Технически доклад: Устойчивост на съединителите
Независимо дали става дума за авиацията и космическата индустрия, индустриалната автоматизация, транспорта или здравеопазването: съединителите трябва винаги да осигуряват надеждно предаване на сигнала и при никакви обстоятелства не трябва да отказват. В същото време те са изложени на редица натоварвания от околната среда: Механични въздействия като удари, вибрации и колебания застрашават стабилността на предаването на данни, както и термични и химични въздействия от околната среда, причинени от екстремни температури, силни температурни колебания, вредни газове, влага и замърсявания. Производителите на висококачествени съединители използват затова цял набор от възможности, за да подготвят своите съединители срещу тези натоварвания.
Здравина въпреки миниатюризацията

Съвременната електротехника е подложена повече от всякога на една тенденция: миниатюризацията. При това модулите и техните компоненти трябва не само да стават все по-мощни, но и все по-малки. Въпреки това те често се използват в сурови реални условия. Поради това компонентите, както и съединителите, стават все по-фини при същото натоварване. Един висококачествен съединител обаче не само издържа на това натоварване също толкова добре, колкото по-старият и по-голям му брат, но дори и по-добре. Причината за това са подобренията в състава на материала, както и в дизайна на продукта, например в геометрията на изолационния корпус (фиг. 1).
Фактор „повърхност“

Множество фактори оказват влияние върху издръжливостта на съединителя. Един от тях е повърхността на контактите. Тя определя в значителна степен експлоатационния срок на съединителя, който обикновено се измерва в цикли на съединяване. При експлоатация на място съединителят е изложен на определени микродвижения. Те водят до износване на повърхността и вследствие на това до образуване на оксид (фиг. 2).
Резултатът е повишено съпротивление при преминаване и съответно по-лошо качество на предаването на сигнала. Затова е важно да се сведе до минимум износването на повърхността при включване и по време на работа с помощта на висококачествено и издръжливо покритие на контактите. За тази цел както ножовият, така и пружинният контакт трябва да имат съответно гладка повърхност. Въпреки нарастващите цени, златото все още се използва с удоволствие за повърхностни покрития поради неговата устойчивост на корозия и отлична проводимост. Тъй като чистото злато е меко, то се легира с 0,2 до 0,3 процента кобалт или никел, като по този начин се получава твърдо злато. Който обаче търси алтернатива с по-стабилна цена на тази структура на покритието, може да се обърне например към сплав от никел и фосфор с златно покритие. В определени съотношения тези два материала притежават положителните свойства, характерни и за златото: висока устойчивост на корозия, изразена износоустойчивост и отлична проводимост. За да се предотврати дифузия между контактния материал и повърхностното покритие, често се използва така нареченият никелов бариерен слой. С помощта на тази бариера може да се избегне корозията.
Фактор, оказващ влияние: дизайн на контактите

Контактите на съединителя се изрязват или извиват. При изрязването обаче на долната страна на лентата се образува нехомогенна повърхност с остри ръбове, видима под микроскоп. Конвенционалните системи осъществяват контакт по този щанцован ръб, което води до засилено износване на повърхността и следователно до по-високо съпротивление на прехода. Това може да се избегне, ако пружинната тулпа се огъне на 90 градуса в т.нар. процес на щанцово огъване, така че да докосва ножовия контакт с гладката, валцована повърхност (фиг. 3).
Но не само дизайнът на пружинната планка, но и този на ножовата планка са решаващи за дълготрайността на съединителя. Защото и последните трябва да бъдат изрязани и обработени прецизно, за да се избегнат дефектни, остри геометрии.
Но не само дизайнът на пружинната планка, но и този на ножовата планка са решаващи за дълготрайността на съединителя. Защото и последните трябва да бъдат изрязани и обработени прецизно, за да се избегнат дефектни, остри геометрии.
Фактор, оказващ влияние: система за контакти

Класическите двукомпонентни съединители разполагат с ножов и пружинен контакт. При силен удар обаче ножовият контакт може да се отдели от пружинния контакт. За да не се стигне до такова прекъсване на контакта, може да се осигури резервираност и по този начин сигурност на контакта с помощта на двустранен пружинен контакт, тъй като благодарение на втората пружина предаването на сигнала е гарантирано по всяко време поне през една контактна точка (фиг. 4).

Още по-здрави са обаче съединителите с така наречената „неутрална по пол“ контактна система. Особеността се състои в идентичната геометрия на контактите на двете половинки на съединителя – щепсела и гнездото. И двете разполагат както с пружина, така и с контактно острие. По този начин всеки пин се свързва с две пружини, като щепселът и гнездото са преплетени един в друг и не могат да се отделят един от друг. Докато двустранната пружинна лента при механично натоварване винаги осигурява поне една точка на контакт, преплетените геометрии при системите с неутрални по пол контакти гарантират, че предаването на сигнала винаги протича през две точки на контакт. Тази висока излишност позволява по този начин максимална сигурност на контакта (фиг. 5).

По отношение на своята здравина, тази система с неутрален пол се превъзхожда само от еднокомпонентните съединители. Те напълно се отказват от класическия двукомпонентен принцип на контакт с ножови и пружинни решетки. Благодарение на премахването на уязвимата контактна зона еднокомпонентните съединители не само притежават най-висока устойчивост срещу удари, вибрации, влага, прах и атмосферни условия, но са подходящи и за заливане и други методи за защита на компонентите. В комбинация с технологията за впресване те представляват най-сигурната механична и електрическа връзка между две печатни платки (фиг. 6).
Фактор, оказващ влияние: техника на свързване

Има различни начини за монтиране на конектори върху печатните платки. Един от тях е вече споменатата техника на впресване. Целта ѝ е да се постигнат възможно най-високи удържащи сили между конектора и печатната платка при възможно най-малко усилие на впресване. Силите на задържане определят механичната връзка, която от своя страна трябва да издържа на удари и вибрации. Тази техника на свързване е изпитана милиарди пъти, при която впресващ щифт се впресва в отвор с проходно свързване в печатната платка (фиг. 7).

При това щифтът за впресване има по-голяма диагонал от диаметъра на отвора в печатната платка. Щифтът на съединителя е гъвкав в зоната на впресване, за да не се деформира печатната платка под въздействието на физическите сили по време на процеса на впресване. Поради това деформацията се ограничава до зоната на втискане (фиг. 8). Възниква студено заваряване между контактния щифт и метализирания отвор в печатната платка: газонепроницаема, устойчива на корозия, нискоомна и добре проводяща електричество механична връзка, която е подходяща и за заливане. Освен това тя е специфицирана в DIN EN 60352-5 и запазва надеждността на контакта дори при много високи механични и термични натоварвания, като вибрации, огъване и силни температурни колебания, и издържа дори на ударно натоварване до 200 g.
Благодарение на отличните си характеристики на здравина и десет пъти по-добрата честота на откази (FIT-Rate) в сравнение с автоматично запоените съединители, технологията за впресване се използва често в приложения с висока степен на сигурност, при които предаването на сигнала не трябва да бъде прекъсвано при никакви обстоятелства, например в системи за въздушни възглавници или модули ABS и ESP.
Благодарение на отличните си характеристики на здравина и десет пъти по-добрата честота на откази (FIT-Rate) в сравнение с автоматично запоените съединители, технологията за впресване се използва често в приложения с висока степен на сигурност, при които предаването на сигнала не трябва да бъде прекъсвано при никакви обстоятелства, например в системи за въздушни възглавници или модули ABS и ESP.

Но техниката на впресване не винаги е подходяща, например когато печатните платки трябва да бъдат монтирани от двете страни или когато не може да се спази минималното разстояние до компонентите в посоката на усилието. Друга възможност за създаване на надеждна и трайна връзка между конектора и печатната платка е технологията за повърхностен монтаж (SMT). При нея конекторите се запояват с помощта на спояваща паста върху определени повърхности на печатната платка, наречени спояващи площадки. Едва в така наречената пещ за претопяване спойката се разтопява и след това се втвърдява. Чрез SMT могат да се реализират стабилни връзки между конектора и печатната платка. За това обаче трябва да бъдат изпълнени някои критерии: На първо място, за спойка, отговаряща на стандарта IPC-A-610, трябва да се спазва правилното съотношение между спойната основа, спойната площадка и спойната паста. Само по този начин се създава висококачествена връзка, която позволява свързване съгласно клас 3 по IPC, т.е. подходяща е за използване във високопроизводителна електроника. В тази класа трябва да се изключат по всяко време прекъсвания в предаването на сигнала. Оптималната спойка се разпознава по равномерното образуване на менискус. Контактът трябва да бъде обграден от всички страни от спойния менискус, за да се постигнат най-добрите сили на задържане върху печатната платка. (Фиг. 9).
Копланарността на контактните крачета е предпоставка за отлично свързване. Ако всички тези условия са изпълнени, SMT-конекторите могат доказано да издържат на механични натоварвания до 400 N.
Фактор, оказващ влияние: дизайнът на изолационния елемент

Освен това геометрията на изолационния корпус на съединителя спомага за предпазването на контактите от повреда по време на експлоатация или монтаж. Тя трябва да бъде така проектирана, че уязвимите контакти да са защитени във вътрешността на съединителя.
Наклонените входни повърхности също помагат за предотвратяване на повреди при монтажа. Те спомагат за компенсиране на евентуално изместване на печатните платки във всяка посока при съединяване. С помощта на допълнителна зона за захващане двете половинки на съединителя могат да се съединят без повреда дори в случай на центриране или ъглово изместване (фиг. 10).
Наклонените входни повърхности също помагат за предотвратяване на повреди при монтажа. Те спомагат за компенсиране на евентуално изместване на печатните платки във всяка посока при съединяване. С помощта на допълнителна зона за захващане двете половинки на съединителя могат да се съединят без повреда дори в случай на центриране или ъглово изместване (фиг. 10).

Някои съединители разполагат освен това с фиксатори за платки. Под това се разбират метални скоби, които са закрепени към изолационния корпус и също се запояват върху печатната платка (фиг. 11). По този начин те осигуряват допълнителна стабилност – дори при неблагоприятни условия като вибрации и удари.
Фактор на влияние Допустим диапазон

Диапазонът на допуски на един конектор играе решаваща роля при оценката на неговата издръжливост. Ако конекторът не може да компенсира дадените допуски, механичните движения водят до износване или дори до повреда на съединението. При монтажа наклонените повърхности за вкарване помагат за безпроблемно съединяване на ножовия и пружинния разпределител. Но дори и в съединено състояние микродвиженията трябва да бъдат компенсирани. Това се постига чрез геометрията на контактните и изолационните елементи. Ако съединителят разполага с функция за плаващо съединение, той може да компенсира до ±0,4 mm дори по време на работа. Тази функция придобива все по-голямо значение, тъй като играе решаваща роля при монтажа на печатна платка с няколко съединителя. В реалните условия обаче натоварванията възникват не само в x- и y-посока, но и в z-посока (фиг. 12).

Тук възниква въпросът за надеждността на съединението при прехвърляне. Тя описва зоната на припокриване между ножовия и пружинния конектор и по този начин позволява не само различни разстояния между печатните платки, но и – в зависимост от размера на тази зона – различни диапазони на допуски (фиг. 13).
Максималното компенсиране на толерансите обаче се постига чрез кабелна връзка. Тук дължината на кабела определя диапазона на толеранс на съединителя.
Максималното компенсиране на толерансите обаче се постига чрез кабелна връзка. Тук дължината на кабела определя диапазона на толеранс на съединителя.
Методи за изпитване

За да се тестват изчерпателно съединителите по отношение на тяхната издръжливост, съществуват различни методи за изпитване. При тях се разглеждат променливи като електрическа устойчивост и съпротивление на прехода съответно преди и след тест за натоварване, а състоянието на контактите се проверява визуално. Така например може да се провери въздействието на 500 цикъла на включване върху диелектрическата якост или да се установи чрез климатичен тест дали няколко часа при температура първо -55 °C, а след това 125 °C оказват негативно въздействие върху съпротивлението на прехода на съединителя. При теста за температурен шок съединителят трябва да издържи бързата смяна между тези екстремни температури 100 пъти по 30 минути. Също така отклонението по дължина и ъгъл при съединяване, както и диапазонът на допустимите отклонения в съединено състояние, трябва не само да бъдат проверени теоретично на CAD модела, но и да бъдат изпитани обстойно на практика, а устойчивостта да бъде потвърдена емпирично. Също толкова важно е различните тестове, които са критични за контактната повърхност, да се извършват и в комбинация, за да се симулират реални условия. Така например тестовете за цикли на включване и за вредни газове могат да се провеждат в комбинация, за да се гарантира, че характеристиките на съединителя по отношение на съпротивлението на прехода и устойчивостта на напрежение не са се влошили и че контактите не са претърпели повреди (фиг. 14).
Вашият дизайн – Вашият избор

В зависимост от изискванията на приложението съществуват различни критерии за издръжливост, на които трябва да отговаря даден конектор. Трябва ли например да компенсира големи отклонения? Изложен ли е на силни удари или вибрации? Използва ли се в условия на силно въздействие на топлина или студ? Или решението за свързване трябва да бъде защитено от влага, вредни газове или замърсявания? Ако потребителят се ориентира по тези въпроси при избора на решение за свързване, той може да бъде сигурен, че неговият конектор е оптимално подготвен за използване на място.

