EUR | USD

Hoe u de voordelen van draad-naar-bord-connectors in ultra-compacte ontwerpen kunt benutten

Door Steven Keeping

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Bekabelde verbindingen die bestaan uit draden die in een stopcontactbehuizing worden gestoken en die in een op de printplaat gemonteerde header worden gestoken, zijn populair. Ze bieden een eenvoudige, robuuste en goedkope oplossing voor het routeren van stroom en communicatie tussen individuele pc-borden in producten die worden gebruikt voor auto-, industriële, verlichtings- en telecommunicatietoepassingen.

Maar deze draad-naar-bord-verbindingen hebben wel wat nadelen. Conventionele connectors zijn bijvoorbeeld volumineus en hebben een hoog profiel, waardoor ze onpraktisch zijn voor compacte ontwerpen. Bovendien kan het monteren van de connector en de kabel lastig zijn, waardoor het massaproductieproces wordt vertraagd.

De introductie van ultracompacte connectors met profielen tot 1,4 millimeter (mm), ontworpen voor compatibiliteit met geautomatiseerde opbouwmontage en vereenvoudigde kabelconstructie, pakt dit probleem nu aan. Hoewel deze connectors klein zijn, voldoen ze aan de mechanische en elektrische integriteitseisen van een betrouwbare bekabelde verbinding, met functies zoals vergulde contacten, trekontlasting en vergrendelmechanismen die een eenvoudige ontkoppeling mogelijk maken wanneer dat nodig is.

In dit artikel wordt kort ingegaan op de voordelen van bekabelde verbindingen voordat wordt getoond hoe een nieuwe generatie compacte connectors het gemakkelijker maakt om deze voordelen in elektronische producten te benutten. Het artikel onderzoekt vervolgens de anatomie van deze connectors aan de hand van voorbeelden van Molex om te laten zien hoe, hoewel ze klein zijn, de connectors een signaalverbinding met hoge integriteit bieden, en hoe kenmerken van de connectors en bijbehorende kabels zich lenen voor hoge volume montage.

Krimpende bekabelde verbindingen

Connectoren en kabels beloven een eenvoudige, betrouwbare en goedkope oplossing voor stroom- en signaaloverdracht tussen meerdere printplaten (PCB's) in één product. Maar om aan deze belofte te voldoen, moeten deze verbindingen robuust genoeg zijn om een hoge signaalintegriteit te garanderen, zelfs wanneer ze onderhevig zijn aan trillingen, vuil en hitte. Een beproefde oplossing is afkomstig van connectorfabrikant Molex, die een systeem heeft ontwikkeld dat bestaat uit aansluitklemmen, behuizingen van houders en headers (Afbeelding 1).

Afbeelding van draad-tot-bordsysteemAfbeelding 1: Een draad-naar-bordsysteem biedt een eenvoudige, robuuste en hoogwaardige connectiviteitsoplossing. (Bron afbeelding: Molex)

Een illustratie van het Molex draad-naar-bordsysteem is te zien in Afbeelding 2.

Afbeelding van Molex draad-naar-bordsysteem omvat draad, een aansluitklem en een header-assemblageAfbeelding 2: Het Molex-draad-naar-bordsysteem omvat draad, een aansluitklem die in de behuizing van het aansluitpunt wordt gestoken en een header-assemblage die met de behuizing wordt verbonden. (Bron afbeelding: Molex)

Conventionele systemen van dit type, zoals Molex's Mini-Lock draad-naar-bord-systeem, hebben een pitch van 2,5 mm voor de afstand tussen de connectorpennen. Hoewel deze systemen goed werken, heeft de relatief brede pitch de neiging om de totale afmetingen van de houder en de headers vrij groot te maken. De op de bord gemonteerde 0534260610 6-positie header meet bijvoorbeeld 17,4 mm breed x 11,5 mm diep x 6,7 mm hoog (voor een volume van 1340 mm3). De behuizing van de paringshouder (0511020600) meet 15,5 mm breed x 9,5 mm diep x 5,8 mm hoog (voor een volume van 850 mm3).

Onlangs heeft Molex draad-naar-bordsystemen geïntroduceerd met smallere pitches. Dergelijke producten omvatten de 2 ampère (A) stroomcapaciteit, 1,5 mm (5040500691) en 1,0 mm (5037630691) Pico-Lock Systemen, en het 1,2 mm (0781715006) Pico-EZmate Systeem. De impact van de smallere pitchpennen vermindert de totale afmetingen van de connector aanzienlijk (tabel 1).

Minislot 2,5 mm Hdr Pico-Lock 1,5 mm Hdr Pico-Lock 1,0 mm Hdr Pico-EZMate 1,2 mm Hdr
Breedte (mm) 17,4 12,75 9,8 9,0
Diepte (mm) 11,5 6,1 4,85 4,5
Hoogte (mm) 6,7 2,0 1,5 1,4
Volume (mm3) 1340 156 71 57
Onderdeelnummer WM3425-ND WM10143CT-ND WM25688CT-ND WM5408CT-ND

Tabel 1: De afmetingen van de zes-positie headers in het Minislot (0534260610), Pico-Lock (5040500691 en 5037630691), en Pico-EZmate serie (0781715006). (Bron tabel: Digi-Key Electronics)

Omdat de connectorsystemen weinig ruimte in beslag nemen en een zeer laag profiel hebben (Afbeelding 3), kunnen ingenieurs profiteren van betrouwbare en goedkope draad-naar-bord-connectiviteit in producten die voorheen te klein waren om de technologie aan te kunnen.

Diagram van Molex opbouw Pico-Lock-headerAfbeelding 3: De opbouw van de Pico-Lock-header is voorzien van een 1,5 mm profiel, waardoor deze gebruikt kan worden in compacte eindproducten. (Bron afbeelding: Molex)

Belangrijkste elementen van draad-naar-bord-connectors

Een belangrijk element van de eenvoud van het Molex-connectorsysteem is de aansluitklem. Dit is het onderdeel dat eerst tot het einde van de draad wordt gekrompen en vervolgens in de houderbehuizing wordt gestoken. Molex biedt verschillende aansluitklemmen aan, waaronder de vergulde (5040520098) voor gebruik met 24 - 28 AWG-draden en de Pico-Lock-connectors en de 0781720411 voor gebruik met 28 - 30 AWG-draden en het Pico-EZMate-systeem. De krimpverbindingen worden gemaakt met handgereedschap zoals de 0638275700-krimper of geautomatiseerde krimpsystemen.

Een verbinding gevormd met een gekrulde aansluitklem (Afbeelding 4) bestaat uit verschillende belangrijke onderdelen, zoals:

  • Belmonding: Dit is de flare die is gevormd op de rand van de geleiderkrimp die fungeert als een trechter voor de draadstrengen. Het is belangrijk omdat het de kans verkleint dat een scherpe rand op de aansluitklem van het recipiënt snijdt of een draad draadstreng insnijdt.
  • Geleiderkrimp: Dit is het belangrijkste element van de verbinding en wordt gevormd door de mechanische compressie van de klem rond de geleider van de draad, waardoor een gemeenschappelijk elektrisch pad ontstaat met een lage weerstand en een hoog stroomvoerend vermogen zonder dat er een extra soldeerbewerking nodig is.
  • Geleiderborstel: Dit heeft betrekking op de draadstrengen die langs de krimp aan de contactzijde van de klem uitsteken (maar niet in het paringsgebied van de gekrimpte verbinding komen). Deze verlenging is belangrijk omdat het ervoor zorgt dat de mechanische compressie die tijdens het krimpproces wordt uitgeoefend, wordt toegepast op het maximale oppervlak van de geleiders van de draad.
  • Isolatiekrimp: Dit is het deel van de klem dat draadondersteuning biedt voor het inbrengen in de behuizing en de trekontlasting. Het moet de draad zo stevig mogelijk vasthouden zonder door te snijden naar de geleiders.

Diagram van gekrimpte verbinding gevormd met Molex-aansluitklemmenAfbeelding 4: Onderdelen van een gekrimpte verbinding gevormd met Molex-aansluitklemmen en gereedschap. (Bron afbeelding: Molex)

Een goed gemaakte krimpverbinding heeft de volgende kenmerken (Afbeelding 5):

  • Een isolatiekrimp die de isolatie samendrukt zonder dat deze doorboord wordt.
  • Een geleiderborstel die door de voorkant van het geleiderkrimpgedeelte steekt met minstens de diameter van de geleider.
  • Isolatie en geleider die zichtbaar zijn in het gebied tussen de isolatie en het geleiderkrimpgedeelte
  • Een geleiderkrimpgedeelte dat de vorm van een belmonding toont aan de voorkant en aan de achterkant.
  • Overgangs- en paringssecties die niet worden verstoord door het krimpproces

Diagram van kenmerken van een goedgevormde gekrompen verbindingAfbeelding 5: De kenmerken van een goedgevormde gekrompen verbinding zijn onder meer een isolatiekrimp die de isolatie comprimeert zonder deze te doorboren en een zichtbare belmonding. (Bron afbeelding: Molex)

Het meten van de krimphoogte is een snelle, niet-destructieve manier om de mechanische samendrukking van de krimpkous rond de geleider van de draad te controleren. De krimphoogte wordt gedefinieerd als de afstand gemeten van het bovenste oppervlak van de gevormde krimpkous tot het onderste radiale oppervlak. Een andere visuele indicatie van de kwaliteit van de crimp is de extrusie (of kleine fakkels) die zich op de bodem van de geleiderkrimp vormen als gevolg van de speling tussen de pons en het aambeeld. Als het aambeeld is versleten of als de klem is overgekrompen, leidt dit tot overmatige extrusie. Ongelijke extrusie kan ook optreden als de pons en het aambeeld verkeerd zijn uitgelijnd of als de voerafstelling niet correct is.

Het is ook belangrijk dat de gekrimpte aansluitklem na de montage mechanisch wordt uitgelijnd; een verkeerde uitlijning van het gekrimpte deel en het contradeel door verdraaien of buigen maakt het onmogelijk om de aansluitklem in de header van de aansluitklem te steken.

Zodra deze met succes zijn gevormd, worden de gekrimpte aansluitklemmen in de aansluitbehuizing gestoken. Mits de klem mechanisch is uitgelijnd, zou dit niet moeilijk moeten zijn, maar het is belangrijk om ervoor te zorgen dat de klem dan op de juiste manier aan de kopbal vastzit. De behuizingen zijn doorgaans voorzien van vergrendelingsmechanismen om te voorkomen dat de klemmen na het vastklemmen losraken als de bijbehorende draden onder spanning komen te staan. De Molex 5037640601 6-positie aansluitbehuizing voor de klemmen van de Pico-Lock-serie is bijvoorbeeld voorzien van een gietlans op de behuizing die vastklikt met een metalen lans op de aansluitklem van de houder en voorkomt dat de houder uit de behuizing kan worden getrokken (Afbeelding 6).

Afbeelding van de Pico-Lock-serie van MolexAfbeelding 6: In de Pico-Lock-serie van Molex past een lans op de aansluitklem van de houder met een vormlans op de aansluitbehuizing om de houder op zijn plaats te houden. (Bron afbeelding: Molex)

Nadat de aansluitklemmen in de aansluitbehuizing zijn geplaatst, kan de voltooide kabelmontage in de header van de printplaat worden geplaatst. Ook hier maakt het ontwerp van het connectorsysteem dit relatief eenvoudig, mits de behuizing en de header mechanisch zijn uitgelijnd (wat wel zorgvuldigheid vereist omdat de stekkertjes zo klein zijn). Net zoals de aansluitklemmen in de aansluitbehuizing zijn vergrendeld om te voorkomen dat ze losraken, zijn ook de behuizing en de headers voorzien van mechanismen die ervoor zorgen dat de header na het plaatsen ervan niet gemakkelijk kan worden losgekoppeld. Zo zijn de 6-positie aansluitbehuizingen voor de Pico-Lock-serie voorzien van een wrijvingsvergrendeling en twee positieve vergrendelingen die in elkaar grijpen zodra de behuizing in de header wordt gestoken (Afbeelding 7).

Diagram van Molex Pico-Lock Headers bevatten een wrijvingsslot en twee positieve sloten.Afbeelding 7: Pico-Lock-headers zijn voorzien van een wrijvingsvergrendeling en twee positieve vergrendelingen om een robuuste vergrendeling te garanderen. (Bron afbeelding: Molex)

Gebouwd voor geautomatiseerde montage

Draad-naar-bord-systemen kunnen een uitdaging blijken te zijn voor fabrikanten van hoog-volume producten, omdat conventionele headers zijn voorzien van lastige profielen en meestal gebruik maken van doorlopende verbindingen om aan de pc-kaart te monteren. (De Molex Mini-Lock 0534260610 is bijvoorbeeld voorzien van doorvoertechniek). Dergelijke eigenschappen maken het onpraktisch om automatische plaatsingsapparatuur te gebruiken om de connector op de printplaat te monteren, waardoor fabrikanten gedwongen worden om een handmatig proces aan de lijn toe te voegen, waardoor de productie wordt vertraagd.

Om dit te verhelpen, zijn Molex's Pico-EZMate en Pico-Lock (op het bord gemonteerde)-headers ontworpen voor opbouwmontage. De apparaten zijn voorzien van soldeerpads in plaats van doorlopende verbindingen en zijn ontworpen voor het rechtstreeks verpakken in de rollen die door automatische plaatsingsmachines worden gebruikt. Bovendien hebben de headers vlakke oppervlakken om het oppakken van vacuümmondstukken van de plaatsingsmachine te vergemakkelijken (Afbeeldingen 8, 9 en 10).

Diagram van Molex Pico-Lock en Pico-EZmate-connectorsAfbeelding 8: Molex Pico-Lock en Pico-EZmate-connectors zijn ontworpen voor opbouwmontage. Hier is het soldeerpadpatroon te zien voor een Pico-Lock-header. (Bron afbeelding: Molex)

Schema van Molex Pico-Lock en Pico-EZmate-connectorsAfbeelding 9: Molex Pico-Lock en Pico-EZmate-connectors kunnen worden geleverd op rollen die geschikt zijn voor automatische plaatsingsmachines. Hier is de rolverpakking voor de Pico-Lock-header te zien. (Bron afbeelding: Molex)

Diagram van Molex Pico-Lock en Pico-EZmate-connectors zijn voorzien van grote vlakke oppervlakken.Afbeelding 10: Molex Pico-Lock en Pico-EZmate-connectors zijn voorzien van grote vlakke oppervlakken voor automatische plaatsing van de vacuümopnamegereedschappen van de machine. Hier is het pick-up oppervlak van de Pico-Lock-header te zien. Dimensie 'A' meet 9,8 mm voor de 6-positie header. (Bron afbeelding: Molex)

Conclusie

Draad-naar-bord-connectorsystemen bieden een beproefde en goedkope methode voor het routeren van stroom en signalen tussen printplaten in automobiel-, industriële-, verlichtings- en telecommunicatieproducten. De relatief grote afmetingen van conventionele ontwerpen hebben echter het gebruik ervan in compactere eindproducten verhinderd.

Een nieuwe generatie compacte draad-naar-bordsystemen stelt ingenieurs in staat om de voordelen van deze producten uit te breiden naar veel kleinere eenheden. Mits de producten worden geassembleerd volgens de specificaties van de fabrikant, zijn deze connectorsystemen in staat tot een langdurige betrouwbare service en kunnen ze stromen tot 2 A dragen, zelfs voor connectoren met de fijnste pinnen.

Beter nog, de op de printplaat gemonteerde headers die deel uitmaken van deze systemen zijn ontworpen voor gebruik met de automatische plaatsingsmachines die gebruikelijk zijn in hoog-volume assemblage-omgevingen.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Steven Keeping

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key