θάλασσας, το λειτουργικό εύρος θερμοκρασίας είναι -60°C έως +105°C. Η εκτίμηση κλονισμού είναι 100G, με τις δοκιμές κλονισμού που εκτελούνται για τους πελάτες σε ορισμένες εφαρμογές που φθάνουν 22.000G και μπορεί να αντισταθεί τις θερμοκρασίες τόσο χαμηλές όπως -200°C. Το εύρος συχνοτήτων φτάνει μέχρι τα 50GHz, ενώ η απώλεια εισαγωγής είναι -0.2dB στα 10GHz και μόλις -1.2dB στα 20GHz.
Μερικά άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά του σχεδιασμού περιλαμβάνουν πολύ χαμηλές τιμές διασταύρωσης μεταξύ των επαφών, σε λιγότερο από -25dB. Η απώλεια επιστροφής μετριέται ως -19dB στα 10GHz και η αντίσταση επαφής είναι μικρότερη από 10mΩ με επαγωγή μικρότερη από 0,5nH.
Σχήμα 4: CIN::Σύνδεσμοι APSE για asics,
διατοποθεστήρες και διατοποθεστήρες RF
Το CIN: Η επαφή APSE είναι διαθέσιμη με ένα ζευγαρωμένο ύψος 0.8mm ή 0.032-ίντσες, αλλά το αποτελεσματικό μήκος μπορεί να επεκταθεί με τις διάφορες επιλογές των διαστηματών και των έμβολων, τα οποία ενσωματώνονται στο μήκος της επαφής συνδετήρων. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να εκτείνονται αποστάσεις έως και 25,4 mm (μία ίντσα). Όταν η επαφή είναι ενσωματωμένη μεταξύ δύο εμβάθυνων, προστατεύεται μηχανικά από βλάβες στο χειρισμό. Η τεχνολογία αποδίδει καλύτερα όταν ένα σύστημα συμπίεσης χρησιμοποιείται για την παροχή ομοιόμορφης πίεσης σε όλη τη συστοιχία επαφών. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μια διάταξη των πλακών, άνοιξη και βίδες, όπως θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον τερματισμό ενός ευέλικτου κυκλώματος σε ένα PCB, ή ένα τυπικό σύστημα LGA με ένα πάνω ψύκτη και κάτω πλάκα ενίσχυση μεταξύ της LGA και το PCB. Θα καθοριστεί με βίδες ελεγχόμενης στάσης και ελατήρια με καθορισμένο ρυθμό για ομοιόμορφη κατανομή πίεσης.
Οι προσαρμοσμένες εκδόσεις των διατάξεων επαφών μπορούν να ρυθμιστούν σύμφωνα με τις απαιτήσεις του αποτυπώματος των πελατών μαζί με την πλήρη σχεδίαση του συστήματος συμπίεσης.
Καθώς το μικρό μέγεθος, η υψηλή πυκνότητα και η αξιόπιστη διασύνδεση σε σύγχρονες εφαρμογές έχουν αντικαταστήσει τους απλούς συνδετήρες τριβής - οι οποίοι σαφώς δεν επαρκούν για τις τρέχουσες εργασίες - μια τεχνολογία σύνδεσης εξοπλισμένη με ένα τερματικό πολλαπλών επαφών μπορεί να προσφέρει βέλτιστη απόδοση από dc σε δεκάδες GHz.
