Инновации компании Würth Elektronik в части организации межплатных соединений:
новое решение в области IDC-разъемов

Инженеры, разрабатывающие радиоэлектронную аппаратуру (РЭА), с грустью шутят, что надежность оборудования — это разъемы. И, как всегда в любой шутке, здесь есть своя доля истины. Действительно, зачастую разъемные соединения — самый уязвимый, особенно в части устойчивости к механическим воздействиям (ударам и вибрации), компонент, чьи характеристики нередко и весьма существенно ухудшаются в течение срока службы РЭА. Если же говорить об обеспечении надежности подключений, нельзя забывать, что это проблема комплексная. Согласитесь, необходимо смонтировать одну из частей на плату, во вторую — заделать кабель, выполнить сочленение и обеспечить его устойчивость к внешним воздействиям. Удвоение частей, — а разъемы работают, как правило, в паре, — для организации соединения означает увеличение точек контакта в единичной цепи и, следовательно, повышение переходного сопротивления. Кроме этого, мы имеем не только увеличение числа участвующих в подключении компонентов. Наблюдается больший расход материалов и больший вес, выполняется больше сборочных операций, да и обычно такое решение (в части межплатного соединения по сравнению с решением, при котором две части разъема становятся одним целым) еще и дороже.

Но обойтись без разъемов удается крайне редко, пожалуй, либо в мелкосерийной аппаратуре, либо в аппаратуре специального назначения с особыми требованиями к устойчивости. Подключение межплатных жгутов пайкой в РЭА с большими объемами выпуска не только нетехнологично и малопригодно при возможном ремонте оборудования во время эксплуатации, но и добавляет проблем уже на стадии выпуска РЭА — при регулировке и тестировании изделий. Что касается межплатных соединений, то широко распространенные в интересующем нас приложении это несомненно привычные и хорошо зарекомендовавшие себя разъемы с контактами технологии IDC (Insulation-Displacement Contact — «контакт, смещающий изоляцию») [1].

Классический вариант применения разъемов исполнения IDC — вилка для установки на плату методом пайки и розетка, приспособленная под ленточный кабель. Как ясно уже из самого названия, для таких разъемов не требуется предварительная подготовка кабеля в виде зачистки изоляции отдельных проводов. Все провода (обычно здесь используется ленточный кабель, что очень удобно), устанавливаются в разъем и сразу попадают на контакты, имеющие форму «ласточкин хвост», при вдавливании изоляция каждого провода прорезается и смещается, оголяя токопроводящую жилу на минимально необходимый размер. Установка кабеля предполагает наличие специального инструмента и не предусматривает его опайки, поскольку эта технология обеспечивает надежный с долговременным низким сопротивлением контакт с жилой. После вжатия кабель фиксируется дополнительной скобой, предотвращающей его вырывание из тела разъема.

Достоинства таких разъемов неоспоримы, главное из них — простота и удобство использования. И именно это послужило причиной широчайшего распространения данной технологии, однако у нее есть и недостаток. Он заключается в высоком профиле разъемов из-за того, что для соединения необходимо использовать два компонента — кабельную розетку и вилку на плате, устанавливаемую пайкой, что воспринималось как должное. Если заглянуть в недалекое прошлое, то руководители ОТК старой школы требовали опаивать и обжимные терминалы. Ну, согласитесь, как же так, вилка на плате и без пайки, кто бы сомневался?

На этот раз в роли сомневающегося выступила немецкая компания Würth Elektronik ICS GmbH & Co. KG. Причем весьма успешно, убив сразу не двух, а трех зайцев — кардинально решив проблему профиля, подключения разъемов в любом месте платы и… пайки, то есть обошлась вообще без нее. Речь идет о разработанной в 2013 году инновационной технологии контактов SKEDD (от шведского skedd — «сделано»), которая стала настоящим прорывом в части организации подключения. Если бы авторы названия данной технологии были бы знакомы с русскими идиомами, они могли бы с гордостью сказать: «Мы всех сделали». И в этом не было пустого бахвальства.

Инновационная технология прямого соединения SKEDD впервые позволяет подключать кабели с разъемами (повторимся, без пайки) в любом удобном месте на печатной плате. Таким разъемам не нужна вилка или дополнительные корпуса для ответной части, что устраняет необходимость в подготовительных операциях. Они, как уже было сказано, могут быть подключены непосредственно к печатной плате, через металлизированные сквозные отверстия или даже проходные соединяющие слои или стороны печатной платы.

Еще одно весьма существенное преимущество разъемов, реализованных по технологии SKEDD, — то, что они значительно уменьшают профиль (рис. 1) платы, являются съемными, причем устанавливаются и снимаются без помощи специальных инструментов. Разъемы оснащены запирающими защелками, что предотвращает ошибки их установки на плату и делает систему устойчивой к механическим влияниям, поэтому SKEDD-разъемы подходят для широкого круга самых разнообразных применений [2].

Рис. 1. Пример классической компоновки:
а) печатной платы с разъемами;
б) платы с разъемами технологии SKEDD

Первоначально технология SKEDD была предложена для организации подключения wire-to-board. Контакты представляли собой терминалы с обжимкой на провод (рис. 2), как и привычные нам терминалы Mini-Fit. Они устанавливались в корпус, но не требовали для подключения ответной части в привычном понимании, ее роль выполняла сама печатная плата.

Рис. 2.
а) Контакт технологии SKEDD компании Würth Elektronik для организации подключений wire-to-board;
б) терминал серии Mini-Fit Series компании Molex

В этом году технология SKEDD нашла новое применение в инновационном решении разъемов, сочетающих достоинства IDC-технологии и впервые обеспечивающих подключение по схеме «кабель-плата». Речь идет о разъемах REDFIT IDC SKEDD, представляемых подразделением группы Würth Elektronik компании Würth Elektronik (рис. 3).

Рис. 3. Инновационный разъем REDFIT IDC SKEDD семейства WR-WST компании Würth Elektronik

Применение инновационной технологии SKEDD в разъемах REDFIT IDC SKEDD семейства WR-WSTпредлагает ряд действительно полезных достоинств [3]. Первое очевидно — вдвое сократилось количество необходимых компонентов, сэкономлены средства не только на разъемы, но и на материалы, заметны преимущества группового подключения проводов, которое дает использование ленточных кабелей. Что касается непосредственно монтажа, то на печатных платах с поверхностным монтажом для установки соединителя часто требуется дополнительная операция, связанная с пайкой разъемов. Благодаря технологии SKEDD сборка такого узла на печатной плате будет проще и дешевле [5]. Да и разъемное соединение можно организовывать с любой стороны печатной платы — хоть сверху, хоть снизу.

Кроме того, и это тоже крайне важно, печатная плата не подвергается повторному термическому воздействию. Как известно, пайка контактов разъема предполагает большой расход припоя, а значит, происходит термический стресс. Здесь нельзя забывать, что переход на бессвинцовые припои для выполнения положений далеко не однозначной (и это мнение не только автора настоящей статьи) Директивы RoHS и ей подобных [4], требует повышенных температур пайки. Например, при выполнении операции с помощью популярного припоя SAC (Sn/Ag/Cu) температура пайки будет почти на 40 °С выше, чем при стандартном свинцовосодержащем припое SnPb (67/37), а у менее дорогого, чем SAC, припоя SnCu температура плавления еще больше.

Применение разъемов REDFIT IDC SKEDD положительно влияет и на эксплуатационные затраты в течение срока службы конечного продукта. Если по той или иной причине изделие понадобится отремонтировать, то съемный разъем значительно упрощает замену печатной платы, что снижает затраты на техническое обслуживание и сокращает время вынужденного простоя, часто дорогостоящего, если речь идет о заводском оборудовании. Особенности контактов технологии SKEDD, используемой компанией Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG в межплатных инновационных wire-to-board-разъемах REDFIT IDC SKEDD, представлены в рис. 4.

Рис. 4. Конструктивные особенности IDC-контактов, используемых в разъемах REDFIT IDC SKEDD:
а) легкий и простой процесс подключения – точная конструкция средней части контакта SKEDD обеспечивает ему достаточную упругость, чтобы гарантировать низкое усилие вставки даже для разъемов с большим количеством контактовочная конструкция средней части контакта SKEDD обеспечивает ему достаточную упругость, чтобы гарантировать низкое усилие вставки даже для разъемов с большим количеством контактов;
б) вибростойкое сочленение – после установки контакта SKEDD его контактное усилие получается достаточно высоким, что гарантируют отсутствие прерывания в электрической цепи из-за механических напряжений от внешних воздействий;
в) возможность повторного соединения – упругая контактная конструкция нижней части SKEDD-контакта легко адаптируются к геометрии металлизированного отверстия платы, что гарантирует нескольких циклов сочленения без ухудшения электрических и механических характеристик разъема;
г) точность монтажа – упругость контактов SKEDD компенсирует допуски на сетку в производстве печатных плат, что обеспечивает оптимальное взаимодействия разъема с печатной платой

Контакты в разъемах REDFIT IDC SKEDD подключаются непосредственно в металлизированные сквозные отверстия на печатной плате (рис. 5). Так что здесь, как и во всех разъемах этой технологии, исключается корпус, отдельные терминалы и одна из частей соединителя (вилка), а значит, и источники потенциальных ошибок при монтаже платы и сборки конечного узла. Все это в целом приводит к повышению надежности процесса сборки, экономии площади на печатной плате, сокращению расхода материалов и времени на узловую сборку. И как уже отмечалось выше, к уменьшению вносимого последовательного сопротивления и повышению надежности и ремонтопригодности конечного оборудования.

Рис. 5. Конструктивные особенности установки разъемов REDFIT IDC SKEDD семейства WR-WST компании Würth Elektronik на печатную плату:
а) использование 4-точечного подключения контакта для гарантии надежного электрического подключения;
б) защита обратной полярности подключения, предусмотренная на пластиковом корпусе для гарантии правильной сборки;
в) крепление без инструментов, обеспечивает простое подключение и отключение соединителя

Что касается требований к отверстиям печатной платы, то для достижения заданных технических характеристик они должны быть выполнены меднением толщиной 20 мкм с последующим покрытием Ni/Au. При использовании разъемов REDFIT IDC SKEDD семейства WR-WST сначала устанавливается кабель, а после завершения кабельной сборки разъем можно непосредственно монтировать на печатную плату. При установке и врезке кабеля в IDC-контакты рекомендуется использовать соответствующий инструмент, например, пресс WR-TOOL IDC Press 600600282800 компании Würth Elektronik с соответствующим адаптером [7] и в спецификациях на разъемы конкретного исполнения.

Как можно видеть, в части межплатных соединений типа «кабель-плата» новаторская технология разъемов REDFIT IDC SKEDD предлагает весьма существенные преимущества, открывая широкие возможности для экономии и устранения потенциальных источников неисправностей.

В настоящее время разъемы REDFIT IDC SKEDD от компании Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG доступны с числом контактов 4–20 (с градацией через 2) с двухрядным размещением и шагом 2,54 мм со смещением рядов относительно друг друга на 1,27 мм, что упрощает подводку к ним проводников печатной платы и подключение стандартного ленточного кабеля (AWG 28/1,27 мм).

Для справки в таблице приведены основные технических характеристики разъемов REDFIT IDC SKEDD семейства WR-WST. Полные данные по конкретным разъемам представлены в их спецификации, доступной на сайте компании по ссылке [6] через меню New Products («Новые продукты»).

В заключение обзора новых разъемов технологии SKEDD отметим, что ее надежность подтверждена испытаниями не только в лабораториях, разработавших ее компании Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, но и в ходе проверок, проведенных несколькими независимыми аккредитованными испытательными центрами.

Что же касается инновационных разъемов REDFIT IDC SKEDD, здесь можно выделить следующее:

1. Соединители REDFIT IDC SKEDD могут с успехом использоваться для передачи сигналов, программирования и отладки аппаратуры, работающей в таких областях, как:
   • бытовая электроника;
   • солнечная энергетика;
   • промышленная электроника;
   • машиностроение;
   • коммутационные панели.
2. Использование REDFIT IDC SKEDD обеспечивает:
   • повышение потенциальной надежности межплатных соединений;
   • быструю и простую установку и монтаж кабеля;
   • экономию свободного пространства;
   • сокращение производственных затрат;
   • снижение материальных затрат.
3. Технология подключения со стороны кабеля IDC (смещение изоляции), примененная в REDFIT IDC SKEDD, предусматривает:
   • прямое подключение к ленточному кабелю;
   • отсутствие необходимости предварительной зачистки изоляции;
   • одновременное подсоединение всех проводников за одну операцию;
   • высокое качество контакта провода с разъемом на весь срок эксплуатации конечного оборудования.
4. Используемая REDFIT IDC SKEDD технология подключения со стороны печатной платы — технология прямого подключения SKEDD, обеспечивает:
   • прямое подключение через металлизированное отверстие с любой стороны печатной платы;
   • несколько циклов сочленения/расчленения;
   • установку и снятие вручную без специализированных инструментов;
   • низкое сопротивление контакта;
   • виброустойчивое соединение.

В стремлении вырваться из этого, казалось бы, замкнутого круга было предпринято много попыток, направленных на то, чтобы уменьшить зависимость РЭА от использования двух частей для подключения кабеля к плате и сделать решения в части межплатных подключений более дешевыми и простыми, а также избежать лишних последовательных соединений. Одни варианты работали лучше, другие — хуже. Был пройден путь от разъемных соединений старой технологии с использованием ламелей, выполненных на печатных платах, до более современных вставных контактов, в частности Molex SolderRight для быстрого подключения кабелей к печатной плате пайкой, и разъемов с вставкой провода. Но все эти решения требовали нескольких подготовительных технологических операций и либо ограничивали место для подключения, например, краем платы, либо предполагали наличие пайки. Решение, предложенное компанией Würth Elektronik, в виде инновационной серии разъемов REDFIT IDC SKEDD семейства WR-WST, не только устраняем подобные ограничения, но и впервые, без помощи пайки, обеспечивает надежное групповое подключение изолированных проводов лишь за три технологические операции — установка кабеля, групповое обжатие и вставка разъема в плату.

В 2014 году технология SKEDD была удостоена награды Innovationspreis der deutschen Wirtschaft по экономике. Экспертный комитет, в который входили ведущие представители промышленности и науки, выбрал эту технологию в качестве лучшей более чем из 320 поданных заявок. Разработчик технологии SKEDD, компания Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, была номинирована на эту старейшую инновационную награду в мире в категории компаний среднего размера и вышла в финал с шестнадцатью другими компаниями.