Fehér könyv: A csatlakozók megbízhatósága
Legyen szó repüléstechnikáról, űrhajózásról, ipari automatizálásról, közlekedésről vagy egészségügyről: a csatlakozóknak mindig megbízható jelátvitelt kell biztosítaniuk, és semmilyen körülmények között nem szabad meghibásodniuk. Ugyanakkor a környezetükből adódó számos terhelésnek vannak kitéve: A mechanikai hatások, mint például az ütések, a rezgések és a rázkódások, ugyanúgy veszélyeztetik az adatátvitel stabilitását, mint a hő- és kémiai környezeti hatások, például a szélsőséges hőmérsékletek, az erős hőmérséklet-ingadozások, a káros gázok, a nedvesség és a szennyeződések. A kiváló minőségű csatlakozók gyártói ezért minden lehetséges eszközt bevetnek, hogy csatlakozóikat felkészítsék ezekre a terhelésekre.
Robusztusság a miniatürizálás ellenére

A modern villamostechnika minden eddiginél jobban ki van téve egy tendenciának: a miniatürizációnak. Az alkatrészcsoportoknak és komponenseiknek nemcsak egyre nagyobb teljesítményre kell szert tenniük, hanem egyre kisebb méretűnek is kell lenniük. Ugyanakkor gyakran zord valós körülmények között kerülnek alkalmazásra. Az alkatrészek, így a csatlakozók is, ezért azonos terhelés mellett egyre finomabb kialakításúak lesznek. Egy kiváló minőségű csatlakozó azonban nem csak ugyanolyan jól, hanem még jobban is ellenáll ennek a terhelésnek, mint régebbi és nagyobb testvére. Ennek oka az anyagösszetétel és a terméktervezés terén elért fejlődés, például a szigetelőtest geometriájában (1. ábra).
A felület mint befolyásoló tényező

Számos tényező befolyásolja a csatlakozó megbízhatóságát. Ezek egyike az érintkezőfelület. Ez döntő mértékben meghatározza a csatlakozó élettartamát, amelyet általában csatlakoztatási ciklusokban mérnek. A terepi használat során a csatlakozó bizonyos mikromozgásoknak van kitéve. Ezek felületi kopáshoz, és ennek következtében oxidképződéshez vezetnek (2. ábra).
Ennek következtében megnő az átmeneti ellenállás, ami rontja a jelátvitel minőségét. Ezért fontos, hogy egy kiváló minőségű és tartós érintkezőbevonat segítségével a csatlakoztatás során és az üzemeltetés közben a felületi kopást a lehető legkisebb mértékre csökkentsük. Ehhez mind a kés-, mind a rugós érintkezőnek megfelelően sima felülettel kell rendelkeznie. Az emelkedő árak ellenére az aranyt korrózióállósága és kiváló vezetőképessége miatt még ma is szívesen használják felületi bevonatokhoz. Mivel a tiszta arany puha, 0,2–0,3 százalékos kobalt- vagy nikkel-tartalommal ötvözik, így nyerik a keményaranyat. Aki azonban árstabilabb alternatívát keres ehhez a bevonati felépítéshez, az például egy nikkel-foszfor ötvözetet aranybevonattal is választhat. Meghatározott arányban kombinálva ez a két anyag az arany pozitív tulajdonságait is magában hordozza: magas korrózióállóságot, kiemelkedő kopásállóságot és kiváló vezetőképességet. Az érintkezőanyag és a felületi bevonat közötti diffúzió megakadályozására gyakran alkalmaznak úgynevezett nikkel gátréteget. Ez a gát segít elkerülni a korróziót.
A kapcsolattervezés hatása

A csatlakozó érintkezőit sajtolással vagy esztergálással állítják elő. A sajtolás során azonban a sajtolt szalag alsó felületén mikroszkóp alatt látható, egyenetlen, éles szélű felület keletkezik. A hagyományos rendszerek ezen a sajtolt élen érintkeznek, ami fokozott felületi kopással és ezáltal nagyobb átmeneti ellenállással jár. Ez elkerülhető, ha az úgynevezett sajtoló-hajlítási eljárás során a rugós csatlakozót 90 fokkal meghajlítják, így az sima, hengerelt felületével érintkezik a késes érintkezővel (3. ábra).
De nem csak a rugós sáv kialakítása, hanem a késsávé is döntő fontosságú a csatlakozó hosszú élettartama szempontjából. Ugyanis az utóbbiakat is pontosan kell kivágni és továbbfeldolgozni, hogy elkerülhetőek legyenek a hibás, éles geometriák.
De nem csak a rugós sáv kialakítása, hanem a késsávé is döntő fontosságú a csatlakozó hosszú élettartama szempontjából. Ugyanis az utóbbiakat is pontosan kell kivágni és továbbfeldolgozni, hogy elkerülhetőek legyenek a hibás, éles geometriák.
Befolyásoló tényező: érintkezőrendszer

A klasszikus kétrészes csatlakozók egy pengés és egy rugós érintkezővel rendelkeznek. Erős ütés hatására azonban a késes sáv leválhat a rugós sávról. Annak érdekében, hogy ne kerüljön sor ilyen érintkezési megszakításra, egy kétoldalas rugós sáv segítségével biztosítható a redundancia és ezáltal az érintkezésbiztonság, mivel a második rugó révén a jelátvitel minden esetben legalább egy érintkezési ponton keresztül biztosított (4. ábra).

Ennél is robusztusabbak viszont az úgynevezett „nem-semleges” érintkezőrendszerrel rendelkező csatlakozók. Ezek különlegessége abban rejlik, hogy a csatlakozó két fele, a dugasz és az aljzat azonos érintkezőgeometriával rendelkezik. Mindkettőn található tehát egy-egy rugó és egy érintkező. Így minden érintkezőcsapot két rugó érint, a dugasz és az aljzat egymásba fonódik, és nem tudnak egymástól elválni. Míg egy kétoldalas rugós sáv mechanikai terhelés mellett mindig legalább egy érintkezési pontot biztosít, a nemek közötti egyenlőséget biztosító érintkezőrendszerek összefonódó geometriája garantálja, hogy a jelátvitel mindig két érintkezési ponton keresztül történjen. Ez a magas redundancia így maximális érintkezési biztonságot tesz lehetővé (5. ábra).

A robusztusság tekintetében a nemek közötti egyenlőséget biztosító érintkezőrendszert csak az egyrészes csatlakozók múlják felül. Ezek teljesen elhagyják a klasszikus, két részből álló érintkezőelvet, amely kés- és rugós sávból áll. A sérülékeny érintkezési terület eltávolításával az egyrészes csatlakozók nemcsak a legnagyobb ellenállást nyújtják az ütésekkel, rezgésekkel, nedvességgel, porral és a környezeti hatásokkal szemben, hanem öntéshez és más alkatrészvédelmi eljárásokhoz is alkalmasak. A préselési technológiával kombinálva ezek jelentik a két nyomtatott áramköri lap legbiztonságosabb mechanikai és elektromos összeköttetését (6. ábra).
A csatlakozási technika hatása

A csatlakozók nyomtatott áramköri lapokra történő rögzítésére többféle módszer létezik. Az egyik ezek közül a már említett préselési technika. Célja, hogy a lehető legkisebb préselési erő mellett a lehető legnagyobb rögzítőerőt érje el a csatlakozó és a nyomtatott áramköri lap között. A tartási erők határozzák meg a mechanikai kapcsolatot, amelynek ellenállnia kell az ütéseknek és a rezgéseknek. Ez a csatlakozási technika milliárdszorosan bevált eljárás, amelynek során egy préscsapot nyomnak be a nyomtatott áramköri lap átmenő furatába (7. ábra).

A besajtolócsap átmérője nagyobb, mint a nyomtatott áramköri lap furatának átmérője. A csatlakozócsap a besajtolási zónában rugalmas, így a besajtolás során fellépő fizikai erők nem deformálják a nyomtatott áramköri lapot. A deformáció ezért a bepréselési zónára korlátozódik (8. ábra). A kontaktcsap és a fémbevonatú nyomtatott áramköri lap lyuk között hideghegesztés jön létre: egy gázszivárgásmentes, korrózióálló, alacsony ellenállású és jó elektromos vezetőképességű mechanikus kapcsolat, amely öntéshez is alkalmas. Ezenkívül a DIN EN 60352-5 szabványban is szerepel, és nagyon nagy mechanikai és hőterhelés mellett is – például rezgés, hajlítás és erős hőmérséklet-ingadozások esetén – biztos érintkezést biztosít, sőt akár 200 g-os ütésnek is ellenáll.
Kiváló robusztussága és az automatizáltan forrasztott csatlakozókhoz képest tízszer jobb meghibásodási aránya (FIT-arány) miatt a préselési technológiát szívesen alkalmazzák olyan magas biztonsági követelményeket támasztó alkalmazásokban, ahol a jelátvitel semmilyen körülmények között nem szakadhat meg, például légzsákrendszerekben vagy ABS- és ESP-modulokban.
Kiváló robusztussága és az automatizáltan forrasztott csatlakozókhoz képest tízszer jobb meghibásodási aránya (FIT-arány) miatt a préselési technológiát szívesen alkalmazzák olyan magas biztonsági követelményeket támasztó alkalmazásokban, ahol a jelátvitel semmilyen körülmények között nem szakadhat meg, például légzsákrendszerekben vagy ABS- és ESP-modulokban.

A préselési technika azonban nem mindig alkalmas, például ha a nyomtatott áramköri lapokat mindkét oldalukon kell szerelni, vagy ha az alkatrészekhez az erőhatás irányában nem lehet betartani a minimális távolságot. A csatlakozó és a nyomtatott áramköri lap közötti megbízható és tartós kapcsolat létrehozásának egy másik lehetősége a felületre szerelési technológia (SMT). Ennél a csatlakozókat forrasztópasztával forrasztják a nyomtatott áramköri lap meghatározott csatlakozófelületeire, az úgynevezett forrasztópárnákra. Csak egy úgynevezett reflow kemencében olvad meg a forrasztóanyag, majd keményedik meg. Az SMT segítségével stabil csatlakozások valósíthatók meg a csatlakozó és a nyomtatott áramköri lap között. Ehhez azonban néhány kritériumnak meg kell felelni: Először is, a szabványnak megfelelő IPC-A-610 forrasztási pont érdekében be kell tartani a forrasztótalp, a forrasztópárna és a forrasztópaszta megfelelő arányát. Csak így jön létre olyan kiváló minőségű csatlakozás, amely IPC 3. osztályú csatlakozást tesz lehetővé, vagyis alkalmas nagy teljesítményű elektronikai alkalmazásokhoz. Ebben az osztályban a jelátvitel megszakadását minden esetben ki kell zárni. Az optimális forrasztási kapcsolatot az egyenletes meniszkusz kialakulásáról lehet felismerni. Az érintkezőt körbe kell ölelnie a forrasztási meniszkusznak, hogy a nyomtatott áramköri lapon a legjobb tartási erő érhető el. (9. ábra).
Az érintkezőtalpak koplanaritása elengedhetetlen feltétele a kiváló csatlakozásnak. Ha mindezek a feltételek teljesülnek, az SMT-csatlakozók bizonyítottan akár 400 N-os mechanikai terhelést is kibírnak.
Befolyásoló tényező: a szigetelőtest kialakítása

A csatlakozó szigetelőtestének geometriája emellett segít megvédeni az érintkezőket a működés vagy a beszerelés során bekövetkező sérülésektől. Úgy kell kialakítani, hogy a csatlakozó belsejében lévő sérülékeny érintkezők védett helyen legyenek. A bevezető
ferde felületek segítségével elkerülhetők a szerelés során bekövetkező sérülések. Ezek segítenek kiegyenlíteni a nyomtatott áramköri lapok bármely irányú eltolódását a csatlakoztatás során. Egy kiegészítő rögzítőfelület segítségével a két csatlakozó fél akkor is sérülés nélkül illeszthető össze, ha középen vagy szögben eltolódnak (10. ábra).
ferde felületek segítségével elkerülhetők a szerelés során bekövetkező sérülések. Ezek segítenek kiegyenlíteni a nyomtatott áramköri lapok bármely irányú eltolódását a csatlakoztatás során. Egy kiegészítő rögzítőfelület segítségével a két csatlakozó fél akkor is sérülés nélkül illeszthető össze, ha középen vagy szögben eltolódnak (10. ábra).

Egyes csatlakozók emellett Boardlockokkal is rendelkeznek. Ezek olyan fémkapcsok, amelyek a szigetelőtesthez vannak rögzítve, és a nyomtatott áramköri lapra is be vannak forrasztva (11. ábra). Így további stabilitást biztosítanak – még kedvezőtlen körülmények között is, például rezgés és ütések esetén.
Befolyásoló tényező Tűréshatár

A csatlakozó tűréshatára döntő szerepet játszik annak robusztusságának értékelésében. Ha a csatlakozó nem képes kiegyenlíteni a megadott tűréseket, a mechanikai mozgások kopáshoz, sőt a csatlakozás károsodásához vezethetnek. A beszerelés során a bevezető ferde felületek segítenek abban, hogy a kés- és rugós sávok sérülésmentesen illeszkedjenek egymáshoz. De csatlakoztatott állapotban is ki kell egyenlíteni a mikromozgásokat. Ez az érintkező- és szigetelőtestek geometriájának köszönhetően lehetséges. Ha egy csatlakozó rendelkezik úszó funkcióval, akkor működés közben is képes akár ±0,4 mm-es eltérést kiegyenlíteni. Ez a funkció egyre nagyobb jelentőségre tesz szert, mivel döntő szerepet játszik a nyomtatott áramköri lapok több csatlakozóval történő felszerelése során. A terepen azonban a terhelések nem csak x- és y-irányban, hanem z-irányban is jelentkeznek (12. ábra).

Itt felmerül a csatlakozó átfedési biztonságának kérdése. Ez a kés- és rugós sáv átfedési területét írja le, és így nemcsak különböző nyomtatott áramköri lapok közötti távolságokat tesz lehetővé, hanem – e terület méretétől függően – tűréshatárokat is (13. ábra).
A maximális tűréskiegyenlítés viszont kábelcsatlakozással érhető el. Itt a kábel hossza határozza meg a csatlakozó tűréshatárát.
A maximális tűréskiegyenlítés viszont kábelcsatlakozással érhető el. Itt a kábel hossza határozza meg a csatlakozó tűréshatárát.
Vizsgálati eljárás

A csatlakozók tartóssági tulajdonságainak alapos vizsgálatára különféle tesztelési eljárások állnak rendelkezésre. Ezek során olyan változókat vizsgálnak, mint a feszültségállóság és az átmeneti ellenállás a terhelési teszt előtt és után, valamint vizuálisan ellenőrzik az érintkezők állapotát. Így például ellenőrizhető, hogy 500 csatlakoztatási ciklus milyen hatással van a feszültségállóságra, vagy a klimatikus teszt során megállapítható, hogy több órás, először -55 °C-os, majd 125 °C-os hőmérsékleti kitettség negatívan hat-e a csatlakozó átmeneti ellenállására. A hőmérséklet-sokk teszt során a csatlakozónak 100 alkalommal, egyenként 30 percig kell kibírnia a gyors váltást ezek között a szélsőséges hőmérsékletek között. A csatlakoztatás során fellépő középső és szögeltérés, valamint a csatlakoztatott állapotban fennálló tűréshatár nem csupán elméletileg, a CAD-modellen kell ellenőrizni, hanem a gyakorlatban is alaposan tesztelni kell, és a terhelhetőséget empirikusan is meg kell erősíteni. Ugyanilyen fontos, hogy a kontaktfelület szempontjából kritikus különböző vizsgálatokat kombináltan is elvégezzék a valós körülmények szimulálása érdekében. Így például a csatlakoztatási ciklusok és a káros gázok vizsgálata kombináltan is elvégezhető, hogy biztosítható legyen: a csatlakozó teljesítménye az átmeneti ellenállás és a feszültségállóság tekintetében nem romlott, és a kontaktok nem sérültek meg (14. ábra).
Az Ön terve – az Ön döntése

Az alkalmazás követelményeitől függően különböző tartóssági kritériumoknak kell megfelelnie a csatlakozónak. Például ki kell-e egyenlítenie nagy tűréshatárokat? Erős ütéseknek vagy rezgéseknek van-e kitéve? Erős hő- vagy hideghatásnak kitett környezetben kerül-e felhasználásra? Vagy a csatlakozási megoldást meg kell-e védeni a nedvességtől, a káros gázoktól vagy a szennyeződésektől? Ha a felhasználó ezeket a kérdéseket veszi figyelembe a csatlakozási megoldás kiválasztásakor, biztos lehet benne, hogy csatlakozója a legjobban fel van szerelve a terepi használatra.

