Подпружиненные контакты и особенности их применения для создания сигнальных, силовых, коаксиальных и дифференциальных соединений

Подпружиненные контакты Smiths Interconnect

Компания Smiths Interconnect является лидером в создании подпружиненных контактов и экспертом в области разработки соединителей на их основе. Применение таких контактов позволяет проектировать конструкции с компактной высотой соединения и высокой точностью сопряжения. Надежная конструкция подпружиненных контактов обеспечивает длительный срок работы соединителей и их стабильность при различных внешних воздействующих факторах: удары, вибрации, солевой туман, пыль, температура. Низкое и высокостабильное контактное сопротивление предусматривает эффективное применение подпружиненных контактов как в цепях постоянного тока, так и для передачи высокоскоростных и высокочастотных сигналов. Этого удается достичь благодаря уникальности конструкции, которая обеспечивает короткий путь прохождения сигнала, не затрагивающий пружину внутри контакта. Внешний вид соединителей на основе подпружиненных контактов Smiths Interconnect показан на рис. 1.

Рис. 1. Соединители на основе пружинных контактов

Применение миниатюрных контактов позволяет проектировать соединители с высокой плотностью контактов, предназначенные для быстрого соединения и разъединения при эксплуатации, ремонте или замене. Особенности соединения плат вслепую, при применении подпружиненных контактов, приведены в таблице.

Таблица. Примеры отклонений в позиционировании соединяемых плат

	Смещение по оси Х Контакты могут быть смещены по оси Х, что не повлияет на качество подключения.
	Смещение по оси Y Контакты могут быть смещены по оси Y, что не повлияет на качество подключения.
	Смещение по оси Z Контакты задействованы в разных точках по оси Z (путь тока различной длины), при этом качество соединения остается высоким.
	Угловое смещение Платы соединены между собой с отклонением от параллельности, при этом пружинные контакты обеспечивают надежное соединение без ухудшения качества.
	Поворотное смещение Контакты могут быть развернуты относительно центра контактных площадок.

Основные преимущества подпружиненных контактов:

• низкое и стабильное контактное сопротивление в течение длительного срока эксплуатации;
• высокая целостность сигнала на частотах более 40 ГГц;
• компактная конструкция соединителей;
• высокая пропускная способность контакта по току;
• отношение хода контакта к его длине 1:3;
• надежная работа в условиях ударов и вибрации;
• долговечность контактов без ухудшения технических характеристик во время эксплуатации.

Благодаря широкому ассортименту подпружиненных контактов можно найти решение, подходящее для соединителей самых разных применений, в частности для обеспечения возможности эффективно использовать площадь печатной платы и упростить трассировку. Применение подпружиненных контактов позволяет конструировать соединители с различными степенями защиты от внешних воздействующих факторов.

Использование подпружиненных контактов помогает самостоятельно спроектировать и изготовить корпуса соединителей. Компания Smiths Interconnect также занимается разработкой решений по нормативам и техническому заданию заказчика. При этом учитываются требования к соединению, расположение контактов, необходимость или отсутствие уплотнительных прокладок, особенности установки контактов в соединителе и монтажа соединителя в изделии.

Индивидуальные решения способствуют обеспечению максимальной надежности и высоких эксплуатационных характеристик. На основе анализа применения заказанного соединителя и особенностей передаваемых сигналов можно выбрать оптимальную конфигурацию контактов, среди которых доступны:

• коаксиальные контакты;
• дифференциальные пары;
• отдельные массивы сигнальных или силовых контактов.

Проектирование соединителей включает следующие этапы:

1. Выбор типа подпружиненного контакта.
2. Выбор материала корпуса с учетом его диэлектрической проницаемости.
3. Компьютерное моделирование характеристик сигнала.
4. Учет дополнительных требований по размещению контактов, маркировке, упаковке.

Особенности конструкции соединителей Smiths Interconnect на основе подпружиненных контактов

Точность позиционирования и высокое качество соединения достигается за счет прецизионных элементов корпуса. На рис. 2 представлены элементы, с помощью которых обеспечивается позиционирование, и различные контактные группы под возможные типы сигналов.

Рис. 2. Соединитель с различными контактными группами

Монтаж таких соединителей в зависимости от выбранных контактов может быть двух типов:

1. Поверхностный монтаж — вариант установки пайкой соединителя на одну из соединяемых плат.
2. Монтаж без пайки — соединитель фиксируется между двух плат с помощью направляющих и контакт достигается за счет сжатия.

В зависимости от требуемого типа монтажа выбирают соответствующие контакты: контакт для поверхностного монтажа или двухсторонний контакт (рис. 3).

Рис. 3. Типы контактов

Корпуса соединителей могут быть выполнены двумя способами. Первый подразумевает жесткую фиксацию тела контакта в отверстии корпуса, второй способ предполагает использование корпуса из двух частей, в отверстиях которых контакт перемещается с определенной степенью свободы. На рис. 4 показаны оба исполнения корпуса.

Рис. 4. Варианты установки контактов в корпусе:
а) жесткая фиксация;
б) плавающий контакт

Для изготовления корпусов Smiths Interconnect в зависимости от выбранного способа изготовления применяет различные материалы.

При изготовлении фрезерованием используются:

• PEI — полиэфиримид, например Ultem;
• PAI — полиамидимид, например Torlon;
• латунь;
• алюминий.

Для изготовления литых корпусов могут быть использованы:

• LCP — жидкокристаллический полимер, например Vectra;
• PPA — полифталамид, например Amodel;
• PPS — полифенилсульфид, например Ryton.

Технические характеристики пружинных контактов

Рассмотрим  результаты тестирования подпружиненных контактов (партномер 102197-000), размещенных в 128-контактном соединителе, установленном на площадке печатной платы с толщиной золочения 1,27 мкм (рис. 5).

Рис. 5. Контакт 102197-000 и его характеристики
Примечание. Размеры даны в дюймах, в скобках указаны размеры в мм.

Другая сторона соединителя подключалась к медной пластине с золочением. Измерения контактного сопротивления проводились по методу Кельвина согласно стандарту EIA-364-23. Контакты, установленные в корпус из полимера Ultem 2000 (высокоэффективный термопластичный полимер, усиленный стекловолокном), последовательно прошли термоциклирование, испытания на удары и вибрацию. Другие типы подпружиненных контактов продемонстрировали схожие результаты испытаний с различиями, связанными лишь с особенностями конструкции, диаметром, длиной и усилием сжатия пружины.

Термоциклирование

В процессе термоциклирования начальная температура окружающей среды составляла +50 °C, при которой соединитель находился в течение 24 ч. После этого изделие подвергалось циклическому воздействию температур: –55…+125 °C с изменением температуры в течение 3–5 мин. Затем соединитель выдерживался при крайних значениях температуры в течение 1 ч. Сопротивление контактов измерялось каждые 10 мин (рис. 6).

Рис. 6. График термоциклирования

Результаты испытания:

1. Отсутствие разрыва электрической цепи.
2. Типовое сопротивление контакта: не более 30 мОм.
3. Максимальное сопротивление контакта: не более 50 мОм.

Вибростойкость и ударопрочность

Вибрационные испытания проводились путем воздействия на соединитель синусоидальной вибрации в соответствии со стандартом EIA-364-28D Method IV, пиковая вибрационная нагрузка составляла 20g. Изделие было зажато между двумя печатными платами. Целостность электрической цепи контролировалась во время вибрации при токе 100 мА, за разрыв соединения принималось любое нарушение контакта, превышающее 1 мкс. Частота вибрации изменялась в пределах 10–2000 Гц в течение 20 мин на протяжении 12 циклов на каждую из трех перпендикулярных осей, по 4 ч на ось. Результаты испытаний приведены на рис. 7.

Рис. 7. Испытания на вибростойкость.
Условие испытаний: синусоидальное воздействие 20g в полосе частот
Примечание. * 1mil = 1/1000 дюйма = 25,4´10–3 мм = 25,4 мкм.

В результате испытаний нарушений контактирования или внешних повреждений выявлено не было.

После испытаний на воздействие вибрации тот же самый соединитель подвергался ударной нагрузке по каждой из осей. Форма ударного импульса — полусинусоида с ускорением 50g длительностью 11 мс, в процессе испытаний было произведено 9 ударов (рис. 8). Точность установления амплитуды удара находилась в пределах 15% погрешности. Критерии целостности сигнала использовались такие же, как и в предыдущих испытаниях.

Рис. 8. Испытания на ударную нагрузку:
а) удар по оси X с ускорением 50g;
б) отклик на удар по оси X
Примечание. * 1 mil = 1/1000 дюйма = 25,4×10–3 мм = 25,4 мкм.

Соединитель прошел испытания, нарушения контакта и видимых физических повреждений не были обнаружены.

Сопротивление контакта

Испытание на определение зависимости сопротивления контакта от усилия сжатия (англ. Dynamic Force Deflection Resistance, FDR) заключается в том, чтобы охарактеризовать связь между усилием сжатия контакта и его сопротивлением. Как правило, сила сжатия контакта и сопротивление имеют обратную зависимость: так, с ростом прижимного усилия уменьшается контактное сопротивление. График зависимости приведен на рис. 9.

Рис. 9. Зависимость сопротивления контакта от усилия сжатия

Нагрузочная способность по току

Нагрузочная способность по току определяется в соответствии с методикой стандарта IEC-512-3 в специальной камере, защищающей пружинный контакт от влияния внешних воздушных потоков. На контакт были установлены две термопары J-типа, которые регистрировали его собственную температуру. Третья термопара измеряла температуру окружающей среды внутри камеры. Ток через подпружиненный контакт увеличивался на 1 А каждые 5 мин, пока превышение собственной температуры контакта над температурой окружающей среды не достигало +80 °C (рис. 10).

Рис. 10. Нагрузочная способность по току

В результате испытания нагрузочная способность по току превысила 6 А.

Количество срабатываний

Ресурс по числу срабатываний подпружиненного контакта определяется количеством полных циклов соединения/разъединения, по обыкновенной методике испытаний на долговечность. Соединитель был монтирован на печатную плату, и одна из его поверхностей подвергнута 10 000 циклов соединения/разъединения. Оценка осуществляется измерением контактного сопротивления через определенные интервалы времени (методика стандарта EIA-364-23).

Результаты испытания:

1. Среднее сопротивление: 30 мОм.
2. Стандартное отклонение: 10 мОм.
3. 99,7% измерений показали сопротивление ниже 50 мОм.

Высокоскоростной сигнал

Качество передачи дифференциального ВЧ-сигнала определялось с помощью симуляции в программе HFSS (программа от компании ANSYS для получения S-параметров). Для определения параметров дифференциальных пар использовался смоделированный массив контактов (рис. 11).

Рис. 11. Смоделированный массив контактов

Следует учесть, что в зависимости от необходимых характеристик конфигурация может быть изменена.

Рис. 12. Результаты симуляции в HFSS:
а) вносимые потери;
б) возвратные потери на отражение;
в) перекрестные помехи на ближнем контакте;
г) анализ во временной области

Итоги испытаний проиллюстрированы на рис. 12 в виде графиков, полученных в программе. В ходе симуляции достигнуты следующие результаты для исследуемого массива контактов:

1. Вносимые потери: –1 дБ на частотах выше 40 ГГц.
2. Затухание отражения: –20 дБ на частотах выше 30 ГГц.
3. Перекрестные помехи на ближнем конце (NEXT): более 50 дБ.
4. Импеданс: 102 Ом.

Высокочастотный сигнал

Работа подпружиненных контактов на ВЧ-сигнале также симулировалась с помощью программы HFSS, в которой был собран массив псевдокоаксиального перехода (рис. 13).

Рис. 13. Псевдокоаксиальное соединение. Модель размещения одиночных ВЧ-контактов (расстояние между контактами 0,039 дюйма (0,99 мм) по радиусу)

В симуляции использовалась круговая конфигурация контактов, где измеряемый подпружиненный контакт располагался в центре. В общем случае шаг установки и расположение контактов могут быть изменены и оптимизированы исходя из требований установки и качества сигнала.

Результаты испытаний приведены в графиках на рис. 14.

Рис. 14. Результаты симуляции в программе HFSS:
а) вносимые потери;
б) возвратные потери на отражение;
в) анализ во временной области

Полученные в ходе симуляции значения характеристик сигнала следующие:

1. Вносимые потери: –1 дБ на частотах более 25 ГГц.
2. Возвратные потери: –20 дБ на частотах более 30 ГГц.
3. Волновое сопротивление: 52 Ом.

Заключение

Компания Smiths Interconnect обладает большим опытом в создании соединителей с различными требованиями. Наряду с обыкновенными коаксиальными и дифференциальными соединителями для передачи ВЧ- и высокоскоростного сигнала Smiths Interconnect предлагает подпружиненные контакты, что позволит сэкономить место на плате, габариты самого устройства и упростит процесс обслуживания модулей. В своем портфолио Smiths Interconnect имеет множество конструкций соединителей, собранных с помощью подпружиненных контактов, среди которых, например, серия соединителей MLPI на 30, 60, 90, 120 контактов. Подпружиненные контакты уже нашли применение в соединителях для подключения приемопередающих модулей в проекте одной из российских компаний, применившей подпружиненные контакты Smiths Interconnect в корпусе собственной разработки.