White paper: Robustezza dei connettori
Che si tratti del settore aerospaziale, dell'automazione industriale, dei trasporti o della sanità: i connettori devono garantire sempre una trasmissione affidabile del segnale e non devono in nessun caso subire guasti. Allo stesso tempo, sono esposti a una serie di sollecitazioni ambientali: Gli impatti meccanici quali urti, vibrazioni e oscillazioni compromettono la stabilità della trasmissione dei dati, così come gli influssi ambientali termici e chimici dovuti a temperature estreme, forti sbalzi termici, gas nocivi, umidità e sporcizia. I produttori di connettori di alta qualità ricorrono quindi a una serie di soluzioni per proteggere i propri connettori da queste sollecitazioni.
Robustezza nonostante la miniaturizzazione
L'elettrotecnica moderna è soggetta più che mai a una tendenza: la miniaturizzazione. I moduli e i loro componenti devono diventare non solo sempre più potenti, ma anche sempre più piccoli. Tuttavia, vengono spesso utilizzati in condizioni operative difficili. Componenti come i connettori diventano quindi sempre più delicati, pur essendo sottoposti alle stesse sollecitazioni. Un connettore di qualità, tuttavia, non solo resiste a queste sollecitazioni altrettanto bene quanto il suo predecessore più grande, ma addirittura meglio. Ciò è dovuto agli sviluppi nella composizione dei materiali e nel design del prodotto, ad esempio nella geometria del corpo isolante (fig. 1).
Fattore di influenza: superficie
Sono numerosi i fattori che influiscono sulla robustezza di un connettore. Uno di questi è la superficie di contatto, che determina in modo determinante la durata del connettore, solitamente misurata in cicli di innesto. Durante l'utilizzo sul campo, il connettore è soggetto a determinati micro-movimenti che causano l'abrasione della superficie e, di conseguenza, la formazione di ossido (Fig. 2).
La conseguenza è un aumento della resistenza di contatto e, di conseguenza, una qualità inferiore nella trasmissione del segnale. È quindi fondamentale ridurre al minimo l'abrasione superficiale durante l'innesto e il funzionamento, ricorrendo a un rivestimento dei contatti di alta qualità e durevole. A tal fine, sia il contatto a lama che quello a molla devono presentare una superficie adeguatamente liscia. Nonostante l'aumento dei prezzi, l'oro viene ancora oggi utilizzato volentieri per i rivestimenti superficiali grazie alla sua resistenza alla corrosione e all'eccellente conduttività. Poiché l'oro puro è morbido, viene legato con una percentuale compresa tra lo 0,2 e lo 0,3% di cobalto o nichel, ottenendo così l'oro duro. Chi invece cerca un'alternativa più stabile dal punto di vista dei prezzi a questa struttura di rivestimento, può ricorrere, ad esempio, a una lega di nichel e fosforo con flash d'oro. Combinati in proporzioni ben precise, questi due materiali offrono le caratteristiche positive tipiche dell’oro: elevata resistenza alla corrosione, spiccata resistenza all’usura ed eccellente conduttività. Per impedire la diffusione tra il materiale di contatto e il rivestimento superficiale, viene spesso utilizzato un cosiddetto strato barriera di nichel. Grazie a questa barriera è possibile evitare la corrosione.
Fattore determinante: il design dei contatti
I contatti di un connettore vengono stampati o torniti. Durante lo stampaggio, tuttavia, sulla parte inferiore della striscia stampata si forma una superficie non omogenea e dai bordi taglienti, visibile al microscopio. I sistemi convenzionali stabiliscono il contatto su questo bordo di punzonatura, il che comporta una maggiore abrasione superficiale e quindi una maggiore resistenza di contatto. Ciò può essere evitato piegando il tulipano a molla di 90 gradi nel cosiddetto processo di punzonatura-piegatura, in modo che entri in contatto con il contatto a lama tramite la superficie liscia e laminata (Fig. 3).
Tuttavia, non solo il design della striscia a molla, ma anche quello della striscia a lama sono determinanti per la durata del connettore. Infatti, anche queste ultime devono essere punzonate e lavorate in modo pulito per evitare geometrie difettose e taglienti.
Tuttavia, non solo il design della striscia a molla, ma anche quello della striscia a lama sono determinanti per la durata del connettore. Infatti, anche queste ultime devono essere punzonate e lavorate in modo pulito per evitare geometrie difettose e taglienti.
Fattore influente: sistema di contatto
I classici connettori a due parti sono dotati di un contatto a lama e di un contatto a molla. In caso di forti urti, tuttavia, la barra a lama può staccarsi dalla barra a molla. Per evitare una tale interruzione del contatto, è possibile garantire la ridondanza e quindi la sicurezza del contatto utilizzando una barra a molla a doppia faccia; grazie alla seconda molla la trasmissione del segnale è assicurata in ogni momento almeno tramite un punto di contatto (fig. 4).
Ancora più robusti sono invece i connettori dotati del cosiddetto sistema di contatto «gender-neutral». La particolarità risiede nelle geometrie identiche dei contatti delle due metà del connettore, spina e presa. Entrambe dispongono infatti sia di una molla che di un contatto a lama. In questo modo ogni pin viene a contatto con due molle; spina e presa sono intrecciate tra loro e non possono staccarsi l’una dall’altra. Mentre una striscia a molla a doppia faccia garantisce sempre almeno un punto di contatto sotto carico meccanico, le geometrie intrecciate nei sistemi di contatto gender-neutral assicurano che la trasmissione del segnale avvenga sempre tramite due punti di contatto. Questa elevata ridondanza consente quindi la massima sicurezza di contatto (Fig. 5).
Per quanto riguarda la robustezza, il sistema di contatto unisex è superato solo dai connettori monoblocco. Questi ultimi rinunciano completamente al classico principio di contatto a due parti costituito da lama e molla. Grazie all’eliminazione della zona di contatto vulnerabile, i connettori monoblocco non solo offrono la massima resistenza a urti, vibrazioni, umidità, polvere e condizioni atmosferiche, ma sono anche adatti alla resina di sigillatura e ad altri processi di protezione dei componenti. In combinazione con la tecnica di inserimento a pressione, rappresentano il collegamento meccanico ed elettrico più sicuro tra due circuiti stampati (fig. 6).
Fattore determinante: tecnica di collegamento
Esistono diverse modalità per montare i connettori sui circuiti stampati. Una di queste è la tecnica di inserimento a pressione già menzionata. Il suo obiettivo è ottenere forze di fissaggio il più elevate possibile tra il connettore e il circuito stampato, utilizzando una forza di inserimento il più ridotta possibile. Le forze di tenuta determinano il collegamento meccanico, che a sua volta deve resistere a urti e vibrazioni. Questa tecnica di connessione è un processo collaudato miliardi di volte, in cui un perno di inserimento viene pressato in un foro metallizzato nel circuito stampato (Fig. 7).
In questo caso, il perno a pressione presenta una diagonale maggiore rispetto al diametro del foro del circuito stampato. Il perno del connettore è flessibile nella zona di inserimento, in modo che il circuito stampato non venga deformato dalle forze fisiche esercitate durante il processo di inserimento. La deformazione è quindi limitata alla zona di inserimento a pressione (Fig. 8). Si crea una saldatura a freddo tra il perno di contatto e il foro metallizzato del circuito stampato: un collegamento meccanico a tenuta di gas, resistente alla corrosione, a bassa resistenza e con buona conducibilità elettrica, adatto anche per l'incapsulamento. È inoltre specificato nella norma DIN EN 60352-5 e garantisce un contatto sicuro anche in presenza di sollecitazioni meccaniche e termiche molto elevate, quali vibrazioni, flessioni e forti sbalzi di temperatura, resistendo persino a sollecitazioni da urto fino a 200 g.
Grazie alle sue eccellenti caratteristiche di robustezza e al tasso di guasto (FIT) dieci volte inferiore rispetto ai connettori saldati automaticamente, la tecnica di inserimento a pressione viene spesso utilizzata in applicazioni ad alta sicurezza in cui la trasmissione del segnale non deve essere interrotta in nessun caso, ad esempio nei sistemi airbag o nei moduli ABS ed ESP.
Grazie alle sue eccellenti caratteristiche di robustezza e al tasso di guasto (FIT) dieci volte inferiore rispetto ai connettori saldati automaticamente, la tecnica di inserimento a pressione viene spesso utilizzata in applicazioni ad alta sicurezza in cui la trasmissione del segnale non deve essere interrotta in nessun caso, ad esempio nei sistemi airbag o nei moduli ABS ed ESP.
Tuttavia, la tecnica di inserimento a pressione non è sempre adatta, ad esempio quando i circuiti stampati devono essere assemblati su entrambi i lati o quando non è possibile rispettare la distanza minima dai componenti nella direzione della forza. Un'altra possibilità per realizzare un collegamento affidabile e durevole tra connettore e circuito stampato è la tecnologia a montaggio superficiale (SMT). In questo caso, i connettori vengono saldati con pasta saldante su aree di contatto definite del circuito stampato, i cosiddetti pad di saldatura. Solo in un cosiddetto forno di rifusione la lega saldante viene portata a fusione e successivamente indurita. Grazie alla SMT è possibile realizzare connessioni stabili tra connettore e circuito stampato. A tal fine, tuttavia, devono essere soddisfatti alcuni criteri: innanzitutto, per un punto di saldatura conforme alla norma IPC-A-610, è necessario rispettare il corretto rapporto tra piedino di saldatura, pad di saldatura e pasta saldante. Solo in questo modo si ottiene una connessione di alta qualità che consente un collegamento di classe 3 secondo l'IPC, adatto quindi all'impiego nell'elettronica ad alte prestazioni. In questa classe devono essere esclusi in ogni momento i guasti nella trasmissione del segnale. Un collegamento saldato ottimale si riconosce dalla formazione uniforme del menisco. Il contatto deve essere circondato dal menisco di saldatura per ottenere le migliori forze di tenuta sul circuito stampato. (Fig. 9).
La coplanarità dei piedini di contatto è un requisito fondamentale per garantire un collegamento eccellente. Se tutti questi requisiti sono soddisfatti, è dimostrato che i connettori SMT sono in grado di resistere a sollecitazioni meccaniche fino a 400 N.
Fattore influente: progettazione del corpo isolante
La geometria del corpo isolante di un connettore contribuisce inoltre a proteggere i contatti da eventuali danni durante il funzionamento o l'installazione. Dovrebbe essere progettata in modo tale che i contatti vulnerabili all'interno del connettore siano protetti.
Inoltre, gli smussi di inserimento consentono di evitare danni durante il montaggio. Essi aiutano a compensare lo spostamento dei circuiti stampati in qualsiasi direzione durante l'innesto. Grazie a un'area di aggancio supplementare, le due metà del connettore possono essere inserite l'una nell'altra senza subire danni anche in caso di disallineamento centrale o angolare (fig. 10).
Inoltre, gli smussi di inserimento consentono di evitare danni durante il montaggio. Essi aiutano a compensare lo spostamento dei circuiti stampati in qualsiasi direzione durante l'innesto. Grazie a un'area di aggancio supplementare, le due metà del connettore possono essere inserite l'una nell'altra senza subire danni anche in caso di disallineamento centrale o angolare (fig. 10).
Alcuni connettori sono inoltre dotati di boardlock. Si tratta di staffe metalliche fissate al corpo isolante e saldate anche al circuito stampato (fig. 11). In questo modo garantiscono una maggiore stabilità, anche in condizioni avverse quali vibrazioni e urti.
Fattore influente Intervallo di tolleranza
Il campo di tolleranza di un connettore gioca un ruolo fondamentale nella valutazione della sua robustezza. Se il connettore non è in grado di compensare determinate tolleranze, i movimenti meccanici causano usura o addirittura danneggiano il collegamento. Durante l’installazione, gli smussi di inserimento offrono un supporto per consentire l’innesto senza danni di connettori maschio e femmina. Tuttavia, anche a connettore inserito, è necessario compensare i micromovimenti. Ciò è reso possibile dalla geometria dei contatti e dei corpi isolanti. Se un connettore è dotato di funzione floating, è in grado di compensare fino a ±0,4 mm anche durante il funzionamento. Tale funzione sta acquisendo sempre maggiore rilevanza, poiché svolge un ruolo decisivo nell’assemblaggio di un circuito stampato con più connettori. Sul campo, tuttavia, le sollecitazioni non si verificano solo nelle direzioni x e y, ma anche nella direzione z (fig. 12).
In questo contesto si pone la questione della sicurezza contro lo scollegamento accidentale di un connettore a innesto. Essa descrive l'area di sovrapposizione tra la barra a lama e quella a molla e consente quindi non solo distanze diverse tra i circuiti stampati, ma anche – a seconda delle dimensioni di tale area – intervalli di tolleranza (fig. 13).
La massima compensazione delle tolleranze si ottiene invece tramite il collegamento via cavo. In questo caso è la lunghezza del cavo a determinare il campo di tolleranza del collegamento a innesto.
La massima compensazione delle tolleranze si ottiene invece tramite il collegamento via cavo. In questo caso è la lunghezza del cavo a determinare il campo di tolleranza del collegamento a innesto.
Procedura di verifica
Per testare a fondo i connettori in termini di robustezza, esistono diverse procedure di prova. In questo contesto vengono esaminate variabili quali la resistenza di isolamento e la resistenza di contatto, sia prima che dopo una prova di carico, e viene ispezionato visivamente lo stato dei contatti. In questo modo è possibile, ad esempio, verificare gli effetti di 500 cicli di innesto sulla resistenza di isolamento oppure, nel test climatico, determinare se diverse ore a -55 °C e successivamente a 125 °C abbiano un effetto negativo sulla resistenza di contatto del connettore. Nel test di shock termico, il connettore deve sopportare il rapido passaggio tra queste temperature estreme per 100 volte, per 30 minuti ciascuna. Inoltre, lo scostamento centrale e angolare durante l'innesto, così come il campo di tolleranza a connettore inserito, non dovrebbero essere verificati solo sul modello CAD in teoria, ma testati ampiamente nella pratica e la resistenza dovrebbe essere confermata empiricamente. È altrettanto importante che i vari test critici per la superficie di contatto vengano eseguiti anche in combinazione, al fine di simulare le condizioni reali. Ad esempio, i test sui cicli di innesto e sui gas dannosi potrebbero essere effettuati in combinazione per garantire che le prestazioni del connettore in termini di resistenza di contatto e rigidità di isolamento non siano peggiorate e che i contatti non abbiano subito danni (Fig. 14).
Il vostro design – La vostra scelta
A seconda dei requisiti dell'applicazione, un connettore deve soddisfare diversi criteri di robustezza. Deve, ad esempio, compensare tolleranze elevate? È esposto a forti urti o vibrazioni? Viene utilizzato in presenza di forti sbalzi di temperatura? Oppure la soluzione di connessione deve essere protetta da umidità, gas nocivi o sporcizia? Se l’utente orienta la propria scelta tenendo conto di tali parametri, può essere certo che il connettore sarà perfettamente equipaggiato per l’impiego sul campo.