Современные инновационные решения для высококачественных разъемов

В настоящее время значение выбора качественного разъема для разрабатываемой электронной аппаратуры нельзя переоценить. Можно потратить годы на многомиллионный проект, однако его успех может оказаться под сомнением из-за недостаточного качества применяемых разъемов. В 2008 г. во время ажиотажа, вызванного появлением телефона iPhone 3G, многие специалисты по сервису и ремонту мобильных устройств среди наиболее проблемных узлов данного продукта отмечали ненадежное крепление гнезда для подключения наушников, слишком тугие ZIF-разъемы, слабую опору для разъемов док-станции и некачественные разъемы главной платы.

По оценкам специалистов, более 50% отказов электронных устройств происходит из-за недостаточного качества разъемов. Поэтому мировые производители в условиях усложнения продуктов и расширения их функциональности тратят огромные усилия на повышение характеристик разъемов. Основными направлениями работ по совершенствованию качества разъемов являются:

– разработка новых конструктивных решений;

– выбор более качественных материалов;

– разработка новых технологических процессов изготовления;

– разработка новых методов монтажа разъемов на плату.

Последние успехи в проектировании конструкции, технологии изготовления и материаловедении позволили создать разъемы с беспрецедентными характеристиками. В данной статье рассмотрены новые технические решения в области разработки разъемов для передачи высокоскоростных сигналов и силовых разъемов, которые позволили существенно улучшить их основные качественные характеристики — долговечность, срок службы, наработка на отказ.

Разъемы для передачи высокоскоростных сигналов

Увеличение скорости передачи данных в системе, а также расширение числа мобильных приложений стимулируют поиск инновационных решений в области разъемов для передачи высокоскоростных сигналов. В настоящее время перед производителями систем поставлена цель создания надежного 40-Гбит/с интерфейса, что требует нового подхода к разработке разъемов. Основными направлениями развития разъемов для передачи высокоскоростных сигналов являются: миниатюризация, монтаж разъемов на плату с охватом с двух сторон (straddle mounting), улучшение заземления, использование избыточных контактов и др.

Миниатюризация. Поскольку частота передачи сигналов увеличивается, время нарастания и спада импульсов становятся более короткими. При уменьшении времени нарастания и спада сигнала до величины, сравнимой с задержкой сигналов на разъеме, он начинает оказывать заметное влияние на качество сигнала. На частоте 100 МГц, например, при 2-нс времени нарастания и спада сигнала 50-пс задержка на выводе длиной 1,5 см составляет менее 2,5% от фронта сигнала. При таком отношении времени нарастания фронта сигнала к задержке (40:1) вывод разъема почти не оказывает влияние на прохождение сигнала. Однако при скоростях выше 1 Гбит/с контакты разъема могут существенно ухудшать распространение сигнала.

Кроме того, на характеристики разъема может отрицательно влиять пластик низкого качества, расположенный около сигнальных контактов. Большая диэлектрическая проницаемость пластика замедляет распространение сигналов, увеличивая задержку на разъеме. Производители высококачественных разъемов используют пластик с малой величиной диэлектрической проницаемости, который обеспечивает низкие диэлектрические потери.

Очевидным способом улучшения характеристик разъема является миниатюризация их размеров. Например, разъемы mini-SMP компании Rosenberger рассчитаны на частоту до 64 ГГц (см. рис 1). По конструкции они не отличаются от других радиочастотных разъемов, только их размеры меньше.

Рис. 1. Радиочастотные разъемы SMA, SMP/SMK и mini-SMP/GPPO/SSMP

Однако необходимо помнить, что размеры разъемов должны соответствовать технологическим допускам автоматизированных сборочных машин. Переход со сборочного оборудования, рассчитанного на монтаж DIP-компонентов с шагом выводов 0,1 дюйм, на машины для SMT-монтажа с шагом 0,025 дюймов занял около 20 лет. За это время скорости передачи сигналов возросли в 100 раз. Ясно, что для миниатюризации разъемов требуется некоторый временной лаг, достаточный для создания нового оборудования для сборки.

Монтаж разъемов на плату с охватом с двух сторон (straddle mounting). Рассмотрим угловой разъем, смонтированный на обычной печатной плате. В таком разъеме сигнальные выводы изгибаются под углом 90°, чтобы обеспечить их соединение с горизонтально расположенными проводниками платы. Если длина выводов разъема велика по сравнению с временем нарастания и спада сигналов, то в таких разъемах трудно обеспечить хорошее качество передачи сигнала. В обычном краевом разъеме эта проблема только усиливается, т.к. его выводы должны быть изогнуты дважды.

Монтаж разъемов на плату с охватом с двух сторон помогает решить эту проблему. Ось такого разъема совпадает с верхней поверхностью печатной платы, что позволяет исключить изгиб сигнальных проводников (см. рис. 2). В разъемах интерфейсов USB и FireWire используется подобный подход в многоконтактной конфигурации.

Рис. 2. Разъем SMA захватывает обе стороны печатной платы, так что сигнальный вывод лежит в плоскости верхнего слоя платы

Улучшение заземления. Для уменьшения перекрестных и электромагнитных помех важно обеспечить как можно более надежное заземление. Для разъемов это означает использование максимального количества выводов для заземления. В разъеме ErMet ZD компании ERNI Electronics сигнальные выводы чередуются с заземленными металлическими пластинами, что положительно сказывается на характеристиках разъема (см. рис. 3). Размещенные рядом с сигнальными выводами металлические пластины создают геометрию, весьма похожую на полосковую конфигурацию печатных плат. Полосковые линии обеспечивают почти идеальную передачу сигнала. Разъемы, содержащие миниатюрные печатные платы, используют похожий принцип.

Рис. 3. В разъеме ErMet ZD компании ERNI Electronics сигнальные выводы чередуются с заземленными металлическими пластинами

Избыточность контактов. Для военных и других приложений, требующих повышенную надежность, применяют разъемы, содержащие множество точек контакта. Если одна точка теряет контакт, множество других продолжает проводить ток.

Каждая точка контакта имеет намного меньшую массу, чем сравнительно крупная и жесткая конструкция выводного разъема. Это делает такой разъем стойким к механическим вибрациям с высокой частотой и большой амплитудой, например, в случае падения портативного компьютера. Примером такого подхода может служить разработанный компанией Sabritec гиперболоидный разъем (см. рис. 4).

Рис. 4. Для увеличения надежности соединения в гиперболоидном разъеме компании Sabritec используется множество контактных точек

В настоящее время высоконадежные разъемы слишком дороги для использования в бытовой электронике, однако, в конечном итоге, производители разъемов найдут способ использования избыточных точек контакта в продуктах широкого потребления.

Разъемы для передачи высокоскоростных сигналов в объединительной плате Strada Whisper

Наиболее высокие требования предъявляются к разъемам, которые используются в системах с архитектурой на базе объединительной платы. Некоторые компании объявили о создании разъемов, рассчитанных на скорость передачи сигнала до 40 Гбит/с, однако, в реальности, достижение этих показателей пока остается лишь в перспективных планах, т.к. пока нет даже эффективного метода измерения характеристик таких сигналов и их гармоник.

Тем не менее, компания Tyco Electronics представила технологию разъемов для объединительной платы, которая рассчитана на скорость передачи сигнала более 25 Гбит/с и в перспективе — до 40 Гбит/с. Одним из инновационных решений этой технологии, которая получила название Strada Whisper (см. рис. 5), являются выводы MAP (Micro Action Pins), которые обеспечивают низкий уровень помех (менее 1% при 20-пс фронте сигнала). Для улучшения характеристик разъема и увеличения гибкости выводов их диаметр был уменьшен с 0,6 до 0,22 мм. В разъеме используется индивидуальное экранирование дифференциальных пар, что позволило существенно улучшить целостность сигнала и снизить электромагнитные помехи. Технология обеспечивает отсутствие фазового сдвига между сигналами.

В ней также используется принцип избыточности контакта сопрягаемых поверхностей.

Рис. 5. Разъемы для передачи высокоскоростных сигналов в объединительной плате Strada Whisper от Tyco Electronics

Силовые разъемы

Создание разъемов, рассчитанных на малые потери и высокий ток (более 50 A), представляет серьезную техническую задачу. Для таких разъемов требуется обеспечить малое контактное сопротивление, что позволяет минимизировать падение напряжения для того, чтобы упростить схему стабилизации напряжения. Более низкое сопротивление позволяет также снизить потери мощности (I2R), что обеспечивает уменьшение температуры контактов, улучшает надежность и делает разъемы более компактными.

Кроме того, большое значение имеет малое усилие при сопряжении и разъединении разъемов. Уменьшение этого усилия оказывает положительное влияние на минимизацию износа рабочей поверхности контакта — главного фактора отказов в разъемах.

Работы по совершенствованию силовых разъемов направлены на разработку улучшенных покрытий и материалов рабочей поверхности контактов, а также модификацию формы выводов для минимизации усилий при сопряжении разъемов.

Для того чтобы увеличить площадь поверхности контакта и уменьшить контактное сопротивление, производители разъемов используют полировку и различные покрытия сопрягаемых поверхностей разъемов. Однако ток не протекает через всю поверхность контакта. Под микроскопом видно, что полированные сопрягаемые поверхности состоят из пиков и впадин. Электрический ток проходит именно по этим шероховатостям, которые на самом деле находятся в контакте. Процентное отношение площади поверхности, которая реально проводит ток, к общей площади сопрягаемых поверхностей весьма мало.

Производители разъемов могут преодолеть эти ограничения, используя следующие методы снижения контактного сопротивления.

1. Увеличение площади сопряжения, что обеспечивает большее количество микроскопических точек контакта. В результате размеры разъема и его стоимость увеличивается.

2. Увеличение нормальной составляющей силы сжатия двух сопрягаемых поверхностей, в результате чего слегка деформируются шероховатости и, тем самым, увеличивается площадь рабочей поверхности контакта. В итоге увеличивается коэффициент трения в разъеме, что затрудняет его сопряжение или вынуждает использовать специальный механизм, который обеспечивает дополнительное усилие при соединении разъема.

3. Использование специального производственного процесса для уменьшения шероховатости поверхности.

Необходимость применения механического усилия при сопряжении поверхностей разъема заставила искать компромиссные решения в конструкции разъема. Выбор меди в качестве материала для сопрягаемых поверхностей был сделан из-за ее низкого сопротивления и доступности по цене. Однако медь имеет плохую механическую упругость. Если бы обе контактные поверхности были из чистой меди, в разъеме необходимо было бы предусмотреть дополнительную пружину для сохранения контакта, что существенно удорожает конечный продукт.

Более практичным решением является выбор материала одновременно с хорошей проводимостью и упругостью, такого как бериллиево-медный сплав или оловянно-медный сплав. Несмотря на то, что проводимость этих сплавов уступает чистой меди, их легко изготовить в виде пружины. Это решение широко используется в настоящее время в недорогих разъемах.

Поиск оптимального решения, которое позволило бы преодолеть ограничения существующих силовых разъемов, проводят многие компании.

В результате исследований в Массачусетском технологическом институте был разработан прототип силового разъема со значительно улучшенными свойствами. Разъем Tribotek, как он был назван позднее, имеет очень малое контактное сопротивление, а также весьма малые усилия сопряжения без существенного увеличения размеров разъема.

Малое контактное сопротивление разъема Tribotek обеспечено за счет максимального увеличения числа точек контакта, а не за счет увеличения площади поверхности контакта или более тонкой полировки соприкасающихся поверхностей.

Гнездовой разъем состоит из медной оплетки вокруг неэластичных нитей из кевлара, которые находятся в натянутом состоянии для создания множества точек контакта по всему периметру вставленного вывода (см. рис. 6). Как видно из рисунка, каждый медный проводник оплетки имеет, по крайней мере, четыре точки контакта с сопрягаемым выводом. Струна из кевлара необходима только для того, чтобы обеспечить достаточное усилие при сопряжении контактных поверхностей.

Рис. 6. В разъеме Tribotek медные проводники, навитые на волокна из кевлара, удерживаются в натянутом положении для надежного контакта с сопрягаемым медным выводом

Медная оплетка создает массив из параллельных точек контакта, что существенно снижает общее сопротивление разъема. Малое контактное сопротивление означает меньшее количество генерируемого тепла и меньшие потери мощности. Данная технология позволяет обеспечить ток через разъем до 500 А с очень малым падением напряжения и весьма небольшим усилием вставки.

Однако изготовление такого разъема трудоемко и дорого, следовательно, оно не предназначено для широкого использования.

В результате дальнейшего развития технологии, которая использовалась при создании разъема Tribotek, был создан новый класс силовых разъемов PowerBud, которые позволили преодолеть основные ограничения силовых разъемов.

В разъеме PowerBud используются два ряда проводников, расположенных один над другим для создания массива параллельных точек контакта (см. рис. 7).

Рис. 7. В разъеме PowerBud — два ряда контактов, каждый из которых имеет две контактные точки

Вместо чистой меди в качестве контактов разъем PowerBud использует специально разработанный медный сплав, который по характеристикам превосходит широко распространенный бериллиево-медный сплав. Проводники имеют большее поперечное сечение, чем в разъеме Tribotek, чтобы частично компенсировать более высокое сопротивление сплава.

Высококачественный медный сплав легко изготавливается с помощью автоматизированного процесса. Кроме того, каждый вывод из медного сплава содержит небольшое углубление для создания двойной точки контакта.

Как и Tribotek, технология PowerBud позволяет снизить как контактное сопротивление, так и нормальную составляющую силы контакта без увеличения размеров разъема. В результате разъем демонстрирует меньшие усилия вставки, нагрев контактов, потери мощности и больший циклический ресурс, чем обычные сильноточные разъемы (см. табл. 1).

Таблица 1. Сравнение характеристик разъема PowerBud и обычного силового разъема

Параметр	Разъем PowerBud	Обычный силовой разъем
Падение напряжения при токе 240 A, мВ	12	28
Нагрев при токе 240 A, ºC	30	43
Усилие сопряжения, N	4	21
Усилие разъединения, N	4	13
Срок службы, число циклов	10000	1000

Литература

1. Howard Johnson. Data rates, mobile drive high-speed connector innovation//
www.embedded.com.

2. Patrick Mannion. Connector commoditization belies massive innovation//
www.embedded.com.

3. Strada Whisper High Speed Backplane Connector System. White Paper. March 2010//www.tycoelectronics.com.

4. Russ Larsen, Forrest Sass. A New Class of Power Connector//Power Systems Design North America. January/February 2010.
www.powersystemsdesign.com.