Hoe ervoor te zorgen dat bord-naar-bord-connectors voldoen aan de hoge snelheidseisen voor assemblage en gebruik in de automobielindustrie

Ontwerpers van autosystemen moeten connectors zorgvuldig selecteren en toepassen, zodat ze zowel fysiek als elektrisch betrouwbaar presteren in omgevingen waar ze worden blootgesteld aan extreme temperaturen en vochtigheid, vervuiling en trillingen. Het wordt steeds moeilijker om aan de prestatie- en betrouwbaarheidseisen voor auto's te voldoen en deze te handhaven, aangezien voertuigen krachtige "computers op wielen" worden. De connectors moeten meer transmissielijnen aankunnen in kleinere ruimten met communicatiesnelheden van meerdere gigabits per seconde die nodig zijn voor normen als 10GBASE-T1 en PCI Express versie 3 (PCIe 3.0).

Om de zaken nog uitdagender te maken, eisen automobielbedrijven zeer hoge productievolumes, zodat elektronica-assemblagebedrijven gebruik moeten maken van snelle assemblagemachines om bij te blijven. Het is echter moeilijk om de productiesnelheid en de opbrengst hoog te houden en tegelijkertijd de connectors zo nauwkeurig te plaatsen dat zij later probleemloos op elkaar aansluiten.

Deze uitdagingen kunnen worden aangegaan met behulp van fysiek en elektrisch robuuste connectors met zwevende contacten die positieveranderingen of uitlijnfouten tijdens de geautomatiseerde assemblage opvangen.

Dit artikel beschrijft de elektrische signaal- en fysieke toepassings- en productie-eisen voor automotive-connectors. Vervolgens worden zwevende connectors van JAE Electronics geïntroduceerd waarmee ontwerpers aan deze eisen kunnen voldoen. Specifieke informatie over hogesnelheidscommunicatienormen en geschikte connectorselectie en -toepassing is opgenomen, evenals richtlijnen voor de selectie van connectors voor hogesnelheidscommunicatieprotocollen voor auto's, zoals 10GBASE-T1 en PCI Express versie 3 (PCIe 3.0).

Snelle communicatieprotocollen in het kort

10GBASE-T1 is een van een familie van normen voor 10 gigabit Ethernet (10 GbE) die de transmissie van Ethernet-frames met een snelheid van 10 gigabits per seconde (Gbps) mogelijk maakt. 10GBASE-T1 is een "Automotive Ethernet"-oplossing die werkt met getwiste kabels over afstanden tot 15 meter (m). De datadoorvoer van 10 Gbps is de snelste norm voor autocommunicatie en kan toepassingen zoals autonoom rijden ondersteunen.

PCIe 3.0 is een andere snelle seriële uitbreidingsbus voor computers. Het biedt tot 8 gigatransfers per seconde (GTps). In een high-end "x16 lane" implementatie komt 8 GTps overeen met een totale gegevensoverdrachtsnelheid van 126 Gbps.

De technologie, die traditioneel wordt gebruikt als snelle bus in PC's, is nu gericht op automobieltoepassingen voor het voertuig van de toekomst, omdat het hardwareontwerp garandeert dat verzonden gegevenspakketten op de beoogde bestemming aankomen. Dit zorgt voor een zeer betrouwbaar systeem dat geschikt is voor autonoom rijden.

Connectors voor hogesnelheidscommunicatie voor auto's

Snelle communicatieprotocollen vereisen connectoren van hoge kwaliteit. Ze moeten niet alleen een robuuste en betrouwbare verbinding bieden om een uitstekende signaalintegriteit te garanderen, maar ze moeten ook relatief gemakkelijk los te koppelen en opnieuw aan te sluiten zijn gedurende vele jaren van dienst. Zij moeten ook veel pinnen en aansluitingen kunnen herbergen op een klein veld om compacte afmetingen met multi-lane connectiviteit te garanderen.

Een voorbeeld van een moderne connectorfamilie voor snelle communicatieprotocollen zoals 10GBASE-T1 en PCIe 3.0 is de MA01-serie van JAE Electronics. Deze connectors bieden kenmerken zoals gerolde oppervlaktecontacten en tweepuntscontactstructuren om te zorgen voor veilige mechanische en elektrische verbindingen, zelfs onder de trillingen, schokken en temperatuurextremen die typisch zijn voor toepassingen in de automobielindustrie (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De connectors van de MA01-serie hebben een tweepuntsconnector die de elektrische continuïteit tijdens schokken en trillingen helpt te behouden. (Bron afbeelding: JAE Electronics)

Aangeboden in verschillende stapelhoogten tussen 8 en 30 millimeter (mm) (figuur 2) en in staat om de 8 Gbps-snelheden te verzenden die worden vereist door 10 GBASE-T1 en PCIe 3.0, zijn de connectors van de MA01-serie ideaal voor toepassingen zoals digitale besturingseenheden voor auto's. De connectors hebben een lage insteek- en verwijderingskracht en zijn voorzien van keying om onjuiste paring te voorkomen. De connectors hebben een breed bedrijfstemperatuurbereik van -40 tot 125 °C.

Afbeelding 2: De connectors van de MA01-serie zijn verkrijgbaar in stapelhoogten van 8 tot 30 mm. (Bron afbeelding: JAE Electronics)

Een voorbeeld uit het assortiment is de MA01F030VABBR300. Deze connector is een hoge-snelheidstransmissieconnector voor de automobielindustrie. Hij heeft 30 posities op een pitch van 0,635 mm binnen een behuizing van 20,925 x 8,8 x 12,3 mm. De contacten zijn gemaakt van een koperlegering met een goudlaag van 0,1 micrometer (µm) (min). De elektrische specificatie van de connector is 0,5 ampère (A) nominale stroom en 50 volt AC nominale spanning. Hij is ontworpen voor maximaal 100 paringscycli.

De MA01F030VABBR300 is ontworpen voor koppeling met de MA01R030VABBR600 om bord-naar-bord-verbindingen te vormen voor snelle automobieltoepassingen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De MA01F030VABBR300 (onder) heeft 30 posities en is gekoppeld aan de MA01R030VABBR600 voor een robuuste en betrouwbare snelle bord-naar-bord-verbinding. (Bron afbeelding: JAE Electronics)

Assemblage-uitdagingen overwinnen

De massaproductie van elektronica vereist het gebruik van robotassemblagetechnologie. De hiervoor gebruikte automatische plaatsingsmachines hebben echter mechanische beperkingen. Dit kan leiden tot toleranties in de positionering van de onderdelen. Hoewel kleine positieafwijkingen typisch zijn en geen probleem vormen voor actieve en passieve componenten, kunnen zij problemen veroorzaken bij het koppelen van connectors met meerdere posities en een fijne steek. Het probleem wordt nog verergerd door het feit dat een typische connector geen vlak oppervlak vormt waarop de vacuümmond van de plaatsingsmachine goed kan aansluiten.

Met typische pin-tot-pin-pitches van minder dan een millimeter is er niet veel scheefstand nodig bij het koppelen van connectoren om te resulteren in beschadigde contacten.

Om dit te ondervangen is de JAE MA01F030VABBR300 voorzien van zwevende contacttechnologie die een beweging van ±0,5 millimeter in zowel X- als Y-richting mogelijk maakt. Dit zweven corrigeert positieverschuivingen of uitlijnfouten die tijdens de montage door geautomatiseerde machines worden veroorzaakt. De connectors worden geleverd met een verwijderbare kap die zorgt voor een veilige aankoop voor het plaatsen van machinevacuümmondstukken. De kap dient ook om te voorkomen dat groot vuil in het contrasterende gedeelte terechtkomt voordat de connector wordt gemonteerd (Afbeeldingen 4 en 5).

Afbeelding 4: De MA01F030VABBR300 is de onderste helft van deze MA01-verbinding en is voorzien van zwevende contacttechnologie, waardoor een beweging van ±0,5 mm in X- en Y-richting mogelijk is. Dit helpt bij het corrigeren van positieverschuivingen of uitlijnfouten tijdens de montage. (Bron afbeelding: JAE Electronics)

Afbeelding 5: De MA01-serie wordt geleverd met een afneembare kap waardoor het vacuümmondstuk van de plaatsingsmachine goed kan worden afgenomen. (Bron afbeelding: JAE Electronics)

De vrouwelijke zijde van de bord-naar-bord-connector, de MA01R030VABBR600, is een starre connector omdat slechts één zijde van de verbinding hoeft te zweven om plaatsingstoleranties mogelijk te maken.

Een ander kenmerk van de MA01-serie connectors dat het assemblageproces vergemakkelijkt, is een duidelijk zicht op de soldeerverbindingen waar de connector op de printplaat aansluit. Conventionele connectors verbergen deze soldeerverbindingen meestal, waardoor inspectie moeilijk is en het risico bestaat dat ze tijdens het gebruik niet werken (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Een zijmontageconnector uit de MA01-serie laat zien hoe het ontwerp het gemakkelijk maakt om de kwaliteit van de soldeerverbindingen op de plaats waar de connector op de printplaat is bevestigd, te inspecteren. (Bron afbeelding: JAE Electronics)

Zorgen voor een probleemloze paring

De zwevende connectortechnologie van de MA01-serie is nuttig bij het compenseren van plaatsingsfouten, maar er kunnen grotere afwijkingen optreden wanneer de connectors handmatig worden samengeklikt. Een dergelijke verkeerde uitlijning komt vaak voor wanneer de bovenste en onderste printplaten die de twee helften van de connector vasthouden, "blind" bij elkaar worden gebracht, waardoor de delicate contacten maar al te gemakkelijk verkeerd worden uitgelijnd. Erger nog, de connector kan aanvoelen alsof hij goed is gekoppeld, ook al zijn de contacten tijdens het proces beschadigd. Die scheefstand kan zich zowel in de X- als in de Y-richting voordoen.

De JAE-connectors zijn voorzien van geleidepalen die een onjuiste aansluiting voorkomen, zelfs als de connectoren tijdens het koppelingsproces in één of beide X- en Y-richtingen aanzienlijk verkeerd zijn uitgelijnd. De geleidepaal is in het connectorhuis gegoten en stuurt de twee helften van de connector in de juiste positie (Afbeelding 7, 8 en 9).

Afbeelding 7: Bij een verkeerde uitlijning in de X-richting stuurt de geleidepaal van de JAE Electronics MA01-serie de bovenste helft van de connector in verticale richting. (Bron afbeelding: JAE Electronics)

Afbeelding 8: In de Y-richting voorkomen de geleidepalen te grote uitlijnfouten die anders de contacten zouden beschadigen. (Bron afbeelding: JAE Electronics)

Afbeelding 9: Wanneer twee borden bij elkaar worden gebracht voor blinde connectorinvoer, compenseren de geleidepalen tot 1 mm horizontale scheefstand. (Bron afbeelding: JAE Electronics)

Na koppeling kan de connector dankzij het zwevende contact de typische schokken en trillingen van autotoepassingen opvangen zonder risico op contactbeschadiging.

Selectie van hogesnelheidsconnectors

Het ontwerpen van snelle communicatiesystemen is lastig. Nog voordat de ontwerper begint na te denken over de signaalintegriteit van een bepaalde connector, moet de lay-out van de bijbehorende printplaat rekening houden met factoren als doelimpedanties en routing van de snelle differentiële signaalkanalen om overspraak en verliezen te beperken. Als de ontwerper echter rekening heeft gehouden met deze en andere belangrijke ontwerpfactoren, kan de connector een belangrijke rol spelen in de uiteindelijke bandbreedte, de doorvoer van ruwe gegevens en de signaalintegriteit van het systeem.

Het eerste dat moet worden gecontroleerd bij de keuze van een hogesnelheidsconnector is de maximale bandbreedte voor het gewenste communicatieprotocol. Het heeft weinig zin een systeem te ontwerpen dat op hoge snelheid kan werken als de connector de operationele frequentie van het protocol niet aankan. Een eenvoudige manier om dit te doen is connectors te kiezen die gecertificeerd voldoen aan de relevante protocolstandaard. Zo kan de ontwerper erop vertrouwen dat de connector speciaal is ontworpen om een maximale doorvoer en bandbreedte te garanderen.

Een connector die aan de eisen voldoet, heeft ook de beoogde impedantie voor het desbetreffende hogesnelheidsprotocol (doorgaans 50 ohm (Ω)). Andere selectiefactoren, zoals het materiaal waarvan de connector is gemaakt, de wijze van printplaatmontage en de afmetingen zijn belangrijk, maar hebben minder invloed op de signaalintegriteit.

Hoewel de conformiteitscertificering de ontwerper het vertrouwen geeft dat de connector het werk aankan, is het belangrijk de geselecteerde connector te testen op een testprintplaat met een soortgelijke of identieke lay-out als het productieproduct. De datasheet of het testen van de connector in isolatie vertoont mogelijk geen problemen met de signaalintegriteit die zich in de praktijk kunnen voordoen. Het testen van een prototype geeft een duidelijke indicatie van problemen met signaalreflectie en/of vervorming.

De belangrijkste metingen voor het bepalen van de signaalintegriteit van de connector zijn de S-parameters en het oogdiagram. De S-parameters geven de signaalretour- en invoegverliezen in het frequentiedomein aan. Zij moeten worden gemeten voor het werkcircuit met de connector op zijn plaats, en vervolgens worden vergeleken met de resultaten met de connector verwijderd om de invloed ervan op de signaalintegriteit te evalueren.

Een door een oscilloscoop gegenereerd oogdiagram is een visualisatie van de prestaties van de schakeling in het digitale domein. Het is de standaardmethode voor het visualiseren van verliezen, overspraak, intersymboolinterferentie (ISI) en bitfoutenpercentages. Ook hier moeten de tests worden uitgevoerd met en zonder de connector om het effect ervan op de signaalintegriteit vast te stellen.

Conclusie

Het is een uitdaging voor ontwerpers om te voldoen aan de veeleisende fysieke en elektrische prestatie-eisen van connectors voor printplaten in auto's, en tegelijkertijd schade aan de connector te voorkomen als gevolg van slechte positionering en foutieve uitlijning tijdens geautomatiseerde assemblage met hoge snelheid. Ontwerpers kunnen deze uitdagingen overwinnen met behulp van de MA01-serie connectors van JAE Electronics.

Zoals aangetoond zijn de MA01-connectors compatibel met multi-gigabit communicatieprotocollen en bieden zij een robuuste en betrouwbare oplossing met een lage weerstand bij het insteken en ontkoppelen. Bovendien zijn de connectors ook ontworpen met het oog op snelle montage. Functies zoals verwijderingskapjes, zwevende connectors en geleidepalen maken grotere toleranties mogelijk bij de montage van printplaten en blinde bord-naar-bordverbindingen zonder risico op verkeerde uitlijning en beschadiging van contacten.