Sélectionner des connecteurs adaptés aux exigences électriques et mécaniques rigoureuses des applications militaires et aérospatiales

Les exigences imposées aux connecteurs et interconnexions pour les applications militaires et aérospatiales (mil/aéro), y compris l'avionique, les véhicules aériens sans pilote (UAV), les aéronefs, les radars et les satellites, sont beaucoup plus strictes que celles des applications grand public, médicales et industrielles. Ces connecteurs mil/aéro sont exposés à un large éventail de contraintes électriques, mécaniques et environnementales susceptibles de dégrader, voire d'endommager, les dispositifs conventionnels, mais ils doivent néanmoins continuer à respecter leurs spécifications de performances nominales.

Une interconnexion haute fiabilité pour les applications militaires et aérospatiales ne se résume pas à un contact ou à un ensemble de contacts logés dans un boîtier robuste. Le corps, les joints, les forces de contact et les matériaux de contact doivent fonctionner comme un système intégré pour garantir les performances dans les conditions spécifiées.

Cet article examine les défis auxquels les concepteurs sont confrontés lors de la sélection et de l'utilisation d'interconnexions pour les applications militaires et aérospatiales. Il présente ensuite trois exemples de Molex et montre comment ils contribuent à relever ces défis.

Exigences relatives aux connecteurs renforcés

Un connecteur renforcé est un connecteur qui répond continuellement aux spécifications en conditions de contraintes mécaniques, environnementales et thermiques extrêmes. Ces contraintes diffèrent selon l'environnement opérationnel, mais présentent également des similitudes importantes. Par exemple :

• Les connecteurs utilisés dans les systèmes militaires terrestres doivent résister à de fortes vibrations, à d'importantes accumulations de saletés (poussières, sable, gravillons) et à des températures extrêmes, chaudes ou froides.
• Les connecteurs maritimes et sous-marins doivent résister à une exposition prolongée à l'eau salée corrosive et à une pression d'écrasement.
• Les connecteurs destinés à l'aéronautique et à l'aérospatiale doivent résister à des décollages et atterrissages répétés, à des vibrations en vol et à de larges plages de températures.
• Les connecteurs pour les applications spatiales subissent des variations de température plus extrêmes, une exposition au vide, un dégazage et des contraintes mécaniques intenses lors du lancement et de la rentrée dans l'atmosphère.

Le respect de ces spécifications requises implique la compréhension de multiples facteurs physiques fondamentaux, tels que les suivants :

• Vibrations : les connecteurs utilisés dans les véhicules militaires ou les avions de combat sont testés pour résister jusqu'à 20 g.
• Chocs : cette force à impact élevé, qui survient lors d'une accélération ou d'une décélération rapide, est distincte des vibrations. Elle peut atteindre 50 g pour les connecteurs standard et 100 g pour les nano et micro conceptions. Il existe même une norme pour les événements de chocs pyrotechniques (vibrations structurelles de forte intensité, haute fréquence et courte durée causées par la détonation d'engins explosifs, comme la séparation d'étages sur les fusées ou le déploiement de la charge utile des missiles).
• Températures extrêmes : un système au sol peut être exposé à des températures s'étendant de -65°C à +125°C, tandis que les systèmes spatiaux peuvent atteindre des températures de +200°C. Les cycles thermiques provoquent la dilatation et la contraction des matériaux, ce qui peut les fragiliser et affecter leur conductivité. De plus, les différences de coefficient de dilatation thermique (CTE) entre les matériaux dans un connecteur peuvent introduire des contraintes mécaniques au niveau des interfaces des matériaux, et entraîner un désalignement ou une défaillance au fil du temps.
• Exposition aux contaminants : pour garantir un fonctionnement fiable à long terme, les connecteurs doivent être protégés contre l'humidité, la poussière et d'autres contaminants grâce à des solutions d'étanchéité telles que des joints toriques, des joints d'étanchéité et des passe-fils.
• Corrosion : il s'agit d'un problème récurrent causé par des facteurs tels que le brouillard salin et l'oxydation. Les matériaux des connecteurs doivent être sélectionnés et appliqués avec soin afin d'éviter que ces phénomènes inévitables ne dégradent l'intégrité des connecteurs.

Le concept de fiabilité

Globalement, la fiabilité à long terme signifie le maintien de performances constantes malgré une utilisation répétée, des contraintes mécaniques et l'exposition à des conditions environnementales difficiles. Ces performances sont non seulement déterminées par la première utilisation du connecteur, mais également par la capacité à résister à des cycles de raccordement répétés et à fonctionner correctement. De nombreux connecteurs, notamment les connecteurs d'entrée/sortie (E/S), subissent des centaines, voire des milliers, de cycles de raccordement.

La réussite d'une conception renforcée repose sur deux aspects étroitement liés : les contacts eux-mêmes et le logement (corps) qui les maintient en place (Figure 1).

Figure 1 : Les matériaux, la géométrie et le placage des contacts sont des facteurs essentiels dans la conception de connecteurs renforcés. (Source de l'image : Molex)

La conception de la surface de contact est cruciale pour garantir que les connecteurs conservent une faible force d'insertion tout en fournissant des connexions fiables. L'usinage de précision des géométries de contact réduit l'usure au niveau de la connexion, tandis que le placage en or (Au) sur la surface de contact empêche l'oxydation. Le placage en or a généralement une épaisseur de 50 micropouces et est appliqué sur un sous-placage en nickel (Ni), améliorant l'adhérence du placage et augmentant la résistance à la corrosion.

Ces placages sont appliqués sur le matériau de base en alliage de cuivre (Cu) du contact. L'association d'un placage en or et d'un sous-placage en nickel est essentielle pour la fiabilité à long terme dans les applications aérospatiales, spatiales et de défense. Le cuprobéryllium (BeCu) est largement utilisé comme matériau de base en raison de son excellent rapport résistance/poids et de son exceptionnelle résistance à la fatigue. Il convient particulièrement bien aux contacts à ressort, où l'élasticité et la résilience à long terme sous contrainte sont essentielles.

Le bronze phosphoreux (CuSnP) est une alternative appropriée pour les contacts sans ressort, offrant un équilibre entre résistance et conductivité. Il est résistant à la corrosion, possède des propriétés de ressort modérées et est fréquemment utilisé pour les connecteurs compacts et à pas fin qui requièrent une certaine élasticité mais ne sont pas soumis à une flexion continue.

La conception de connecteurs renforcés implique la prise en compte attentive de multiples facteurs (Figure 2) :

• Le maintien d'une force normale est essentiel à la fiabilité. Un matériau de ressort hautes performances maintient la pression de contact et la durabilité.
• Une force de contact plus importante réduit les entrefers, diminuant ainsi la résistance et améliorant l'intégrité des signaux. La géométrie optimisée répartit la pression pour une conductivité stable.
• L'engagement du contact correspond au chevauchement axial entre la broche et la douille, assurant l'équilibre entre force, continuité et stabilité mécanique.

Figure 2 : Le maintien d'une force normale est essentiel à la fiabilité (en haut), tandis qu'une force de contact plus importante réduit les entrefers (en bas), diminuant ainsi la résistance et améliorant l'intégrité des signaux. (Source de l'image : Molex)

À l'échelle microscopique, la zone de contact de raccordement n'est pas simplement la rencontre de deux surfaces lisses et planes. Au contraire, l'interface présente des pics, des irrégularités et des rugosités microscopiques, aux endroits où le contact ohmique est établi ou interrompu. L'application d'une force plus importante aplanit ces aspérités, améliorant la conduction, réduisant la résistance et garantissant des performances constantes. Cependant, l'augmentation de la force a également un impact sur la force de connexion et déconnexion ainsi que sur l'usure de la surface de contact.

Un système de contact bien conçu équilibre la longueur d'engagement et la force normale afin d'éviter les connexions médiocres, l'usure excessive et les contraintes mécaniques. Si la force de contact est trop faible, la résistance électrique augmente, ce qui entraîne une instabilité du signal. À l'inverse, une force excessive accélère l'usure du placage et entraîne une fatigue prématurée de la structure de contact.

Contrairement aux connecteurs commerciaux dotés d'un ou éventuellement de deux points de contact, les connecteurs renforcés intègrent des systèmes de contact multipoints pour répartir les charges mécaniques dues aux vibrations ou aux chocs (Figure 3). Ces systèmes de contact préviennent la formation d'arc ou la perte de signal causée par des micro-mouvements et fournissent des chemins de contact redondants pour les systèmes critiques.

Figure 3 : Les conceptions de contacts multipoints améliorent la stabilité et l'intégrité des signaux. (Source de l'image : Molex)

Le système de contact peut également inclure des éléments à ressort pour maintenir une force de contact constante dans le temps. Ces contacts à ressort compensent les légères variations d'alignement des contacts tout en garantissant une conductivité fiable au fil des cycles de raccordement répétés. Cependant, une force excessive peut entraîner une usure excessive du placage de contact.

Au-delà des contacts : logements et boîtiers de connecteurs

Si les performances des connecteurs renforcés reposent avant tout sur les contacts, les logements des connecteurs ne se contentent pas d'accueillir les contacts électriques internes : ils les protègent également contre les contraintes mécaniques, les températures extrêmes, les éléments corrosifs et la pénétration d'humidité, tout en maintenant un équilibre entre durabilité et poids. Les concepteurs ont le choix entre plusieurs matériaux de logement :

• Les polymères thermoplastiques tels que le polyétheréthercétone (PEEK), le polyphénylène sulfure (PPS) et le polyétherimide (PEI) offrent une résistance mécanique, une résistance thermique et une stabilité chimique exceptionnelles. Ces matériaux absorbent efficacement les vibrations et les chocs dans les structures légères.
• Les matériaux composites tels que les polymères renforcés de fibres de verre et les composites de fibres de carbone offrent d'excellents rapports résistance/poids. Ils peuvent être conçus pour optimiser des propriétés spécifiques telles que la résistance à la traction, la résistance aux impacts ou la stabilité thermique.
• L'acier inoxydable et les alliages d'aluminium sont des matériaux privilégiés pour les logements de connecteurs en raison des chocs, des vibrations et des interférences électromagnétiques (EMI) élevés dans les applications aérospatiales et de défense.

Les logements de connecteurs en acier inoxydable offrent une résistance à la corrosion et une résistance mécanique exceptionnelles, ce qui les rend parfaitement adaptés aux applications maritimes, industrielles et aérospatiales exposées à l'humidité, aux produits chimiques ou aux brouillards salins. Les alliages d'aluminium offrent un bon équilibre entre blindage EMI robuste, faible poids et facilité d'usinage, ce qui en fait le matériau de choix pour les logements de connecteurs dans les véhicules militaires, l'avionique et les applications spatiales où la réduction du poids est essentielle.

Certains connecteurs renforcés utilisent des systèmes de verrouillage extra-plats qui assurent stabilité et raccordement sécurisé tout en réduisant la taille globale. Les verrous à ressort ou les mécanismes de verrouillage par simple pression, par exemple, rendent les connecteurs à la fois mécaniquement fiables et faciles à utiliser sur le champ de bataille.

L'espace : une nouvelle frontière

Les connecteurs utilisés dans les satellites, les sondes spatiales et les systèmes aérospatiaux de haute altitude sont constamment exposés à des rayonnements ionisants, qui peuvent dégrader les matériaux, altérer les performances électriques et compromettre l'intégrité structurelle. Ces connecteurs doivent être conçus pour résister à la fragilisation induite par les rayonnements, à la perte de conductivité et à l'érosion par l'oxygène atomique, tout en conservant leur fiabilité dans les environnements sous vide.

Pour ces applications, les thermoplastiques résistants aux rayonnements tels que le PEEK et le PPS offrent une résistance supérieure aux rayonnements tout en maintenant un faible dégazage. Le blindage métallique, fabriqué à partir d'alliages d'aluminium de qualité aérospatiale avec une finition en nickel chimique, fournit une durabilité structurelle tout en offrant une protection contre les rayonnements et l'exposition à l'oxygène atomique. Enfin, le placage en or forme une barrière protectrice contre les dommages causés par les rayonnements, préservant ainsi l'intégrité électrique et la fiabilité des contacts lors des missions spatiales prolongées.

Gammes de connecteurs illustrant une variété de solutions

Aucun type de connecteur renforcé seul ne répond à tous les besoins, c'est pourquoi des entreprises comme Molex proposent une multitude d'options. Un aperçu des connecteurs D-subminiatures (D-sub), à terminaison RF et à plaque RF met en évidence les capacités par rapport aux applications, les valeurs nominales et les mécanismes de verrouillage et de rétention, entre autres caractéristiques.

Bien établi, le connecteur D-sub reste largement utilisé pour ses multiples configurations de contacts (9, 15, 25, 37 et 50), sa capacité de traitement des signaux, son détrompage physique et ses diverses options de raccordement et de rétention. L'adaptateur femelle à 9 broches vers mâle à 9 broches (fiche/prise) à filtre EMI à suspension libre 0732841811 de Molex (Figure 4) est un bon exemple. Il peut notamment servir à raccorder deux connecteurs de genres différents.

Figure 4 : Le 0732841811 est un adaptateur D-sub mâle/femelle à 9 broches. (Source de l'image : Molex)

Ses broches présentent une faible résistance de contact de 10 mΩ, tandis que les condensateurs intégrés de 1000 pF fournissent une fréquence de coupure à 3 dB de 3,2 MHz pour le filtrage des interférences électromagnétiques (EMI) et des perturbations radioélectriques (RFI). Le capot mesure environ 7,72 mm de large × 16,26 mm de long, et il est fabriqué en zinc nickelé, tandis que l'isolant du corps est en polyester chargé de fibres de verre.

Pour la terminaison de câble RF, le 0732870620 (Figure 5) est une fiche de connecteur coaxial (broche mâle) de 26,5 GHz, 50 Ω utilisée pour boucher (terminer) un port RF inutilisé. Cela permet d'éviter que l'énergie du signal ne se réfléchisse le long du câble, ce qui pourrait provoquer une distorsion du signal, des interférences, voire des dommages aux composants électroniques sensibles.

Figure 5 : Le 0732870620 est un terminateur SMA de 26,5 GHz, 50 Ω qui ferme un port RF inutilisé afin d'éviter les réflexions de signaux. (Source de l'image : Molex)

Le 0732870620 présente un rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) proche de l'unité de 1,05:1 à CC, atteignant juste 1,35:1 à sa fréquence maximum. Le corps est en acier inoxydable passivé, tandis que le conducteur est en BeCu plaqué or. Le dispositif est répertorié pour une tenue en puissance de 1 W (en continu) à 25°C, avec une valeur maximum de 1 kW avec une impulsion de 5 µs et un rapport cyclique de 0,05 %.

Les interconnexions à plaques de filtrage RF sont moins connues que les connecteurs standard, mais elles jouent un rôle important. Ce sont des composants haute densité spécialisés, conçus pour supprimer les interférences électromagnétiques au niveau de la traversée ou du module. Contrairement aux traversées de signaux, les plaques de filtrage bloquent ou atténuent les interférences électromagnétiques dans une gamme de fréquences spécifiée, préservant ainsi l'intégrité des signaux et réduisant le bruit, tout en prévenant la diaphonie et la distorsion dans les applications haute fréquence.

Une plaque telle que la 0732860030 (Figure 6, à gauche) comporte plusieurs lignes de signaux filtrées pour réduire le travail d'installation et économiser de l'espace sur les circuits imprimés. Elle présente deux rangées de six broches droites, chacune sur sa plaque de 26,92 mm de long, et utilise un filtre de condensateur de traversée (style C) de 100 pF avec une fréquence de coupure maximum à 3 dB de 50,3 MHz. Elle a une perte d'insertion de 0 dB à environ 50 MHz, augmentant à 50 dB (typique) à 10 GHz (Figure 6, à droite).

Figure 6 : La plaque de filtrage 0732860030 (à gauche) comporte deux rangées de six broches, utilise un filtre de style C de 100 pF avec une fréquence de coupure à 3 dB de 50,3 MHz et présente une perte d'insertion de 0 dB à environ 50 MHz, augmentant à 50 dB (typique) à 10 GHz (à droite, ligne B). (Source de l'image : Molex)

La plaque en laiton est étamée, tandis que les broches plaquées or peuvent supporter des signaux de 100 V à 3 A.

Les exigences pour les connecteurs et les interconnexions dans les applications renforcées, ainsi que pour leurs matériaux, sont définies par des normes établies par diverses organisations. Nombre d'entre elles sont répertoriées dans les normes pertinentes listées ci-dessous.

Conclusion

Les exigences pour les connecteurs et interconnexions renforcés utilisés dans les environnements militaires, aérospatiaux, spatiaux proches et lointains, ainsi que dans d'autres environnements difficiles, sont strictes. Elles impliquent une compréhension et un examen attentif des compromis liés aux matériaux, à la conception et à la fabrication des contacts et des logements afin de produire des connecteurs adaptés à ces conditions. Molex propose des solutions renforcées, chacune offrant un large éventail d'options, permettant ainsi aux concepteurs de choisir une solution optimisée et d'atteindre des objectifs de performances critiques.

Normes pertinentes

• MIL-STD-202 - Méthode de test, composants électroniques et électriques
• MIL-STD-810 - Considérations d'ingénierie environnementale et tests en laboratoire
• MIL-STD-1344 - Méthodes de test pour connecteurs électriques
• EIA 364-27 - Tests de chocs mécaniques pour connecteurs et prises électriques
• MIL-DTL-83513 - Spécification générale pour les connecteurs électriques, rectangulaires, microminiatures, à capot polarisé
• MIL-STD-348 - Norme d'interface du Département de la Défense : interfaces de connecteurs radiofréquences pour applications militaires
• NASA ASTM-E595 - Test de dégazage standard
• NASA-STD-6012 - Protection contre la corrosion pour le matériel de vol spatial
• NASA-STD-5019 - Exigences de contrôle des fissures pour le matériel de vol spatial
• NASA-STD-7003 - Critères de test de chocs pyrotechniques
• IP67 - Indice de protection contre les infiltrations
• UL94V-0 - Norme de sécurité relative à l'inflammabilité des matériaux plastiques pour les pièces d'équipements et d'appareils

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