Miniaturyzacja złączy elektrycznych

Należy pamiętać, że istnieje wiele gałęzi przemysłu oraz docelowych aplikacji, w których stawiane są liczne wymagania dotyczące wydajności oraz niezawodności. Produktom ukierunkowanym na rynek masowy stawia się całkowicie inne wymagania w porównaniu z potrzebami lotnictwa i badań kosmicznych. W produkcie masowym kluczowym czynnikiem jest cena produktu.

Pomimo wszystkich tych uwarunkowań sprzedaż złączy dopasowanych do wymagań aplikacji o małych wymiarach gwałtownie wzrasta. Podstawowym napędem zmian są osiągnięcia technologiczne. Postęp w technologii układów scalonych stawia nowe wyzwania w zakresie wydajności, pojemności i ogólnych wymagań.

Nowoczesne układy scalone pracują przy mniejszych napięciach, często przy ograniczonym poborze prądu, ale jednocześnie pracują szybciej, przechowują i przetwarzają większe ilości danych i chronią żywotność baterii. Złącza o mniejszych rozmiarach można w nieskomplikowany sposób zaprojektować za pomocą nowych pakietów oprogramowania, przygotować do bezpośredniej produkcji, można wycinać nowych rozmiarów obudowy i kształty za pomocą maszyn CNC w zaledwie kilka minut.

Stwarza to duże możliwości projektantom, ponieważ możliwe jest wykonywanie serii prototypowych przy mocno ograniczony ch kosztach. Projektanci często do pierwszych testów wybierają rozwiązania standardowe, wprowadzając wszelkie zmiany na kolejnych etapach projektowania. Wielu producentów złączy zapewnia obecnie możliwość konsultacji danych niezbędnych do projektowania w czasie rzeczywistym (online), co pozwala na opracowanie prototypów w czasie kilku dni roboczych.

Wymiary złącza są jednak często kompromisem wynikającym przede wszystkim z ograniczeń wydajności i czynników kluczowych dla danej aplikacji.

Obciążenie elektryczne

Każdy element połączeniowy musi zapewniać odpowiednio niską rezystancję w celu przeniesienia wymaganego prądu obciążenia. Szczęśliwie w wielu aplikacjach pobór prądu ulega zmniejszeniu, co pozwala na miniaturyzację złącza do momentu, gdy wprowadzane zmiany zaczynają w istotny sposób wpływać na wydajność, z uwzględnieniem prądów impulsowych w liniach zasilających oraz liniach sygnałowych. Często podstawowym ograniczeniem jest średnica przewodów w kablu, ponieważ iloczyn długości przewodu i rezystancji jest podstawowym parametrem określającym parametry termiczne układu połączeniowego.

Integralność sygnałowa

Bez względu na proces miniaturyzacji każde złącze musi zapewniać niezawodną pracę sąsiadujących ze sobą niezależnych obwodów elektrycznych. Projekt złącza musi uwzględniać przesłuchy sygnału i pełną kompatybilność elektromagnetyczną. Pewne nowoczesne sposoby ekranowania sygnałów oraz/lub metody filtrowania sygnałów pozwalają w dalszym ciągu na miniaturyzację złączy.

Warunki środowiskowe

Złącza zaprojektowane do pracy w trudnych warunkach wymagają pełnej ciągłości transmisji sygnałów podczas udarów mechanicznych i wibracji, ale także w warunkach bardzo dynamicznie zmieniającej się temperatury, czyli przy szybko zmieniających się wymiarach poszczególnych elementów złącza elektrycznego wynikających ze współczynników rozszerzalności termicznej użytych do produkcji materiałów.

Złącza mogą być także narażone na działanie wody w wyniku zanurzenia i natrysku, ale także na korozyjne działanie mgły solnej. Parametry takie są między innymi uregulowane międzynarodowymi normami w zakresie ochrony środowiskowej (odporność IP). Uszczelki elastomerowe chronią wnętrze złącza i obwody elektryczne przed wilgocią. Produkcja coraz mniejszych elementów uszczelniających też stanowi odrębne wyzwanie przy miniaturyzacji tego typu złączy.

Mobilność

Wymagania związane z miniaturyzacją najlepiej analizować na podstawie rozwoju urządzeń przenośnych. Umieszczanie elementów połączeniowych w ramionach robotów, bezpośrednio w końcówkach sond i manipulatorów, dodawanie przewodu do małych satelitów meteorologicznych czy montaż miniaturowych kamer w hełmach żołnierzy stanowią przykładowe aplikacje prezentujące trendy w zakresie miniaturyzacji sprzętu przenośnego.

Standardowe rozwiązania są oceniane pod kątem przydatności i funkcjonalności, a następnie są przerabiane do wymagań aplikacji z uwzględnieniem z jednej strony miniaturyzacji, a z drugiej strony niezawodności. Rozmiary elementów połączeniowych i obudów są redukowane do niezbędnego minimum przy uwzględnieniu wspomnianych kryteriów.

Używane są często kable płaskie, których wymiary mogą być także redukowane, jeżeli można ograniczyć równolegle wymagania na wydajność i niezawodność. Projektanci obwodów elektrycznych mają ciągle na uwadze możliwości w zakresie ograniczenia liczby wymaganych w danym systemie linii przesyłowych. Czynnikiem sprzyjającym miniaturyzacji może być też obniżona liczba cykli pracy złącza (cykle łączenia i rozłączania).

Jednym z największych sukcesów ostatnich lat są złącza hybrydowe pozwalające na równoległe prowadzenie sygnałów wysokiej częstotliwości, linii zasilających oraz sygnałów cyfrowych w ramach jednego złącza przy zapewnieniu najnowocześniejszych technik zabezpieczających przed przesłuchami i zapewniających pełną kompatybilność elektromagnetyczną.

Wymagania a rynek

Złącza hybrydowe są stosowane w telefonach komórkowych. Zastosowanie płaskich przewodów oraz połączeń używanych w technologiach mikroelektronicznych przyczyniło się skutecznie do zwiększenia prędkości przesyłania danych cyfrowych. Odpowiednie projektowanie kształtu i odległości pomiędzy liniami pozwoliło na opracowanie rozwiązań o najwyższej gęstości połączeń.

Użycie nowoczesnych technologii materiałowych w postaci dielektryków o małej przenikalności elektrycznej dało możliwość zwiększenia prędkości transmisji danych przy zapewnieniu jeszcze skuteczniejszej miniaturyzacji. Kluczowymi elementami obecnej rozgrywki stają się przede wszystkim cena i niezawodność rozwiązania. Najnowocześniejsze złącza płytka-płytka zajmują bardzo niewielkie przestrzenie przy zapewnieniu doskonałej integralności przesyłanych sygnałów.

Przyszłość niezawodnych technologii jest w fazie znacznego zaawansowania prowadzonych badań. Większe złącza okrągłe 38999 są zastępowane mniejszymi i lżejszymi o rastrze 0,05 cala. Rozwijane są złącza okrągłe serii nano z rastrem 0,025 cala do równoległej transmisji sygnałów o bardzo dużej prędkości.

Ostatnim trendem są połączenia typu BGA lub elementy połączeniowe zintegrowane z płytką drukowaną na etapie jej produkcji. Firma Neoconix zaproponowała nowy sposób redukcji profilu, wymiarów oraz masy złącza do przyrządów o wysokim poziomie mobilności. Dzięki zmianom w technologii płytek drukowanych układy o wysokiej gęstości wprowadzają i wyprowadzają sygnały z wielopoziomowych płytek drukowanych przy wykorzystaniu technologii płaskich przewodów elastycznych, zapewniając w dalszym ciągu miniaturyzację i redukcję masy produktu.

Najważniejsza jest znajomość specyfiki danej aplikacji oraz ograniczeń związanych z grubościami poszczególnych materiałów konstrukcyjnych w celu utrzymania integralności sygnałów.

Mariusz Sochacki
Semicon
www.semicon.com.pl