Złącza sygnałowe do urządzeń elektronicznych

Popyt na złącza i ciągle rosnący rynek kształtują w największej części zmiany w elektronice, jak rosnąca złożoność układowa, coraz większa penetracja rozwiązań mechatronicznych i robotyzacja w przemyśle, miniaturyzacja i modułowość konstrukcyjna oraz podobne. Postępujące skomplikowanie przekłada się na wzrost zapotrzebowania na złącza i zjawisko to nie zmienia się od lat. Sam rynek produktów OEM też rośnie w dobrym tempie, przewyższającym zwykle istotnie średnioroczny wzrost gospodarczy, a spory potencjał Polski w zakresie produkcji EMS oraz usług outsourcingowych w zakresie produkcji wiązek kablowych też jest wsparciem dla rozwoju. Rynek od strony produktów też wydaje się skomplikowany, bo brak standardów przy ogromnej liczbie dostępnych elementów, a nawet przy braku wspólnego systemu oznaczeń powoduje, że niewielu inżynierów dobrze się orientuje w tej tematyce. Wiedza o produktach zwykle ogranicza się do podstawowych i używanych od dawna wersji.

MINIATURYZACJA W ZŁĄCZACH SYGNAŁOWYCH

Współczesna elektronika jest coraz bardziej złożona, a jednocześnie mniejsza, lżejsza, bardziej mobilna. W obudowach jest coraz mniej miejsca, bo trzeba zmieścić ogromną liczbę podzespołów, pojemny akumulator, system chłodzenia, dodatkowy filtr lub ekran i oczywiście duży wyświetlacz. Złącze, podobnie jak przekaźnik, to element, który pod względem wymiarów jest relatywnie duży w porównaniu do reszty elektroniki i jak nietrudno dostrzec, zaczyna też wielkością przewyższać zaawansowane półprzewodniki mocy.

Nowoczesne złącza muszą być więc coraz mniejsze, a w przypadku elementów sygnałowych, gdzie wyprowadzenia nie przenoszą dużych mocy, oczekiwań rynku nie ma co hamować. W efekcie wiele nowych konstrukcji pod względem precyzji wykonania, upakowania i rozwiązań konstrukcyjnych detali mechanicznych przypomina pod kątem precyzji i zaawansowania szwajcarskie zegarki. Trend na upakowanie pinów i mniejsze rastry jest bardzo silny. Szczególnie imponujący postęp nastąpił w ostatnich latach w złączach międzypłytkowych (mezzanine connectors), elementów łączących PCB z taśmą elastyczną i rozwiązań dla szybkich interfejsów cyfrowych, np. USB typu C lub LVDS. W nich piny mają grubość włosa, a raster nie wykracza poza 0,5 mm. Obudowy nowoczesnych konstrukcji omawianych elementów są mniejsze dzięki większej precyzji wykonania detali, lepszym tworzywom sztucznym oraz wyrafinowanej konstrukcji mechanicznej, np. zapewniającej możliwość korekcji położenia wtyku w stosunku do gniazda i ograniczenie naprężeń mechanicznych.

Najważniejsze dla klientów cechy ofert brane pod uwagę przy kupowaniu złączy sygnałowych

 

Zestawienie najważniejszych cech oferty handlowej w zakresie złączy sygnałowych nie jest zaskakujące, bo na czołowej pozycji znalazła się cena i to z ogromnie wysokim wskazaniem procentowym. Kolejne pozycje też nie zaskakują, bo jakość, termin dostawy oraz parametry techniczne stanowią żelazny zbiór tego, co liczy się dzisiaj w dystrybucji. W poprzednich naszych zestawieniach nieco niżej plasował się termin dostawy, obecnie jest on ważniejszy zapewne jako pokłosie problemów z alokacją jak też ogólnych zmian na rynku i niechęci klientów do gromadzenia zapasów. Z wykresu widać jeszcze, że usługi produkcji wiązek nie mają w obszarze złączy sygnałowych przełożenia na sprzedaż, a zainteresowanie nowymi rozwiązaniami w tym obszarze też uznano za mało wpływające na decyzje o kupnie.

ZAMIENNIKI – PROBLEM CIĄGLE ISTOTNY

Zamienniki złączy to temat aktualny od lat. Im dany typ komponentu jest bardziej popularny, tym więcej na rynku jest dostępnych jego zamienników. Pod tą nazwą kryją się produkty innych producentów, które są zgodne mechanicznie i elektrycznie i mogą być wymiennie używane zamiast pierwotnego typu. Przykładem mogą być złącza w standardzie popularnych interfejsów cyfrowych (USB, HDMI, Ethernet), które są produkowane przez wiele firm, w tym tanich producentów azjatyckich. Wiele zamienników kryje też obszar kart i modułów pamięci, kart mikroprocesorowych, złączy do płytek drukowanych współpracujących z goldpinami, elementów do łączenia płytek drukowanych w moduły i podobne. Efektem jest koncentracja kupujących na cenie, a nie na tym, co te zamienniki reprezentują pod względem jakości i parametrów technicznych.

Zamienniki nie byłyby dużym problemem dla rynku, gdyby zawsze reprezentowały wysoki poziom jakościowy. Prawdą jest, że część z takich produktów ma niezłe właściwości i nie sprawia kłopotów w mniej odpowiedzialnych aplikacjach lub tam, gdzie złącza są rzadko używane. Ale wiele z takich elementów to po prostu tandeta, co tworzy chaos informacyjny, utrudnia wybór produktu i sprawia, że nierzadko staje się on loterią.

Ważne i poszukiwane wersje złączy

 

Zestawienie typów złączy najbardziej poszukiwanych przez klientów w Polsce wygrały ogólnie rozumiane złącza przemysłowe. To taka oddzielna kategoria aplikacyjna będąca wspólnym mianownikiem dla wszystkich innych kryteriów podziału. Odchodząc od niej w stronę poszczególnych typów, widzi się istotę elementów przeznaczonych do montażu na płytkach drukowanych oraz wersji do szybkiej transmisji danych, co jest pochodną ogólnego wzrostu znaczenia komunikacji. Wszystko ma być połączone, ale nie w każdym przypadku oznacza to połączenie bezprzewodowe.

Zamienniki mają też kłopoty z powtarzalnością parametrów mechanicznych i elektrycznych w obrębie większych serii, stabilnością parametrów elektrycznych w czasie i w funkcji kolejnych cykli łączenia i rozłączania. Nie jest to wielki problem, gdy dotyczy typowych rozwiązań o dużych rastrach i wymiarach, ale w takich miniaturowych rozwiązaniach, gdzie odstęp pomiędzy pinami jest poniżej milimetra, nawet drobne wahania skutkują niepewnością kontaktu. Jest to problem dla producentów, którzy z sukcesem zakończyli fazę prototypowania i wypuścili pierwszą próbną serię, a potem w produkcji masowej napotykają to, że działanie złączy staje się przypadkowe.

Zamienniki są chętnie wybierane do aplikacji, gdzie złącze jest używane sporadycznie, np. służy do aktualizacji firmware raz na rok, pełni funkcję portu serwisowego itp. W miejscach niekrytycznych, czyli rzadko używanych, niedostępnych dla użytkownika, bez wpływu na poprawne działanie urządzenia, zamienniki postrzegane są jako dobry wybór.

STANDARDY BRANŻOWE WPŁYWAJĄ NA RYNEK ZŁĄCZY

zakresie złączy sygnałowych widać, że z roku na rok na rynku funkcjonuje coraz więcej typów elementów o specjalizowanej konstrukcji pod kątem zastosowań i standardów branżowych. Rynek kieruje się ku specjalizacji, a ona wymusza tworzenie konstrukcji dopasowanych do wymagań aplikacyjnych, np. do nowej wersji interfejsu komunikacyjnego, do specyficznego czujnika itd. Poszerza to asortyment i pozwala producentom na ucieczkę technologiczną do przodu, w kierunki zaawansowania technicznego elementów połączeniowych, unikatowych rozwiązań styku, z drugiej strony niestety skraca czas życia produktów. Przykładem może być interfejs USB, gdzie nowa wersja "C" szybko wypycha obecnie na margines wersje "B". A niedługo przecież pojawi się na rynku "typ D", nad którym już trwają prace.

Podobnie jest z aplikacjami IoT, gdzie niezbędne są subminiaturowe złącza koncentryczne do podłączania anteny, elementy typu PCB- flex łączące części składowe wewnątrz obudowy, tak samo jak wyprowadzenia interfejsów, gniazda kart pamięci i inne. Wszystko to oczywiście musi być tak małe, jak tylko się da, a więc inne od typowych wersji.

Główne trendy techniczne w złączach sygnałowych

 

Trzy najważniejsze trendy techniczne w złączach sygnałowych to miniaturyzacja i szybki montaż. Na płytce drukowanej oznacza to montaż automatyczny SMT, w zakresie podłączenia przewodu jest to system zacisku sprężynowego, niewymagający narzędzi, a w przypadku wersji IDC nawet bez ściągania izolacji. Pozostałe kryteria są już wyraźnie słabiej zarysowane, a najsłabiej wypadła hybrydowość, co sugeruje, że w warunkach polskich łatwiej jest użyć dwóch osobnych złączy dla poszczególnych grup sygnałów niż specjalizowanego złącza hybrydowego o indywidualnej kompozycji.

LATA LECĄ, A NOWOŚCI TE SAME

Nowości w złączach to także szybki montaż: przewodu i elementu na płytce. Szybkie techniki montażu dotyczą też wersji optycznych (do światłowodów). Są to trendy widoczne od dekady, ale ponieważ cały czas zmieniają one branżę i są inspiracją dla producentów do rozwoju, nieustannie postrzega się je jako nowość. W branży złączy procesy upowszechniania się nowości technologicznych trwają dość długo. Być może jest to wynik tego, że w omawianych elementach przełomy zdarzają się mniej więcej raz na wiele lat, poza nimi trwa mozolna ewolucja polegająca na doskonaleniu poszczególnych produktów, modernizacjach istniejących wersji.

Podobnie coraz więcej typów jest dostosowywanych do montażu automatycznego. Powodem są oczywiście duże koszty pracy ręcznej i problemy z utrzymaniem jakości montażu ręcznego. Duże elementy, jak złącza, przekaźniki, elementy indukcyjne, zalicza się do tych, które cały czas opierają się automatyzacji. Oczywiście na rynku są wersje SMD, niemniej nie zawsze można ich użyć bez analizy długoterminowej jakości mechanicznej połączenia.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rozwoju rynku złączy

 

Za najistotniejszy czynnik sprzyjający rozwojowi rynku uznano rosnące wymagania klientów i szybki rozwój rynku elektroniki. Coraz większe znaczenie elektroniki mobilnej, większa szybkość komunikacji, przepustowość magistral lub stale powiększająca się złożoność urządzeń prowadzą do większego zapotrzebowania na zaawansowane produkty łączeniowe. Widać to po malejących rastrach, coraz większej liczbie pinów i jednocześnie coraz mniejszych wymiarach zewnętrznych.

Szybki montaż dotyczy też wersji w.cz., a więc tych do kabla koncentrycznego. Producenci dostarczają tutaj przyrządy do ściągania izolacji o odpowiedniej długości z poszczególnych warstw i żyły środkowej oraz tworzą mechanizmy złącza ułatwiające zamocowanie. W sprzedaży są też odcinki przewodu z jednej strony zakończone złączem, których można użyć do podłączenia anteny, lutując jeden koniec.

Elementy złączy z odcinkami przewodu są poszukiwane także w przypadku wersji miniaturowych z końcówkami do zaciskania i służą do wykonywania prototypów i małych serii produkcyjnych. Zaciskanie jest tanią techniką mocowania przewodu (jeśli chodzi o materiały i pracochłonność) i zapewniającą bardzo wysoką jakość połączeń. Niemniej wymaga posiadania oprzyrządowania, co przy małych seriach jest nieopłacalne. Złącza o małym rastrze wymagają też urządzeń o bardzo wysokiej precyzji, dlatego w tym przypadku elementy wiązek kablowych są bardzo użyteczne.

Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku

 

Główne czynniki negatywne dla rynku złączy sygnałowych to duża liczba zamienników, tanich odpowiedników oraz podróbek dla markowych produktów produkowanych przez wiodące firmy na rynku. Tworzą one mocną konkurencję cenową, a ponieważ cena jest najważniejszym kryterium selekcji produktu, zamienniki i podróbki przeszkadzają w rozwoju. Wielu dostawców i silna konkurencja są pochodną tego procesu, bo w Azji jest wielu producentów, którzy zapewniają o niskich cenach i wysokiej jakości i szukają możliwości sprzedaży w Europie. Długie czasy dostaw to z jednej strony echa niedawnej alokacji, a z drugiej efekt tego, że asortyment jest bardzo szeroki. Nie ma szans, aby wszystkie typy były w magazynach dystrybutorów, dlatego na wiele mniej chodliwych typów trzeba czekać. Co czwarty pytany był też zdania, że sprzedaż online złączy przez sklepy internetowe producentów też jest jakimś problemem dla rozwoju rynku krajowego. Skutkuje serią negatywnych konsekwencji, które specjaliści określają jako tzw. psucie rynku.

LICZBA WERSJI SMD SYSTEMATYCZNIE SIĘ ZWIĘKSZA

Wersje SMD złączy sygnałowych są naturalnym krokiem rozwoju i wydaje się, że zmiana taka nie powinna być problemem, bo obciążalność styków nie jest tu istotna. Ale to tylko pozory, w złączach sygnałowych SMD z reguły całkowite pola kontaktowe są niewielkie, bo miniaturyzacja, rastry, co powoduje problemy ze stabilnością mechaniczną, możliwością oderwania kontaktów od padów itd. Dlatego wiele elementów w wersjach SMD ma powiększone pola lutownicze mocujące korpus do PCB, ale mimo to złącze do montażu powierzchniowego o dużej trwałości mechanicznej jest cały czas wielkim wyzwaniem, stąd pojawia się wiele pomysłów lokujących się między ręcznym montażem THT a całkowicie powierzchniowym. Ich cechą wspólną jest to, że są montowane automatycznie, ale w otworach wykonanych w płytce zapewniających wytrzymałość mechaniczną, np. na wielokrotne wpychanie wtyczki w gniazdo. Wszystkie te rozwiązania opierają się na tym, aby element montować w otworach wykonanych na PCB, gdyż zapewniają one możliwość jego ciasnego zaklinowania i pozwalają przenosić obciążenia wzdłużne, a więc takie, jakie pojawiają się przy wyciąganiu lub wkładaniu wtyczki do gniazda. Są to technologie takie jak THR (Thru Hole Reflow) oraz wciskanie prasą (press fit).

SZYBKA TRANSMISJA DANYCH KREUJE NOWE TYPY

Coraz większe szybkości transmisji danych, nowe standardy komunikacyjne opracowywane przez stowarzyszenia branżowe wiążą się też z odpowiednią konstrukcją złącza. Oznacza to wykonanie styków dopasowanych falowo do linii komunikacyjnych, o niskich reaktancjach pasożytniczych, dobrym ekranowaniu zapewniającym ochronę elektromagnetyczną połączenia i podobnymi zagadnieniami, jak chociażby zgodność czasów propagacji dla poszczególnych pinów. Takie złącza są dzisiaj poszukiwaną nowością, ale wiadomo, że rozwiązanie w jednym produkcie tylu ważnych problemów technicznych nie jest zadaniem łatwym. Stąd standardy definiują liczbę pinów, raster, kształt kontaktów, sposób zatrzaskiwania wtyku w gnieździe oraz kształt obudowy. Jest to ważne z uwagi na zapewnienie interoperacyjności takich elementów połączeniowych, czyli aby wtyczka producenta A pasowała do gniazda producenta B. Gdy szybkość transmisji danych jest duża, pojawiają się też problemy z integralnością sygnału, z emisją i koniecznością zapewnienia ekranowania itd. Branżowy standard rozwiązuje takie problemy, niemniej nie daje dużych możliwości wypracowania złącza własnościowego, czyli o konstrukcji charakterystycznej dla danego producenta. W takim przypadku trudno już mówić o zamiennikach, raczej o złączach kompatybilnych ze standardem, a innowacje pojawiają się w zakresie zapewnienia odporności środowiskowej, pracy w szerszym zakresie temperatur, dodatkowego ekranowania i podobnych funkcjonalności ponad to, co opisała norma.

JAKOŚĆ JEST NIEZMIENNIE KLUCZEM DO RYNKU

Podobnie jak dla wielu innych elementów elektronicznych, tematem dyżurnym w branży złączy jest jakość, a najbardziej jak ją uzyskać po możliwie najmniejszych kosztach. Dotyczy to w zasadzie wszystkich aspektów związanych z projektowaniem i produkcją urządzeń, niemniej akurat w złączach trend ten jest szczególnie istotny. To dlatego, że zawsze były one komponentami relatywnie droższymi w porównaniu do całej elektronicznej drobnicy, a nawet popularnych półprzewodników, co dla wielu producentów okazywało się dostateczną zachętą do tego, aby tworzyć tanie odpowiedniki funkcjonalne, a także mniej lub bardziej zawoalowane kopie produktów markowych. O ile do produkcji półprzewodników potrzebne są kosztowne urządzenia i materiały, o tyle w obszarze złączy znacznie łatwiej zaistnieć na rynku i jest to wykorzystywane przez wielu producentów z krajów azjatyckich. Zainteresowanie jakością widać od przeszło pięciu lat i jest to splot wielu czynników, m.in. bogacenia się krajowych przedsiębiorców, coraz większej wymiany handlowej z zagranicą, dużego potencjału usług EMS realizowanych na zlecenie partnerów zagranicznych i podobnych uwarunkowań. Jakość to też sposób krajowych przedsiębiorców na wspólną egzystencję z rynkowymi gigantami oraz wartość dodana do specjalistycznej produkcji. W przypadku złączy jest to szczególnie istotne, bo często są to elementy, które pełnią krytyczną funkcję konstrukcyjną i ich awaria oznacza całkowity brak działania.

Napływ niskiej jakości azjatyckiej produkcji od lat spędzał dystrybutorom renomowanych produktów sen z powiek i sprowadzał działania marketingowe do mozolnej edukacji klientów. Póki na rynku były ciężkie czasy, nie było to łatwe zadanie, ale w ostatnich latach świadomość klientów zauważalnie się poprawiła i stąd też bierze się wzrost zainteresowania jakością. Ponadto jest to też wynik tego, że pierwotny duży dystans między wysokimi cenami czołowych marek a tanimi wyrobami chińskimi zmniejszył się już znacząco i nie tworzy przepaści.

ZMIANY DOTYCZĄ TEŻ ŁAŃCUCHA DYSTRYBUCJI

W obszarze złączy widoczne są próby budowy kanałów dystrybucji na linii producent złączy–klient końcowy. To zjawiska, które znamy z dystrybucji półprzewodników i efekt tego, że można wykorzystać Internet do skrócenia łańcucha dostaw. Polega to na tym, że producent otwiera sklep internetowy realizujący sprzedaż podzespołów dla producentów na całym świecie. Gdy zapewni on krótszy czas oczekiwania, lepsze ceny, a klient nie wymaga wsparcia technicznego, może być to interesująca propozycja. Poza tym podobnie działa kilku producentów półprzewodników, co przekonuje, że coś się za tym kryje. Rewolucja to nie jest, ale w specyficznych sytuacjach taka sprzedaż może się przydać.

Inni próbują wykorzystać Internet do tego, aby za pomocą zaawansowanych narzędzi pomóc klientom w wyborze produktu pasującego do danej klasy aplikacji, w kompozycji złącza z elementów modułowych, dobraniu pasujących akcesoriów itd. Ma to sens, bo coraz mniej osób ma na tyle czasu i chęci, aby samodzielnie zagłębiać tajniki ofert. Lepszy jest konfigurator, który zapewni, że całość wykonana zostanie szybko, a poza tym ograniczy ryzyko pomyłki lub tego, że jedna część nie będzie pasować do drugiej.

ZŁĄCZA PRZEMYSŁOWE SĄ NAJCENNIEJSZE

Nietrudno się domyśleć, że złącza przeznaczone do pracy w przemyśle stanowią obszar rynku złączy sygnałowych o największym potencjale, gdyż w kraju zależność ta dotyczy większości komponentów i urządzeń. Wymagania klientów z tego obszaru są wysokie, produkty bardziej zaawansowane, droższe i jakościowo nienaganne. Wyróżniają się odpornością środowiskową, dużą trwałością i jakością oraz także dobrym dopasowaniem konstrukcji mechanicznej do warunków panujących na halach produkcyjnych i pracy działów utrzymania ruchu. Coraz więcej producentów i dystrybutorów jest zainteresowanych tym obszarem rynku, obojętnie, czy chodzi o część sygnałową, czy silnoprądową.

KASTOMIZACJA, CZYLI MOŻLIWOŚĆ KOMPOZYCJI WERSJI INDYWIDUALNEJ

Coraz więcej złączy ma konstrukcję otwartą i modułową, to znaczy taką, która nie ma charakteru zamkniętej całości o z góry ustalonych wymiarach, liczbie i rozkładzie pinów oraz obudowie. Nie opierają się na jednej monolitycznej i nierozbieralnej konstrukcji, ale w zamian do dyspozycji projektantów stawia się rozbudowany zestaw części, z których można tworzyć indywidualne wersje dopasowane do wymagań aplikacyjnych. Dopasowanie polega na złożeniu pola stykowego z modułów zawierających linie sygnałowe, koncentryczne, optyczne, w różnych proporcjach i konfiguracjach. Podobnie jest z obudową, której poszczególne wersje różnią się kształtem, obecnością uszczelnień, mocowań kabla, ekranów, zapięć zapobiegających rozłączeniu i podobnych akcesoriów. Złącza takie przeznaczone są do zastosowań profesjonalnych, a więc w wojsku, medycynie, motoryzacji. Dla producentów takie elementy są korzystne, bo pozwalają trochę ograniczyć liczbę wersji katalogowych funkcjonujących na rynku. Nietrudno zauważyć, że złącza to obszar produktowy bardzo szeroki pod kątem asortymentu, a koszty magazynowania i logistyki towarów są z pewnością w tym przypadku znaczącą częścią ich cen.