Teabeleht: Pistikühenduste töökindlus
Olgu tegemist lennunduse ja kosmosetööstuse, tööstusautomaatika, transpordi või tervishoiuga: pistikühendused peavad alati tagama usaldusväärse signaaliülekande ega tohi mingil juhul rikkeid tekitada. Samal ajal on need oma keskkonnast tulenevalt paljude koormuste mõjule avatud: Mehaanilised mõjud, nagu löögid, vibratsioon ja võnked, ohustavad andmeedastuse stabiilsust sama palju kui termilised ja keemilised keskkonnamõjud, mis tulenevad äärmuslikest temperatuuridest, tugevatest temperatuurikõikumistest, kahjulikest gaasidest, niiskusest ja mustusest. Seetõttu kasutavad kvaliteetsete pistikühenduste tootjad kõiki võimalikke vahendeid, et kaitsta oma pistikuid nende koormuste eest.
Vastupidavus hoolimata miniatuurse suurusest
Kaasaegne elektrotehnika allub rohkem kui kunagi varem ühele suundumusele: miniaturiseerimisele. Seadmed ja nende komponendid peavad muutuma mitte ainult üha võimsamaks, vaid ka üha väiksemaks. Siiski kasutatakse neid sageli rasketes tegelikes tingimustes. Seetõttu muutuvad komponendid, nagu ka pistikühendused, samas koormuse juures üha filigraansemaks. Kvaliteetne pistikühendus talub seda koormust aga mitte ainult sama hästi kui tema vanem ja suurem vend, vaid isegi paremini. Selle põhjuseks on edasiarendused materjali koostises ning toote disainis, näiteks isolatsioonikorpuse geomeetrias (joonis 1).
Mõjutav tegur: pind
Pistikühenduse vastupidavust mõjutab mitu tegurit. Üks neist on kontaktpind. See määrab olulisel määral pistiku kasutusiga, mida mõõdetakse tavaliselt ühendamistsüklite arvuga. Kasutamisel välitingimustes on pistikühendus avatud teatud mikroliikumistele. Need põhjustavad pinna kulumist ja sellest tulenevalt oksüdeerumist (joonis 2).
Selle tagajärjeks on suurem üleminekutakistus ja seega halvem signaaliülekande kvaliteet. Seetõttu on oluline vähendada ühendamise ja kasutamise käigus tekkivat pindade kulumist miinimumini kvaliteetse ja vastupidava kontaktkatte abil. Selleks peavad nii tera- kui ka vedrukontaktil olema vastavalt siledad pinnad. Hoolimata tõusvatest hindadest kasutatakse kulda tänapäeval veel meelsasti pinnakattematerjalina tänu selle korrosioonikindlusele ja suurepärasele juhtivusele. Kuna puhas kuld on pehme, legeeritakse seda 0,2–0,3 protsendilise koobalt- või niklisisaldusega, saades nii kõva kulla. Kes aga otsib selle kattekonstruktsiooni jaoks hinnastabiilsemat alternatiivi, võib kasutada näiteks nikli ja fosfori sulamit koos kuldkattega. Teatud kindlates proportsioonides kombineerituna näitavad need kaks materjali kulla positiivseid omadusi: kõrget korrosioonikindlust, märkimisväärset kulumiskindlust ja suurepärast elektrijuhtivust. Kontaktmaterjali ja pinnakatte vahelise difusiooni vältimiseks kasutatakse sageli nn nikli barjäärkihti. Selle barjääri abil on võimalik vältida korrosiooni.
Mõjutav tegur: kontaktide disain
Pistikühenduse kontaktid on stantsitud või keeratud. Stantsimisel tekib stantsitud riba alumisele küljele aga mikroskoobi all nähtav ebaühtlane, teravate servadega pind. Tavapärased süsteemid puutuvad kokku selle stantsitud servaga, mis toob kaasa suurema pinnakulumise ja seega suurema üleminekutakistuse. Seda on võimalik vältida, kui painutada kontaktiriba nn stantsimise-painutamise protsessis 90 kraadi võrra, nii et see puutub terakontaktiga kokku sileda, valtsitud pinnaga (joonis 3).
Kuid mitte ainult kontaktiriba disain, vaid ka terariba disain on otsustava tähtsusega pistikühenduse pikaealisuse seisukohalt. Sest ka viimased tuleb puhtalt stantsida ja edasi töödelda, et vältida vigaseid, teravaid geomeetrilisi kujundeid.
Kuid mitte ainult kontaktiriba disain, vaid ka terariba disain on otsustava tähtsusega pistikühenduse pikaealisuse seisukohalt. Sest ka viimased tuleb puhtalt stantsida ja edasi töödelda, et vältida vigaseid, teravaid geomeetrilisi kujundeid.
Mõjutav tegur: kontaktisüsteem
Klassikalised kaheosalised pistikühendused on varustatud tera- ja vedrukontaktiga. Tugeva löögi korral võib noakontaktide rida siiski vedrukontaktide reast lahti tulla. Et sellist kontakti katkemist ei tekiks, saab kahepoolse vedrukontaktide rea abil tagada redundantsuse ja seega kontakti töökindluse, sest teise vedru abil on signaali edastamine igal ajal tagatud vähemalt ühe kontaktpunkti kaudu (joonis 4).
Veel vastupidavamad on aga pistikühendused, millel on nn „sooliselt neutraalne“ kontaktisüsteem. Selle eripäraks on pistikupoolte – pistikupesa ja pistikupesa – identne kontaktgeomeetria. Mõlemal on seega nii vedru kui ka kontakt. Seega puutub iga kontaktiga kokku kaks vedru, pistikupesa ja pistikupesa on omavahel põimitud ega saa üksteisest lahti tulla. Kui kahepoolne vedruriba tagab mehaanilise koormuse korral alati vähemalt ühe kontaktpunkti, siis soolise neutraalsusega kontaktisüsteemide põimitud geomeetriad tagavad, et signaaliülekande toimub alati kahe kontaktpunkti kaudu. See kõrge redundantsus võimaldab seega maksimaalset kontaktide töökindlust (joonis 5).
Tugevuse poolest ületavad sooliselt neutraalset kontaktisüsteemi vaid üheosalised pistikühendused. Need loobuvad täielikult klassikalisest kaheosalisest kontaktipõhimõttest, mis koosneb tera- ja vedruribast. Haavatava kontaktala puudumise tõttu on üheosalised pistikühendused mitte ainult kõige vastupidavamad löökidele, vibratsioonile, niiskusele, tolmule ja ilmastikutingimustele, vaid sobivad ka valamiseks ja muudeks komponentide kaitsemeetoditeks. Kombineerituna sissepressimistehnikaga moodustavad need kahe trükkplaadi kõige turvalisema mehaanilise ja elektrilise ühenduse (joonis 6).
Mõjutav tegur: ühendustehnika
Pistikühenduste paigaldamiseks trükkplaatidele on mitmeid võimalusi. Üks neist on eespool mainitud sissepressimistehnika. Selle eesmärk on saavutada võimalikult väikese sissepressimisjõu juures võimalikult suur kinnitusjõud pistikühenduse ja trükkplaadi vahel. Kinnitusjõud määravad mehaanilise ühenduse, mis peab omakorda vastu pidama löökidele ja vibratsioonile. See ühendustehnika on miljardite kordade jooksul end tõestanud meetod, mille puhul surutakse sissesurumistapp trükkplaadi läbivasse avasse (joonis 7).
Selle puhul on surutava kontakti diagonaal suurem kui trükkplaadi ava läbimõõt. Pistikupesa kontakt on surumisalas painduv, et trükkplaat ei deformeeruks surumisprotsessi käigus tekkivate füüsikaliste jõudude tõttu. Seetõttu piirdub deformatsioon surumisalaga (joonis 8). Kontaktviigu ja metalliseeritud trükkplaadi ava vahele tekib külmkeevitus: gaasikindel, korrosioonikindel, madala takistusega ja elektrit hästi juhtiv mehaaniline ühendus, mis sobib ka valamiseks. See on täpsustatud ka standardis DIN EN 60352-5 ning säilitab kontakti ka väga suurte mehaaniliste ja termiliste koormuste korral, nagu vibratsioon, painutamine ja tugevad temperatuurikõikumised, ning talub isegi kuni 200 g suurust löökkoormust.
Tänu oma suurepärastele vastupidavusomadustele ja kümme korda paremale rikkevõimalusele (FIT-määr) võrreldes automatiseeritult jootetud pistikühendustega kasutatakse sissepressimistehnoloogiat meelsasti kõrge turvalisusega rakendustes, kus signaaliülekannet ei tohi mingil juhul katkestada, näiteks turvapadjasüsteemides või ABS- ja ESP-moodulites.
Tänu oma suurepärastele vastupidavusomadustele ja kümme korda paremale rikkevõimalusele (FIT-määr) võrreldes automatiseeritult jootetud pistikühendustega kasutatakse sissepressimistehnoloogiat meelsasti kõrge turvalisusega rakendustes, kus signaaliülekannet ei tohi mingil juhul katkestada, näiteks turvapadjasüsteemides või ABS- ja ESP-moodulites.
Kuid survestamistehnika ei ole alati sobiv, näiteks juhul, kui trükkplaate tuleb varustada mõlemalt poolt või kui jõusuunas ei ole võimalik järgida minimaalseid vahekaugusi komponentide vahel. Veel üks võimalus luua usaldusväärne ja vastupidav ühendus pistikühenduse ja trükkplaadi vahel on pinnapaigaldustehnoloogia (SMT). Selle puhul jootetakse pistikühendused jootepasta abil trükkplaadi kindlaksmääratud ühenduspindadele, nn jootepadidele. Alles nn reflow-ahjus sulatatakse jootematerjal ja seejärel kõvastatakse. SMT abil on võimalik luua stabiilseid ühendusi pistikupesa ja trükkplaadi vahel. Selleks peavad aga olema täidetud mõned kriteeriumid: esmalt tuleb standardile IPC-A-610 vastava jootekohtade puhul järgida õiget suhet jootetalla, jootepadja ja jootepasta vahel. Ainult nii luuakse kvaliteetne ühendus, mis võimaldab IPC-klassi 3 vastavat ühendust, mis sobib seega kasutamiseks suure võimsusega elektroonikas. Selles klassis peavad signaaliülekande häired olema igal ajal välistatud. Optimaalset jootmisühendust tunneb ära ühtlase meniski moodustumise järgi. Kontakt peab olema üleni jootmeniskiga ümbritsetud, et saavutada parimad kinnitusjõud trükkplaadil. (Joonis 9).
Kontaktjalgade koplanaarsus on suurepärase ühenduse eelduseks. Kui kõik need tingimused on täidetud, suudavad SMT-pistikud tõendatult taluda mehaanilisi koormusi kuni 400 N.
Mõjutav tegur: isolatsioonielemendi konstruktsioon
Lisaks aitab pistikühenduse isolatsioonikorpuse geomeetria kaitsta kontakte kahjustuste eest nii töötamise kui ka paigaldamise ajal. See peaks olema selline, et haavatavad kontaktid asuksid pistikühenduse sees kaitstult. Lisaks aitavad
sisselükkamise kaldenurgad vältida kahjustusi paigaldamise ajal. Need aitavad ühendamisel kompenseerida trükkplaatide nihkeid igas suunas. Täiendava kinnitusala abil saab mõlemat pistikupoolt ühendada ilma kahjustusteta ka keskmise või nurga nihke korral (joonis 10).
sisselükkamise kaldenurgad vältida kahjustusi paigaldamise ajal. Need aitavad ühendamisel kompenseerida trükkplaatide nihkeid igas suunas. Täiendava kinnitusala abil saab mõlemat pistikupoolt ühendada ilma kahjustusteta ka keskmise või nurga nihke korral (joonis 10).
Mõned pistikühendused on varustatud ka nn boardlockidega. Need on metallklambrid, mis on kinnitatud isolatsioonikorpusele ja samuti jootetud trükkplaadile (joonis 11). Nii tagavad need täiendavat stabiilsust – isegi ebasoodsates tingimustes, nagu vibratsioon ja löögid.
Mõjutav tegur Lubatud vahemik
Pistikühenduse tolerantsivahemik mängib selle töökindluse hindamisel otsustavat rolli. Kui pistik ei suuda antud tolerantsidega toime tulla, põhjustavad mehaanilised liikumised ühenduse kulumist või isegi kahjustumist. Paigaldamisel aitavad sisselükkamise kaldenurgad kaasa, et võimaldada noa- ja vedruriba kahjustusteta ühendamist. Kuid ka ühendatud olekus tuleb mikrolisliikumised kompenseerida. See õnnestub kontaktide ja isolatsioonielementide geomeetria abil. Kui pistikühendusel on ujuvfunktsioon, suudab see ka töötamise ajal kompenseerida kuni ±0,4 mm. See funktsioon muutub üha olulisemaks, kuna see mängib otsustavat rolli mitme pistikühenduse paigaldamisel trükkplaadile. Kuid praktikas tekivad koormused mitte ainult x- ja y-suunas, vaid ka z-suunas (joonis 12).
Siin tõusetub küsimus pistikühenduse ülekattuvuse kohta. See kirjeldab kontaktide ja kontaktiriba ülekattuvat ala ning võimaldab seega mitte ainult erinevaid trükkplaatide vahekaugusi, vaid – sõltuvalt selle ala suurusest – ka tolerantsivahemikke (joonis 13).
Maksimaalsed tolerantside kompenseerimised on aga võimalikud kaabliühenduse abil. Siin määrab kaabli pikkus pistikühenduse tolerantsivahemiku.
Maksimaalsed tolerantside kompenseerimised on aga võimalikud kaabliühenduse abil. Siin määrab kaabli pikkus pistikühenduse tolerantsivahemiku.
Kontrollimenetlus
Pistikühenduste vastupidavuse põhjalikuks testimiseks on olemas erinevad katsemeetodid. Selle käigus vaadeldakse selliseid näitajaid nagu pingetaluvus ja üleminekutakistus enne ja pärast koormuskatset ning kontrollitakse kontaktide seisukorda visuaalselt. Nii saab näiteks kontrollida 500 ühendustsükli mõju pingetugevusele või kliimakatses kindlaks teha, kas mitu tundi esmalt -55 °C ja seejärel 125 °C juures mõjutavad negatiivselt pistikühenduse üleminekutakistust. Temperatuurišokk-katse puhul peab pistik taluma kiiret vaheldumist nende äärmuslike temperatuuride vahel 100 korda, iga kord 30 minutit. Samuti tuleks pistmise ajal tekkivat kesk- ja nurgahälvet, samuti pistmise seisundi tolerantsi vahemikku mitte ainult teoreetiliselt CAD-mudelil kontrollida, vaid praktikas põhjalikult testida ja koormustaluvust empiiriliselt kinnitada. Samuti on oluline, et erinevaid kontaktpinnale kriitilisi katseid teostataks ka kombineeritult, et simuleerida reaalseid tingimusi. Näiteks võiksid pistmistsüklite ja kahjulike gaaside katsed toimuda kombineeritult, et tagada, et pistikühenduse jõudlus üleminekutakistuse ja pingetaluvuse osas ei ole halvenenud ning kontaktid ei ole kahjustatud (joonis 14).
Teie disain – teie valik
Sõltuvalt rakenduse nõuetest kehtivad erinevad vastupidavuskriteeriumid, millele pistikühendus peab vastama. Kas see peab näiteks kompenseerima suuri tolerantsi? Kas see on avatud tugevale löökkoormusele või vibratsioonile? Kas seda kasutatakse tugeva kuumuse või külma mõju all? Või peab ühenduslahendus olema kaitstud niiskuse, kahjulike gaaside või mustuse eest? Kui kasutaja lähtub ühenduslahenduse valikul nendest küsimustest, võib ta olla kindel, et tema pistikühendus on välitingimustes kasutamiseks parimal viisil varustatud.