Integration på system-, PCB- och integrerad kretsnivå är ett av de mest spännande fenomenen i dagens elektronikdesign.
Med stramare integration ökar behovet av mer fysiska anslutningar mellan komponenter, enheter, kort, paneler eller extern kabling. Tillförlitligt sammankoppling av elektroniska system är en viktig uppgift, särskilt när det gäller krävande tillämpningar inom flyg-, militär- och industriapplikationer.
I framtiden kommer autonoma bilar och obemannade flygfordon att kräva inte bara pålitliga och hållbara sammankopplingar utan också kompakta och lätta koncept för mekanisk design. När det gäller anslutningar med hög tillförlitlighet behåller den ursprungliga cirkulära bajonetten sin nisch men i många applikationer kräver miniatyrisering och kompakthet mindre och lättare versioner av anslutningar.
Det finns ett växande behov av system som kan fungera i tuffa miljöer, vilket också bidrar till anslutningsdesign som är begränsade till några gram i vikt. Aerospace är kanske den mest kritiska tillämpningen när det gäller viktminskning. Ett exempel är CubeSat-programmet med lågkostnads- och lätta minisatelliter som invigdes 1999 av Stanford University. De är skyldiga att bära massor av högst 1,33 kg per 10 cm3.
Urvalsprocessen
Elektromekaniska anslutningar blir alltmer komplexa och överensstämmer med en lång lista med specifikationer som likströmshantering, spänningsgrad, isolering och kontaktmotstånd, införingsförlust vid en viss frekvens, tvärtal mellan ledare, induktans mellan ledare, ömsesidig kapacitet och mekanisk insättning och tillbakadragande styrkor.
Av växande betydelse är miljöspecifikationer som driftstemperatur, fuktighet, chock, vibrationer, höjd och motstånd mot vanliga kemikalier.
Designen och tillverkningen av kontakter har därför vuxit till ett område för specialister med ett rykte för att garantera signalens och effektintegriteten för produkter.
Vilka är utmaningarna?
För att övervinna de utmaningar som mekaniska anslutningar nu står inför passar tillverkarna flera kontaktpunkter. Detta ger en viss grad av mekanisk överensstämmelse för att säkerställa att de specificerade låga kontakthållfastheten och induktansvärdena upprätthålls under mekanisk deformation, chock och vibrationspåverkan.
Den viktigaste frågan i anslutningens design är att tillhandahålla ett tillförlitligt mekaniskt gränssnitt med ett minimum av fysisk och elektrisk diskontinuitet. Dåliga exempel skulle vara DC-hotspots eller AC-impedansmatchningar eller förluster vid högfrekvensöverföringar.
Historik för anslutningsdesign är full av försök till uppfinningsrikedom, men när miniatyrisering, integration och den samtidiga minskningen av anslutningarnas dimensioner fortsätter, kommer nya utmaningar i framtiden.
Twist-pin-kontakter är enkla att ansluta och koppla bort
En enkel lösning för lågfrekvenssignalering och kraftöverföringsapplikationer finns i twist-pin-tekniken som erbjuds av Cinch. Det finns i många stilar i Dura-Con-serien (figur 1).
Tanken är att buntas sju trådar av guldpläterad beryllium-koppartråd, svetsa dem vid spetsen och mekaniskt utöka dem för att bilda en bur med sju kontaktpunkter tillgängliga i periferin av en parande kvinnlig stift.Denna vridstiftdesign används i den rektangulära Dura-Con-anslutningen och Micro-D (MIL-DTL-83513). Micro-D (figur 2) konfigureras som en remsanslutning med minimal utrymme och vikt, och skapar upp till 60 anslutningar online med en tonhöjd ner till 1,27 mm. Införingsprocessen utvidgar buren med en positiv "torknings" -åtgärd. Uttag kontrakterar buren, så uttagskraften förblir låg. Detta minimerar också den mekaniska påkänningen på ledningarna till kontakten.
En annan lösning är en komprimeringsteknik som kallas CIN :: APSE (figur 3). Det är en fortsättning på idén att tillhandahålla flera anslutningar genom ett diskret bunt av guldpläterade molybdentrådar, som slumpmässigt buntas. Detta innebär att det finns sju till 11 kontaktpunkter i varje ände, gjorda genom att vidröra en kopplingsdyna på en styv eller flexibel kretskort eller halvledaranordning.
Knippet sätts in i en patenterad timglasformad öppning i den isolerande vätskekristallpolymeranslutningskroppen. Målapplikationer inkluderar anslutningsgränssnitt mellan PCB, eller PCB till land grid array (LGA) -enheter (t.ex. asics och CPU). I / O-stiften kan överstiga 7 000 vid en tonhöjd ner till 1,0 mm.
Dura-Con Twist-Pin-kontakterna är temperaturklassade vid -55 ° C till +135 ° C. Varje kontakt kan bära 3A vid 600V AC vid havsnivån. Kontaktmotståndet är max 8mΩ. Nominellt till 170 g respektive 11,33 g (6,0 ounce och 0,4 ounce) har insättnings- och uttagskrafterna ett förhållande på mer än 10: 1.
Detta beror på expansions- och sammandragningseffekten av buren. Denna kontakt kan användas i applikationer som kräver en kontrollerad differentiell impedans, med matchande kablar för hög signalintegritet. Pseudo-slumpmässiga binära sekvens (PRBS) -tester med en hastighet på 1,25 Gbps har visat denna prestanda, och tidsdomänreflektometri (TDR) mätningar har bekräftat en differentiell impedans på 100Ω.
Vid avstånd på 1,0 mm (0,04 tum) är CIN :: APSE-komprimeringskontakten värderad till 3A till 6A. Det dielektriska motståndet 500V DC vid havsnivån, driftstemperaturområdet är -60 ° C till +105 ° C. Chockgraden är 100G, med chocktester som utförs för kunder i vissa applikationer som når 22 000 G och den tål temperaturer så låga som -200 ° C. Frekvensområdet når upp till 50 GHz, medan införingsförlusten är -0,2dB vid 10 GHz och bara -1,2 dB vid 20 GHz.
Vissa andra viktiga funktioner i designen inkluderar mycket låga övergångsvärden mellan kontakter, mindre än -25dB. Returförlust mäts som -19dB vid 10 GHz, och kontaktmotståndet är mindre än 10 mΩ med en induktans på mindre än 0,5 nH.
Bild 4: CIN :: APSEconnectors för asics,
interposers och RF interposers
CIN :: APSE-kontakten finns med en parad höjd av 0,8 mm eller 0,032 tum, men den effektiva längden kan förlängas med olika alternativ för distans- och kolvstycken, som är integrerade i kontaktkontaktens längd. På detta sätt kan avstånd på upp till 25,4 mm (en tum) spännas över. När kontakten är inbäddad mellan två kolvar är den mekaniskt skyddad mot hanteringsskador. Tekniken klarar sig bäst när ett kompressionssystem används för att ge enhetligt tryck över kontaktuppsättningen. Detta kan uppnås med användning av ett arrangemang av plattor, fjäder och skruvar, som kan användas för att avsluta en flexibel krets till en kretskort, eller ett typiskt LGA-system med en toppkylare och bottenplatta mellan LGA och kretskortet. Det skulle fixeras med kontrollerade stoppskruvar och fjädrar med definierad hastighet för att ge enhetlig tryckfördelning.
Anpassade versioner av kontaktlayouterna kan konfigureras efter kundens krav på fotavtryck tillsammans med den kompletta designen för komprimeringssystem.
Som liten storlek, hög täthet och pålitlig samtrafik i dagens applikationer har ersatt enkla friktionsanpassade anslutningar - vilket helt klart inte är tillräckliga för aktuella uppgifter - kan en anslutningsteknik utrustad med en multikontaktterminal ge optimal prestanda från DC till tiotals GHz.
