Czy myśleliście ostatnio o cyklach połączeń złączy?

To nie jest niewybredny żart o tym, co robią złącza w nocy, aby magicznie wydać na świat inne małe złącza lub w cudowny sposób wytworzyć nowe styki. Przeciwnie, jest to poważny problem, który można łatwo przeoczyć i zignorować, dopóki jego frustrujące konsekwencje nie spadną na projektanta podczas debugowania, długoterminowej ewaluacji, a nawet pracy w terenie.

Złącza przeznaczone są do podłączania i odłączania, na tym polega ich rola. Ale ile takich cykli łączenia zespół złącza może wytrzymać, zanim jego działanie pogorszy się, wykazując wysoką rezystancję lub nieciągłość połączenia na stykach, prowadząc do trudnych do wyśledzenia problemów z układem? Projektanci mogą początkowo nie zastanawiać się nad liczbą wytrzymywanych przez złącze cykli łączenia, która może wahać się od niewielkich liczb dwucyfrowych do tysięcy cykli, w zależności od produktu, jego użytkowników i zastosowania. Jednak powinni to robić. Zwłaszcza w przypadku zastosowań konsumenckich oraz podczas korzystania ze złącza na etapie prototypowania i rozwoju.

Sprzedawcy podają specyfikacje swoich złączy, które określają liczbę takich cykli. Specyfikacje te są funkcją ogólnej konstrukcji złącza, a także konstrukcji styku, materiału i jego powłoki. Podaje się je dla określonych wartości napięcia i prądu. Jednak w trudnych i skomplikowanych procesach debugowania i ewaluacji projektu łatwo jest przekroczyć tę liczbę cykli. Konsekwencje mogą być łatwe do opanowania, np. większa siła wprowadzania, ale także frustrujące, np. przerwanie połączenia.

Złącza: zbyt często przyjmowane za pewnik

Styk fizyczny wydaje się dość prosty, choć taki nie jest. Parametry działania złącza to m.in. podstawowe parametry rezystancji zestykowej i siły łączenia/rozłączania, które powinny być niezmiennie niskie (oczywiście o ile nie jest to para złączy blokujących). Styk jest w większości przypadków precyzyjnie uformowaną metalową strukturą przypominającą palec. Wyjątkiem jest użycie krawędzi płytki drukowanej jako męskiej połówki złącza. Jeśli chodzi o konstrukcję styków sygnałowych niezasilających, są one prawie zawsze pokryte kilkoma mikrometrami złota lub cyny (tańsza), co ma zmniejszyć rezystancję elektryczną, zminimalizować korozję i chronić współpracujące powierzchnie przed zużyciem. To wysokie wymagania w stosunku do styku o niewielkich rozmiarach fizycznych o jeszcze mniejszej powierzchni styku.

Ile cykli łączenia jest potrzebnych w złączu? Odpowiedź zależy od zastosowania. W niektórych przypadkach parametr ten jest niski, dwucyfrowy, ale może wynosić setki i tysiące (pomyślmy na przykład o złączu USB w telefonie). Złącze zaprojektowane do prawidłowego funkcjonowania na jednym końcu zakresu liczby cykli różni się podstawową konstrukcją, wykonaniem, materiałem i powłoką od złącza na drugim końcu tego zakresu. Nie odzwierciedla to jakości złącza, a jest funkcją odpowiedniego dopasowania do wymagań.

Poniższe przykłady pokazują różnorodność połączeń

Szybki rzut oka na niektóre reprezentatywne złącza pokazuje oferowany zakres cykli i rezystancji zestykowej:

• Złącze SM3ZS067U410AMR1000 firmy JAE Electronics to 67-pozycyjne złącze krawędziowe typu żeńskiego zgodne ze specyfikacją PCI-SIG M.2 o rastrze styku 0,020" (0,50mm) (ilustracja 1). Wytrzymuje do 60 cykli łączeniowych, a jego maksymalna rezystancja zestykowa wynosi 55mΩ.

Ilustracja 1: złącze krawędziowe SM3ZS067U410AMR1000 firmy JAE Electronics posiada styki o rastrze 0,50mm, jest zgodne ze specyfikacją PCI-SIG M.2, a wytrzymywana liczba cykli łączeniowych wynosi 60. (Źródło ilustracji: JAE Electronics)

• Z kolei dla złącza gniazdowego mini-B USB 2.0 do montażu powierzchniowego UX60A-MB-5ST firmy Hirose Electric Co Ltd (5-pozycyjne) w specyfikacjach podano 5000 cykli i maksymalną rezystancję 70mΩ (ilustracja 2).

Ilustracja 2: projektowane z myślą o konsumencie gniazdo USB UX60A-MB-5ST firmy Hirose jest przystosowane do 5000 cykli łączeniowych przy zachowaniu maksymalnej rezystancji zestykowej 70mΩ. (Źródło ilustracji: Hirose Electric)

• Produkty z grupy 490107671012 SKEDD firmy Würth Elektronik to złącza kabli taśmowych (nazywane również złączami z połączeniem wykonywanym przez przerwanie izolacji lub IDC), są zwykle używane w obudowie i nie wymagają tylu cykli łączenia, co złącza dostępne dla użytkownika (ilustracja 3). Wspomniane złącza 10-pozycyjne są wyjątkowe, ponieważ pasują bezpośrednio do platerowanych otworów w płytce drukowanej, dzięki czemu nie trzeba używać dodatkowej części łączącej. Przy zastosowaniu określonego przez dostawcę układu otworów w płytce, średnicy i powłoki, takie złącze wytrzymuje 10 cykli przy rezystancji 20mΩ w procesach produkcyjnych. Firma Würth określa wytrzymałość tego złącza stosowanego w prototypowaniu na nieco większą - 25 cykli.

Ilustracja 3: złącze z połączeniami wykonywanymi przez przerwanie izolacji 490107671012 firmy Würth Elektronik ma 10 cykli łączeniowych i dwa układy wiercenia bezpośrednio na płytce drukowanej: jeden dla prototypów i jeden dla produktów końcowych. (Źródło obrazu: Würth Elektronik)

• Wreszcie 6-stykowe złącze z uziemieniem 09332062648 firmy Harting do przewodów o średnicach od 0,14 do 2,5mm² (od AWG 26 do AWG 14) ma styki, które mogą wytrzymać do 500V przy 16A (ilustracja 4). Zakładając częste cykle łączenia/rozłączania, jest ono zaprojektowane do obsługi ponad 10 tysięcy cykli przy maksymalnej rezystancji zestykowej wynoszącej zaledwie 3mΩ.

Ilustracja 4: zespół złącza zasilania 09332062648 firmy Harting zgodnie ze specyfikacjami utrzymuje rezystancję zestykową poniżej wartości 3mΩ przez co najmniej 10 tysięcy cykli łączenia. (Źródło ilustracji: Harting)

Ta gama zróżnicowanych złączy pokazuje, w jaki sposób dostawcy dostosowują parametry znamionowe liczby cykli łączenia złączy i maksymalnej rezystancji do zastosowania docelowego. Należy mieć na uwadze, że liczby te mogą nie być oczywiste wyłącznie na podstawie fizycznych rozmiarów lub wyglądu złącza.

Płytka prototypowa, prototypowanie i debugowanie: inna żywotność złącza

Złącze będzie działać w zupełnie innych warunkach w fazie projektowania produktu w porównaniu z użyciem w zastosowaniu końcowym. Wiele lat temu pracowałem przy projekcie, w którym wykorzystywana była standardowa płytka drukowana podłączana do komory karty. Mieliśmy różnego rodzaju tajemnicze problemy podczas debugowania, które w końcu rozpracowaliśmy. Były one spowodowane dużą liczbą cykli wkładania/wyjmowania, które płyta przechodziła na stanowisku.

Płytka przedłużająca zredukowałaby liczbę cykli łączenia, ponieważ umożliwiłaby nam dostęp do płytki w czasie rzeczywistym, ale pogorszyłaby integralność sygnału. Naszym prowizorycznym, ale skutecznym rozwiązaniem było odcięcie górnej części komory karty i włożenie naszej płytki do górnego gniazda, abyśmy mogli uzyskać do niej dostęp, gdy była w komorze; w rzeczywistości mogliśmy badać, kalibrować i dostrajać kanały analogowe, gdy znajdowały się w środowisku pracy. To zaimprowizowane rozwiązanie zadziałało dla nas, ale nie ma zastosowania w większości innych projektów.

Właściwa strategia doboru może zminimalizować problemy ze złączami

Co można zrobić podczas doboru złącza, zwłaszcza takiego, które w fazie testów będzie poddawane wielu cyklom łączenia?

1: Najpierw odrobić pracę domową: przestudiować arkusze danych, zwracając szczególną uwagę na to, w jaki sposób i w jakich warunkach sprzedawca określa liczbę cykli łączeniowych (nie ma normy branżowej): czy określono wzrost rezystancji zestykowej? Siłę wprowadzania? Inne czynniki?

2: Użyć przedłużacza, jeśli to możliwe (często nie jest, ale może być).

3: Jeśli używa się złącza krawędziowego płytki drukowanej, w którym wtyki stanowią połowę pary złączy, należy skontaktować się z producentem płytki, aby określić, jaki rodzaj dodatkowej lub specjalnej powłoki będzie potrzebny (nieplaterowana miedź umieszczona fabrycznie na płytce może szybko przestać się sprawdzać).

4: Jeśli to możliwe, należy rozważyć użycie bardziej wytrzymałego dwuczęściowego złącza zamiast wtyków krawędziowych płytki drukowanej.

5: Sprawdzić, czy dany dostawca złącza, jak wielu innych, oferuje grubszą powłokę styku jako opcję standardową lub na zamówienie (trzeba się też zastanowić, czy ma to sens w przypadku ostatecznego wykazu materiałów).

6: Jeśli chodzi o kable, należy sprawdzić, czy można użyć krótkiego, łatwo wymienialnego przedłużacza pomocniczego, aby zmniejszyć zużycie złącza podstawowego (ilustracja 5).

7: Na koniec zidentyfikować potencjalne problemy i podjąć próbę minimalizacji liczby cykli łączeniowych (oczywiście łatwiej powiedzieć niż zrobić).

Ilustracja 5: być może aby zredukować liczbę cykli łączenia nieruchomego złącza w produkcie, można użyć krótkiego kabla przedłużającego. (Źródło ilustracji: Bill Schweber)

Podsumowanie

Generalnie złącza są niezawodne, gdy są używane zgodnie z określonymi specyfikacjami. Jednak łatwo jest przeoczyć ich ograniczenia i przekroczyć ich parametry wytrzymałościowe m.in. w zakresie cykli łączenia, zwłaszcza na etapach debugowania i ewaluacji. W efekcie możemy doświadczać frustrujących sporadycznych problemów i niewytłumaczalnego niewłaściwego zachowania obwodu. Na tym etapie trzeba poświęcić trochę czasu na zastanowienie się, w jaki sposób złącze będzie używane i opracować zbiór taktyk pozwalających uniknąć problemów.

Materiały dodatkowe:

„Użycie złączy z połączeniem wykonywanym przez przerwanie izolacji (IDC) w celu usprawnienia montażu i skrócenia wykazu materiałów BOM”

https://www.digikey.com/en/articles/use-direct-plug-in-insulation-displacement-connectors

„Uproszczenie wdrażania sprzętu przemysłowego dzięki konfigurowanym złączom modułowym”

https://www.digikey.com/en/articles/simplify-industrial-equipment-deployment-using-configurable-modular-connectors