Teknik Rapor: Konektörlerde Dayanıklılık
Havacılık ve uzay, endüstriyel otomasyon, ulaşım veya sağlık sektöründe olsun: Konektörler her zaman güvenilir bir sinyal iletimi sağlamalı ve hiçbir koşulda arıza vermemelidir. Aynı zamanda, çevrelerinden kaynaklanan bir dizi zorlu koşula maruz kalırlar: Şok, titreşim ve sarsıntı gibi mekanik etkiler, aşırı sıcaklıklar, şiddetli sıcaklık dalgalanmaları, zararlı gazlar, nem ve kir gibi termal ve kimyasal çevresel etkiler kadar veri aktarımının istikrarını tehlikeye atar. Bu nedenle, yüksek kaliteli konektör üreticileri, konektörlerini bu yüklemelere karşı korumak için tüm imkanları seferber ederler.
Minyatürleştirilmesine rağmen sağlamlık
Modern elektrik mühendisliği, her zamankinden daha fazla bir eğilime tabi: minyatürleşme. Bu süreçte devre kartları ve bileşenleri sadece daha yüksek performanslı olmakla kalmayıp, aynı zamanda giderek küçülmek zorundadır. Bununla birlikte, bunlar genellikle zorlu gerçek koşullarda kullanılır. Bu nedenle, bileşenler ve konektörler, maruz kaldıkları yük değişmeden kalırken giderek daha ince ve hassas hale gelmektedir. Ancak kaliteli bir konektör, bu strese eski ve daha büyük kardeşleri kadar iyi değil, hatta daha iyi bir şekilde dayanır. Bunun nedeni, malzeme bileşimindeki ve ürün tasarımındaki, örneğin yalıtım gövdesi geometrisindeki (Şekil 1) gelişmelerdir.
Etkileyen faktör: Yüzey
Bir konektörün dayanıklılığına birçok faktör etki eder. Bunlardan biri de temas yüzeyidir. Bu yüzey, genellikle takma döngüsü sayısı ile ölçülen konektörün ömrünü büyük ölçüde belirler. Sahada kullanım sırasında konektör belirli mikro hareketlere maruz kalır. Bu hareketler yüzey aşınmasına ve dolayısıyla oksit oluşumuna yol açar (Şekil 2).
Bunun sonucu olarak geçiş direnci artar ve dolayısıyla sinyal iletiminde kalite düşer. Bu nedenle, yüksek kaliteli ve dayanıklı bir kontak kaplaması kullanarak, takma işlemi sırasında ve çalışma sırasında yüzey aşınmasını en aza indirmek önemlidir. Bunun için hem bıçak hem de yay kontaklarının uygun şekilde pürüzsüz bir yüzeye sahip olması gerekir. Fiyatların artmasına rağmen, korozyon direnci ve mükemmel iletkenliği nedeniyle altın, günümüzde hala yüzey kaplamaları için sıklıkla kullanılmaktadır. Saf altın yumuşak olduğundan, yüzde 0,2 ila 0,3 oranında kobalt veya nikel ile alaşımlanarak sert altın elde edilir. Ancak bu kaplama yapısına göre fiyat açısından daha istikrarlı bir alternatif arayanlar, örneğin nikel ve fosfor alaşımı ile altın kaplamayı tercih edebilirler. Belirli oranlarda birleştirildiğinde, bu iki malzeme de altının sahip olduğu olumlu özellikleri gösterir: yüksek korozyon direnci, belirgin aşınma direnci ve mükemmel iletkenlik. Kontak malzemesi ile yüzey kaplaması arasında difüzyonu önlemek için genellikle nikel bariyer tabakası kullanılır. Bu bariyer sayesinde korozyon önlenebilir.
Etkileyen faktör: Kontak tasarımı
Bir konektörün kontakları, kalıpla kesilir veya tornalanır. Ancak kalıpla kesim sırasında, kesim şeridinin alt yüzeyinde mikroskop altında görülebilen, homojen olmayan ve keskin kenarlı bir yüzey oluşur. Geleneksel sistemler bu kesme kenarı üzerinde temas eder, bu da yüzey aşınmasının artmasına ve dolayısıyla daha yüksek geçiş direncine yol açar. Bu durum, yaylı konik parçayı sözde kesme-bükme işleminde 90 derece bükerek, düzgün, haddelenmiş yüzeyi bıçak kontağıyla temas ettirerek önlenebilir (Şekil 3).
Ancak konektörün uzun ömürlülüğü için sadece yaylı konektörün tasarımı değil, bıçaklı konektörün tasarımı da belirleyicidir. Çünkü bıçaklı konektörlerin de hasarlı, keskin geometrileri önlemek için temiz bir şekilde kesilmesi ve işlenmesi gerekir.
Ancak konektörün uzun ömürlülüğü için sadece yaylı konektörün tasarımı değil, bıçaklı konektörün tasarımı da belirleyicidir. Çünkü bıçaklı konektörlerin de hasarlı, keskin geometrileri önlemek için temiz bir şekilde kesilmesi ve işlenmesi gerekir.
Etkileyen faktör: Kontak sistemi
Klasik iki parçalı konektörler, bir bıçak ve bir yaylı kontak içerir. Ancak şiddetli darbe etkisi durumunda bıçaklı kontak sırası yaylı kontak sırasından ayrılabilir. Böyle bir kontak kesintisinin yaşanmaması için çift taraflı bir yaylı kontak sırası kullanılarak yedeklilik ve dolayısıyla kontak güvenliği sağlanabilir; çünkü ikinci yay sayesinde sinyal iletimi her zaman en az bir kontak noktası üzerinden garanti altına alınır (Şekil 4).
Buna karşılık, "cinsiyet ayrımı gözetmeyen" kontak sistemine sahip konektörler daha da dayanıklıdır. Bu sistemin özelliği, fiş ve yuva olmak üzere konektörün iki yarısının kontak geometrilerinin birbirinin aynısı olmasıdır. Dolayısıyla her ikisi de hem bir yay hem de bir bıçağa sahiptir. Böylece her bir pin iki yay tarafından temas eder; fiş ve yuva birbirine geçme şeklinde birleşir ve birbirinden ayrılmaz. Çift taraflı bir yaylı şerit, mekanik yük altında her zaman en az bir temas noktasını garanti ederken, cinsiyet ayrımı gözetmeyen temas sistemlerindeki iç içe geçmiş geometriler, sinyal iletiminin her zaman iki temas noktası üzerinden gerçekleşmesini sağlar. Bu yüksek yedeklilik, maksimum temas güvenliğini mümkün kılar (Şekil 5).
Sağlamlık özellikleri açısından, cinsiyet ayrımı gözetmeyen kontak sistemi yalnızca tek parça konektörler tarafından geride bırakılmaktadır. Bu konektörler, bıçak ve yaylı şeritlerden oluşan klasik iki parçalı kontak prensibini tamamen ortadan kaldırmaktadır. Hassas temas alanının ortadan kalkmasıyla, tek parçalı konektörler sadece darbe, titreşim, nem, toz ve atmosferik koşullara karşı en yüksek dirence sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda kalıplama ve diğer bileşen koruma yöntemleri için de uygundur. Presleme tekniği ile birleştirildiğinde, iki devre kartı arasında en güvenli mekanik ve elektriksel bağlantıyı sağlarlar (Şekil 6).
Etkileyen faktör: Bağlantı tekniği
Devre kartlarına konektörleri monte etmenin çeşitli yolları vardır. Bunlardan biri, daha önce bahsedilen presleme tekniğidir. Bu tekniğin amacı, mümkün olduğunca düşük bir presleme kuvveti ile konektör ve devre kartı arasında mümkün olduğunca yüksek tutma kuvveti sağlamaktır. Tutma kuvvetleri, şok ve titreşime dayanması gereken mekanik bağlantıyı belirler. Bu bağlantı tekniği, baskı piminin devre kartındaki delikli bir deliğe bastırıldığı, milyarlarca kez kanıtlanmış bir işlemdir (Şekil 7).
Bu durumda, baskı pimi devre kartındaki deliğin çapından daha büyük bir köşegen uzunluğuna sahiptir. Konektör pimi, baskı işlemi sırasında fiziksel kuvvetlerin devre kartını deforme etmemesi için baskı bölgesinde esnektir. Bu nedenle deforme olma durumu sadece sıkıştırma bölgesiyle sınırlı kalır (Şekil 8). Kontak pimi ile metalize devre kartı deliği arasında bir soğuk kaynak oluşur: gaz geçirmez, korozyona dayanıklı, düşük dirençli ve elektriksel olarak iyi iletken olan bu mekanik bağlantı, dolgu için de uygundur. Ayrıca DIN EN 60352-5 standardında belirtilmiştir ve titreşim, bükülme ve şiddetli sıcaklık değişimleri gibi çok yüksek mekanik ve termal yükler altında bile temas güvenilirliğini korur ve hatta 200 g'ye kadar şok yüklerine dayanır.
Mükemmel sağlamlık özellikleri ve otomatik lehimli konektörlere göre on kat daha iyi arıza oranı (FIT oranı) nedeniyle, presleme tekniği, sinyal iletiminin hiçbir koşulda kesintiye uğramaması gereken yüksek güvenlikli uygulamalarda, örneğin hava yastığı sistemlerinde veya ABS ve ESP modüllerinde sıklıkla kullanılır.
Mükemmel sağlamlık özellikleri ve otomatik lehimli konektörlere göre on kat daha iyi arıza oranı (FIT oranı) nedeniyle, presleme tekniği, sinyal iletiminin hiçbir koşulda kesintiye uğramaması gereken yüksek güvenlikli uygulamalarda, örneğin hava yastığı sistemlerinde veya ABS ve ESP modüllerinde sıklıkla kullanılır.
Ancak, örneğin devre kartlarının her iki yüzüne de bileşen yerleştirilmesi gerektiğinde veya kuvvet yönünde bileşenlere olan minimum mesafe korunamadığında, baskı tekniği her zaman uygun olmayabilir. Konektör ile devre kartı arasında güvenilir ve dayanıklı bir bağlantı kurmanın bir başka yolu da Yüzey Montaj Teknolojisi (SMT)dir. Bu teknolojide, lehim pastası kullanılarak konektörler devre kartının belirli bağlantı yüzeylerine, yani lehim pedlerine lehimlenir. Lehim, ancak bir reflow fırınında eritilip ardından sertleştirilir. SMT sayesinde konektör ile devre kartı arasında sağlam bağlantılar kurulabilir. Ancak bunun için bazı kriterlerin karşılanması gerekir: Öncelikle, standarda uygun bir IPC-A-610 lehim noktası için lehim ayağı, lehim pedi ve lehim pastası arasındaki doğru oranın korunması gerekir. Ancak bu şekilde, IPC Sınıf 3'e uygun bir bağlantı sağlayan, yani yüksek performanslı elektronik uygulamalarda kullanıma uygun, yüksek kaliteli bir bağlantı kurulabilir. Bu sınıfta sinyal iletiminde arızalar her zaman önlenmelidir. Optimum lehim bağlantısı, düzgün menisküs oluşumundan anlaşılır. Devre kartında en iyi tutunma kuvvetini elde etmek için kontak, çevresel olarak lehim menisküsü ile çevrelenmelidir. (Şekil 9).
Temas ayaklarının aynı düzlemde olması, mükemmel bir bağlantı için temel koşuldur. Tüm bu koşullar sağlandığında, SMT konektörlerinin 400 N'ye kadar mekanik yüklere dayanabildiği kanıtlanmıştır.
Etkileyen faktör: Yalıtım gövdesi tasarımı
Bir konektörün yalıtım gövdesi geometrisi, ayrıca kontakların çalışma sırasında veya kurulumda hasar görmesini önlemeye yardımcı olur. Bu yapı, konektörün içindeki hassas kontakların korunacak şekilde tasarlanmalıdır. Ayrıca
, giriş eğimleri sayesinde montaj sırasında hasarlar önlenebilir. Bu eğimler, takma işlemi sırasında devre kartlarının her yöndeki kaymalarını dengelemeye yardımcı olur. Ek bir tutma alanı sayesinde, merkez veya açı kayması durumunda bile iki konektör yarısı hasar görmeden birbirine takılabilir (Şekil 10).
, giriş eğimleri sayesinde montaj sırasında hasarlar önlenebilir. Bu eğimler, takma işlemi sırasında devre kartlarının her yöndeki kaymalarını dengelemeye yardımcı olur. Ek bir tutma alanı sayesinde, merkez veya açı kayması durumunda bile iki konektör yarısı hasar görmeden birbirine takılabilir (Şekil 10).
Bazı konektörlerde ayrıca Boardlocklar bulunur. Bunlar, yalıtım gövdesine sabitlenmiş ve aynı zamanda devre kartına lehimlenen metal kelepçelerdir (Şekil 11). Böylelikle, titreşim ve darbe gibi zorlu koşullarda bile ek bir sağlamlık sağlarlar.
Etkileyen faktör Tolerans aralığı
Bir konektörün tolerans aralığı, sağlamlığının değerlendirilmesinde belirleyici bir rol oynar. Konektör belirlenen toleransları telafi edemezse, mekanik hareketler aşınmaya veya hatta konektörün hasar görmesine yol açar. Kurulum sırasında, giriş eğimleri, erkek ve dişi konektörlerin hasarsız bir şekilde takılmasını sağlamak için destek sağlar. Ancak, takılı durumda bile mikro hareketlerin telafi edilmesi gerekir. Bu, kontak ve yalıtım gövdesi geometrisi sayesinde başarılır. Bir konektörde yüzer (floating) işlevi varsa, çalışma sırasında da ±0,4 mm'ye kadar telafi edebilir. Bu işlev, bir devre kartına birden fazla konektör takılırken belirleyici bir rol oynadığı için giderek daha fazla önem kazanmaktadır. Ancak sahada yükler sadece x ve y yönlerinde değil, z yönünde de ortaya çıkar (Şekil 12).
Burada, konektörün geçme güvenliği konusu gündeme gelir. Bu, erkek ve dişi konektörlerin üst üste binen alanını tanımlar ve böylece sadece farklı devre kartı aralıklarını değil, aynı zamanda bu alanın büyüklüğüne bağlı olarak tolerans aralıklarını da mümkün kılar (Şekil 13).
Buna karşılık, maksimum tolerans dengelemesi kablo bağlantısı ile sağlanır. Burada, kablonun uzunluğu konektör bağlantısının tolerans aralığını belirler.
Buna karşılık, maksimum tolerans dengelemesi kablo bağlantısı ile sağlanır. Burada, kablonun uzunluğu konektör bağlantısının tolerans aralığını belirler.
Test prosedürü
Konektörlerin dayanıklılık özelliklerini kapsamlı bir şekilde test etmek için çeşitli test yöntemleri mevcuttur. Bu süreçte, gerilme dayanımı ve geçiş direnci gibi değişkenler, yükleme testinden önce ve sonra ayrı ayrı incelenir ve kontakların durumu gözle kontrol edilir. Böylece, örneğin 500 takma döngüsünün gerilme dayanımı üzerindeki etkileri kontrol edilebilir veya iklim testinde, önce -55°C ve ardından 125°C'de birkaç saat kalmanın konektörün geçiş direncine olumsuz bir etkisi olup olmadığı tespit edilebilir. Sıcaklık şok testinde, konektör bu aşırı sıcaklıklar arasındaki hızlı geçişe 30 dakikalık aralıklarla 100 kez dayanmalıdır. Ayrıca, takma sırasında merkez ve açı kayması ile takılı durumdaki tolerans aralığı, sadece CAD modelinde teorik olarak kontrol edilmemeli, pratikte kapsamlı bir şekilde test edilmeli ve dayanıklılık ampirik olarak doğrulanmalıdır. Aynı derecede önemli olan bir diğer husus da, kontak yüzeyi açısından kritik öneme sahip çeşitli testlerin, gerçek koşulları simüle etmek amacıyla bir arada gerçekleştirilmesidir. Örneğin, konektörün geçiş direnci ve gerilme dayanımı açısından performansında bir bozulma olmadığından ve kontakların zarar görmediğinden emin olmak için, takma döngüsü ve zararlı gaz testleri bir arada yapılabilir (Şekil 14).
Sizin tasarımınız - Sizin seçiminiz
Uygulamanın gereksinimlerine bağlı olarak, bir konektörün karşılaması gereken farklı dayanıklılık kriterleri ortaya çıkar. Örneğin, yüksek toleransları telafi etmesi gerekiyor mu? Büyük darbe yüklerine veya titreşimlere maruz kalıyor mu? Yoğun ısı veya soğuk etkisine maruz kalacak bir ortamda mı kullanılacak? Ya da bağlantı çözümü nem, zararlı gazlar veya kire karşı korunmalı mı? Kullanıcı, bağlantı çözümünü seçerken bu soruları göz önünde bulundurursa, konektörünün saha kullanımına en iyi şekilde hazırlandığından emin olabilir.