Whitepaper Rugged Bildwechsel 2021
Biała księga

Dokument techniczny: Wytrzymałość złączy

Niezależnie od tego, czy chodzi o lotnictwo i kosmonautykę (lotnictwo i kosmonautyka), automatykę przemysłową, transport czy służbę zdrowia: złącza (złącze) muszą zawsze zapewniać niezawodną transmisję sygnału i pod żadnym pozorem nie mogą ulec awarii. Jednocześnie są one narażone na szereg obciążeń wynikających z otoczenia: Wpływy mechaniczne, takie jak wstrząsy, wibracje i drgania, zagrażają stabilności transmisji danych w takim samym stopniu, jak czynniki termiczne i chemiczne wynikające z ekstremalnych temperatur, silnych wahań temperatury, szkodliwych gazów, wilgoci i zanieczyszczeń. Producenci wysokiej jakości złączy (złącze) wykorzystują zatem cały wachlarz możliwości, aby zabezpieczyć swoje złącza przed tymi obciążeniami. 

Wytrzymałość pomimo miniaturyzacji

Groessenvergleich
Rys. 1: Stare złącze DIN serii D o raster 5,08 mm oraz poniżej nowe złącze Zero8 o raster 0,8 mm
Współczesna elektrotechnika podlega bardziej niż kiedykolwiek wcześniej trendowi miniaturyzacji. Podzespoły i ich elementy muszą być nie tylko coraz wydajniejsze, ale także coraz mniejsze. Niemniej jednak często są one eksploatowane w trudnych warunkach rzeczywistych. Dlatego też elementy, takie jak złącza (złącze), przy niezmiennym obciążeniu stają się coraz bardziej filigranowe. Wysokiej jakości złącze (złącze) nie tylko wytrzymuje te obciążenia równie dobrze jak jego starszy i większy odpowiednik, ale nawet lepiej. Wynika to z udoskonaleń w składzie materiałowym oraz w konstrukcji produktu, na przykład w geometrii elementu izolacyjnego (rys. 1).

Czynnik wpływający: powierzchnia

Abrieb Oberflaeche
Rys. 2: Ścieranie i korozja powierzchnia styku
 Na wytrzymałość złącza wpływa wiele czynników. Jednym z nich jest powierzchnia styku. Decyduje ona w znacznym stopniu o żywotności złącza, mierzonej zazwyczaj w cykl wtykania. Podczas eksploatacji w terenie złącze jest narażony na pewne mikroruchy. Prowadzą one do ścierania powierzchni, a w konsekwencji do tworzenia się tlenku (rys. 2).

Konsekwencją tego jest zwiększony opór przejściowy (rezystancja styku), a tym samym gorsza jakość transmisji sygnału. Dlatego też należy, za pomocą wysokiej jakości i trwałej powłoki kontaktowej (pokrycie styku), zredukować do minimum ścieranie powierzchni podczas podłączania oraz podczas eksploatacji. W tym celu zarówno kontakty nożowe, jak i sprężynowe (styk żeński) muszą mieć odpowiednio gładką powierzchnię. Pomimo rosnących cen złoto jest nadal chętnie stosowane do powlekania powierzchni ze względu na swoją odporność na korozję i doskonałą przewodność. Ponieważ czyste złoto jest miękkie, stopuje się je z dodatkiem 0,2–0,3 procent kobaltu lub niklu, uzyskując w ten sposób twarde złoto (twarde złoto). Kto jednak poszukuje alternatywy o bardziej stabilnej cenie w stosunku do tej struktury powłoki, może na przykład skorzystać ze stopu niklu z fosforem z dodatkiem „złocenie flash”. W określonych proporcjach połączenie tych dwóch materiałów zapewnia pozytywne właściwości charakterystyczne również dla złota: wysoką odporność na korozję, znaczną odporność na zużycie oraz doskonałą przewodność. Aby zapobiec dyfuzji między materiałem stykowym a powłoką powierzchniową, często stosuje się tzw. warstwę barierową z niklu. Dzięki tej barierze można uniknąć korozji.

Czynnik wpływający: konstrukcja elementów stykowych

ept f g w 150x
Rys. 3: Sprężyna typu tulipan w modelu One27 po procesie wykrawania i gięcia
Styki złącza są tłoczone lub toczone. Jednak podczas tłoczenie na spodniej stronie taśmy tłoczonej powstaje niejednorodna powierzchnia o ostrych krawędziach, widoczna pod mikroskopem. Tradycyjne systemy nawiązują styk właśnie na tej krawędzi wykrawania (krawędź cięta), co wiąże się ze zwiększonym ścieraniem powierzchni, a co za tym idzie – z wyższym oporem rezystancja styku. Można tego uniknąć, wyginając wkładkę sprężynową o 90 stopni w tak zwanym procesie wykrawania z gięciem (Stanzbiegeprozess), tak aby stykała się z gładką, walcowaną powierzchnią noża (styk męski) (rys. 3).
 
Jednak nie tylko konstrukcja listwy sprężynowej (złącze żeńskie), ale także listwy nożowej (złącze męskie) ma decydujące znaczenie dla trwałości złącza wtykowego. Również ta ostatnia musi być bowiem precyzyjnie tłoczona i poddawana dalszej obróbce, aby uniknąć wadliwych, ostrych krawędzi.

Czynnik wpływający: system kontaktowy

Doppelseitiger Federkontakt
Rys. 4: Schematyczne przedstawienie: dwustronny styk żeński One27 bez (po lewej) i pod wpływem wstrząsu (po prawej)
Klasyczne dwuczęściowe złącza (złącze) posiadają styk nożowy (Messer) oraz styk sprężynowy (styk żeński). Jednak w przypadku silnego wstrząsu listwa nożowa (złącze męskie) może odłączyć się od listwy sprężynowej (złącze żeńskie). Aby zapobiec takiemu przerwaniu kontaktu (przerwa w styku), można zapewnić nadmiarowość (Redundanz), a tym samym bezpieczeństwo kontaktu, za pomocą dwustronnej listwy sprężynowej (złącze żeńskie), ponieważ dzięki drugiemu stykowi sprężynowemu transmisja sygnału jest w każdej chwili zapewniona co najmniej przez jeden punkt styku (rys. 4).
Schnitt Doppelkontakt
Rys. 2: Optymalizacja złącze ept Colibri z 10+ Gbit/s do 16+ Gbit/s
Jeszcze bardziej wytrzymałe są natomiast złącza (złącze) z tak zwanym „hermafrodytycznym” systemem styków. Ich cechą charakterystyczną jest identyczna geometria styków w obu połówkach złącza – wtyku (Plug) i gnieździe (Socket). Obie części posiadają zatem zarówno sprężynę, jak i ostrze. W ten sposób każdy pin jest stykany przez dwie sprężyny, a wtyk i gniazdo są ze sobą splecione i nie mogą się od siebie odłączyć. Podczas gdy dwustronna listwa stykowa (złącze żeńskie) pod obciążeniem mechanicznym zawsze zapewnia co najmniej jeden punkt styku, przeplatające się geometrie w systemach stykowych neutralnych pod względem płci gwarantują, że transmisja sygnału zawsze przebiega przez dwa punkty styku. Ta wysoka redundancja zapewnia zatem maksymalne bezpieczeństwo styku (rys. 5).
Schliffbild Verguss
Rys. 6: zgład metalograficzny dwuczęściowego złącze w porównaniu z jednoczęściowym flexilinkb-t-b po zalewanie
Pod względem wytrzymałości ten system styków hermafrodytycznych przewyższają jedynie złącza jednoczęściowe. Rezygnują one całkowicie z klasycznej dwuczęściowej zasady styku opartej na listwie nożowej i listwie sprężynowej (złącze żeńskie). Dzięki wyeliminowaniu wrażliwego obszaru styku złącza jednoczęściowe (złącze) nie tylko charakteryzują się najwyższą odpornością na wstrząsy, wibracje, wilgoć, pył i warunki atmosferyczne, ale nadają się również do zalewania (zalewanie) oraz innych metod ochrony komponentów. W połączeniu z techniką wciskania (technologia press-fit) stanowią one najbezpieczniejsze połączenie mechaniczne i elektryczne dwóch płytek drukowanych (rys. 6). 


Czynnik wpływający: technika połączeniowa

Bild Einpressen 4c
Rys. 7: Proces wciskania
Istnieją różne sposoby mocowania złączy (złącze) na płytkach drukowanych. Jednym z nich jest wspomniana już technika wciskania (technologia press-fit). Jej celem jest uzyskanie jak największej siły utrzymania między złączem a płytką drukowaną przy jak najmniejszej sile wciskania (siła wciskania). Siły utrzymania decydują o połączeniu mechanicznym, które z kolei musi wytrzymać wstrząsy i drgania. Ta technika łączenia (technika połączeniowa) jest sprawdzoną miliard razy metodą, w której kołek wciskanpin wciskany) jest wciskany w otwór przelotowy (otwór metalizowany) w płytce drukowanej (rys. 7). 
schnitt tcom press 02
Rys. 8: Zdjęcie mikroskopowe strefy wciskania (strefa wciskania) Tcom press® firmy ept
  W tym przypadku element „ pin wciskany ” ma większą przekątną niż średnica otworu w płytce drukowanej. Kołek złącza jest elastyczny w „ strefa wciskania ”, dzięki czemu płytka drukowana nie ulega odkształceniu pod wpływem sił fizycznych podczas procesu wciskania. Odkształcenie ogranicza się zatem do strefa wciskania (rys. 8). Powstaje zgrzewanie na zimno między pin stykowy a metalizowanym otworem w płytce drukowanej: gazoszczelne, odporne na korozję, niskorezystancyjne i dobrze przewodzące prąd połączenie mechaniczne, które nadaje się również do zalewanie. Ponadto połączenie to jest określone w normie DIN EN 60352-5 i zachowuje niezawodny kontakt nawet przy bardzo dużych obciążeniach mechanicznych i termicznych, takich jak wibracje, zginanie i gwałtowne zmiany temperatury, a także wytrzymuje obciążenia udarowe do 200 g.
 
Ze względu na doskonałą wytrzymałość oraz dziesięciokrotnie lepszą odporność na wstrząsy ( intensywność uszkodzeń ) (wskaźnik FIT) w porównaniu z automatycznie lutowanymi złącze, złącze technologia press-fit jest chętnie stosowane w zastosowaniach o wysokim poziomie bezpieczeństwa, w których transmisja sygnału nie może zostać przerwana pod żadnym pozorem, na przykład w systemach poduszek powietrznych lub modułach ABS i ESP.
Meniskusbildung
Rys. 9: Równomierne tworzenie się menisku wokół wyprowadzenie SMT One27
Jednak technika wciskania (technologia press-fit) nie zawsze jest odpowiednia, na przykład gdy płytki drukowane mają być montowane dwustronnie lub gdy nie można zachować minimalnej odległości od elementów w kierunku działania siły. Inną możliwością zapewnienia niezawodnego i trwałego połączenia między złączem (złącze) a płytką drukowaną jest wówczas technologia montażu powierzchniowego (SMT). Za pomocą pasty lutowniczej (pasta lutownicza) złącze są przylutowywane do określonych pól lutowniczych płytki drukowanej, tzw. pól lutowniczych (Lötpads). Dopiero w tak zwanym piecu reflow (piec rozpływowy) lut ulega stopieniu, a następnie utwardzeniu. Dzięki technologii SMT można uzyskać stabilne połączenia między wtykiem a płytką drukowaną. Wymaga to jednak spełnienia kilku kryteriów: po pierwsze, aby połączenie lutowane była zgodna z normą IPC-A-610, należy zachować właściwy stosunek między wyprowadzenie SMT, pole lutownicze a pasta lutownicza. Tylko w ten sposób powstaje połączenie wysokiej jakości, które umożliwia połączenie zgodnie z klasą IPC 3, a więc nadaje się do zastosowania w elektronice wysokowydajnej. W tej klasie należy w każdym momencie wykluczyć awarie w transmisji sygnału. Optymalne połączenie lutowane rozpoznaje się po równomiernym uformowaniu menisku. Styk musi być całkowicie otoczony meniskiem lutowniczym, aby uzyskać najlepszą siłę utrzymania na płytce drukowanej (rys. 9). 
Koplanarność nóżek stykowych jest przy tym warunkiem koniecznym dla uzyskania doskonałego połączenia. Jeśli wszystkie te warunki są spełnione, wtyki SMT wykazują odporność na obciążenia mechaniczne do 400 N.

Czynnik wpływający: konstrukcja korpusu izolacyjnego

ept Mitten Winkel Versatz
Rys. 10: Złącze Zero8 (złącze) umożliwia przesunięcie osiowe (przesunięcie promieniowe) o ±0,7 mm oraz przesunięcie kątowe (przesunięcie kątowe) o 4°
 Geometria korpusu izolacyjnego złącza pomaga ponadto chronić styki przed uszkodzeniem podczas pracy lub montażu. Powinna być tak skonstruowana, aby wrażliwe styki wewnątrz złącza były odpowiednio zabezpieczone.

 Dzięki fazowanym krawędziom wprowadzającym można również uniknąć uszkodzeń podczas montażu. Pomagają one wyrównać przesunięcie płytek drukowanych w dowolnym kierunku podczas wkładania. Dzięki dodatkowemu obszarowi blokującemu obie połówki złącza można połączyć bez uszkodzeń nawet w przypadku przesunięcia środkowego lub kątowego (rys. 10).

ept Boardlock
Rys. 11: Boardlock w modelu One27
Niektóre złącze są ponadto wyposażone w elementy typu „Boardlock”. Są to metalowe uchwyty przymocowane do korpus izolacyjny, które są również przylutowane do płytki drukowanej (rys. 11). W ten sposób zapewniają one dodatkową stabilność – nawet w niekorzystnych warunkach, takich jak wibracje i wstrząsy.

Czynnik wpływający Zakres tolerancji

Toleranzausgleich im Betrieb
Rys. 12: Kompensacja kompensacja tolerancji w Zero8 we wszystkich kierunkach
Zakres tolerancji złącza odgrywa decydującą rolę w ocenie jego wytrzymałości. Jeśli wtyk nie jest w stanie skompensować określonych tolerancji, ruchy mechaniczne prowadzą do zużycia, a nawet uszkodzenia połączenia. Podczas montażu pomocne są fazy wprowadzające, które umożliwiają bezuszkodzeniowe podłączenie listwy nożowej i listwy typu „złącze żeńskie”. Jednak również w stanie podłączonym konieczne jest kompensowanie mikroruchów. Udaje się to dzięki geometrii styków i elementów izolacyjnych. Jeśli złącze (złącze) posiada funkcję „floating-Funktion”, może kompensować odchylenia nawet do ±0,4 mm podczas pracy. Funkcja ta zyskuje na znaczeniu, ponieważ odgrywa decydującą rolę podczas montażu płyty drukowanej z wieloma złączami. W warunkach eksploatacyjnych obciążenia występują jednak nie tylko w kierunkach x i y, ale również w kierunku z (rys. 12).

UEberstecksicherheit
Rys. 13: Zakres nakładania wynoszący 1,5 mm i 0,9 mm zapewnia dodatkowe zabezpieczenie styku w przypadku One27
W tym kontekście pojawia się kwestia zabezpieczenia przed włożeniem na wylot (efektywna długość połączenia) złącza. Opisuje ono obszar nakładania się listwy nożowej i listwy sprężynowej (złącze żeńskie), umożliwiając w ten sposób nie tylko różne odstępy między płytkami drukowanymi, ale – w zależności od wielkości tego obszaru – również zakresy tolerancji (rys. 13).

Natomiast maksymalną kompensację tolerancji można osiągnąć za pomocą połączenia kablowego. W tym przypadku długość kabla decyduje o zakresie tolerancji złącza.

Procedura kontrolna

Zero8 nach Kombi Pruefung
Rys. 14: Nienaruszone styki gniazda Zero8 Socket po pomyślnym przejściu testu na odporność na szkodliwe gazy w cykl wtykania wtykania
 Aby dokładnie przetestować złącza (złącze) pod kątem ich wytrzymałości, stosuje się różne procedury testowe. W tym celu analizuje się takie zmienne, jak wytrzymałość napięciowa (wytrzymałość na napięcie) oraz rezystancja styku (rezystancja przejściowa), zarówno przed, jak i po teście obciążeniowym, a także przeprowadza się wizualną kontrolę stanu styków. W ten sposób można na przykład sprawdzić wpływ 500 cykli cykl wtykania na wytrzymałość na napięcie (wytrzymałość napięciowa) lub w badaniu klimatycznym ustalić, czy kilkugodzinna ekspozycja najpierw w temperaturze -55°C, a następnie 125°C ma negatywny wpływ na rezystancję przejściową (rezystancja styku) złącza. W przypadku testu szoku termicznego złącze musi wytrzymać 100 cykli szybkiej zmiany między tymi ekstremalnymi temperaturami, po 30 minut w każdej z nich. Również przesunięcie środkowe i przesunięcie kątowe podczas wtykania, podobnie jak zakres tolerancji w stanie wtykowym, powinny być nie tylko sprawdzane teoretycznie na modelu CAD, ale także poddawane wyczerpującym testom w praktyce, a ich wytrzymałość potwierdzana empirycznie. Równie ważne jest, aby różne badania mające kluczowe znaczenie dla powierzchnia styku (powierzchni styku) były przeprowadzane łącznie w celu symulacji rzeczywistych warunków. Na przykład testy cykli wcykl wtykania- oraz badanie w mieszaninie gazów korozyjnych można przeprowadzać łącznie, aby upewnić się, że parametry złącza w zakresie rezystancja styku oraz wytrzymałość napięciowa nie uległy pogorszeniu, a styki nie uległy uszkodzeniu (rys. 14). 

Twój projekt – Twój wybór

Bewerbungsprozess Icons 2000x1457px Gluehbirne FREI
W zależności od wymagań zastosowania obowiązują różne kryteria wytrzymałości, które musi spełniać złącze (złącze). Czy musi ono na przykład kompensować duże tolerancje? Czy jest narażone na duże obciążenia udarowe lub wibracje? Czy jest eksploatowane pod wpływem silnego działania wysokich lub niskich temperatur? A może rozwiązanie połączeniowe musi być chronione przed wilgocią, szkodliwymi gazami lub zanieczyszczeniami? Jeśli użytkownik przy wyborze rozwiązania połączeniowego kieruje się tymi pytaniami, może mieć pewność, że jego złącze (złącze) jest doskonale przygotowane do pracy w terenie. 

Bardzo dziękujemy! Wkrótce

skontaktujemy się z Państwem, aby omówić Państwa wymagania. Przygotujemy i prześlemy Państwu szczegółowy raport dotyczący właściwości HighSpeed oraz parametr S do symulacji Państwa własnego projektu.

Właściwości HighSpeed + zamów parametr S do symulacji własnego projektu

Pola oznaczone * są obowiązkowe.
Naszą politykę prywatności można znaleźć tutaj.

Twoja wiadomość została wysłana.

Dziękujemy za zainteresowanie – jak najszybciej rozpatrzymy Twoje zapytanie.

Formularz kontaktowy

Pola oznaczone * są obowiązkowe.

Dane osobowe

Twoja wiadomość

Ochrona danych

Naszą politykę prywatności można znaleźć tutaj.

Twoja wiadomość została wysłana.

Dziękujemy za zainteresowanie – jak najszybciej rozpatrzymy Twoje zapytanie.

Formularz kontaktowy

Pola oznaczone * są obowiązkowe.

Dane osobowe

Wycofanie z rynku

Twoja wiadomość

Jestem zainteresowany

Materiały informacyjne

Ochrona danych

Naszą politykę prywatności można znaleźć tutaj.

Bardzo dziękujemy za zainteresowanie

Tutaj można pobrać dokument:

Pobierz dokument

Zanim będzie można pobrać dokument, prosimy o wypełnienie poniższych pól. Dziękujemy.

Pola oznaczone symbolem * są obowiązkowe.

Dane osobowe

Ochrona danych

Naszą politykę prywatności można znaleźć tutaj.

Twoja wiadomość została wysłana.

Bardzo dziękujemy za zainteresowanie naszym wydarzeniem networkingowym po targach Electronica. Rozpatrzymy Twoje zgłoszenie i jak najszybciej potwierdzimy Twój udział.

Formularz zapytania

Pola oznaczone * są obowiązkowe.

Dane osobowe

Ochrona danych

Naszą politykę prywatności można znaleźć tutaj.

Dziękujemy za zapytanie

Sprawdzimy Państwa wymagania i skontaktujemy się z Państwem tak szybko, jak to możliwe.

Państwa wymagania dotyczące potrzebnego złącza

Pola oznaczone symbolem * są obowiązkowe – prosimy o ich wypełnienie.

Osoba kontaktowa

Państwa zapytanie

Nieprawidłowy format pliku! Wybierz plik PDF lub JPG.
Naszą politykę prywatności można znaleźć tutaj.

Dziękujemy za zapytanie

Sprawdzimy Państwa wymagania i skontaktujemy się z Państwem tak szybko, jak to możliwe.

Zapytaj o indywidualne rozwiązania w zakresie złącze

Pola oznaczone symbolem * są obowiązkowe – prosimy o ich wypełnienie.

Osoba kontaktowa

Państwa zapytanie

Nieprawidłowy format pliku! Wybierz plik PDF lub JPG.
Naszą politykę prywatności można znaleźć tutaj.