DKK | EUR | USD

Sådan udnytter du fordelene ved wire-to-board-stik i ultra-kompakte design

Af Steven Keeping

Bidraget af Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Kablede forbindelser bestående af ledninger samlet i et kontakthus, der sættes i et kortmonteret headerstik, er populære.  De tilbyder en enkel, robust og billig løsning til at føre strøm og kommunikation mellem individuelle PCB'er i produkter, der bruges til applikationer i bilbranchen, industri, belysning og telekommunikation.

Men disse wire-to-board-forbindelser har nogle ulemper. F.eks. er konventionelle stik klodsede og har en høj profil, hvilket gør dem upraktiske til kompakte design. Desuden kan montering af stikket og kablet være en vanskelig opgave, der bremser masseproduktionsprocesser.

Dette problem kan nu løses med ultrakompakte stik med profiler helt ned til 1,4 mm. De er designet med henblik på kompatibilitet takket være automatiseret overflademontering og forenklet kabelkonstruktion. Selvom disse stik er bittesmå, opfylder de de mekaniske og elektriske integritetskrav, der stilles til en pålidelig kabelforbindelse med funktioner som guldbelagte kontakter, trækaflastningsfunktioner og låsemekanismer, der muliggør enkel frakobling, når det er nødvendigt.

Denne artikel udforsker kort fordelene ved kabelforbundne forbindelser, før der vises en ny generation af kompakte stik, som gør det nemmere at udnytte disse fordele i elektroniske produkter. Artiklen udforsker derefter udformningen af disse stik med eksempler fra Molex for at vise, hvordan stikkene, selv om de er små, tilbyder en forbindelse med høj signalintegritet, og hvordan funktionerne i stikkene og de tilhørende kabler egner sig til en samling med høj volumen.

Krympning af kablede forbindelser

Stik og kabler giver en enkel, pålidelig og billig løsning til strøm- og signaloverførsel mellem flere PCB'er samlet i et enkelt produkt. Men for at leve op til dette løfte skal disse forbindelser være robuste nok til at sikre høj signalintegritet, selv når de udsættes for vibrationer, snavs og varme. Stikproducenten Molex har udviklet en gennemprøvet løsning i kraft af et system, der omfatter terminalkontakter, kontakthuse og headerstik (figur 1).

Billede af wire-to-board-systemFigur 1: Et wire-to-board-system giver en enkel og robust tilslutningsløsning med høj integritet. (Billedkilde: Molex)

En illustration af Molex wire-to-board-systemet er vist i figur 2.

Billede af Molex wire-to-board-system, der omfatter ledning, en terminalkontakt og headerstiksamlingFigur 2: Molex wire-to-board-systemet omfatter ledning, en terminalkontakt, der sættes i kontakthuset, og en headerstiksamling, der passer til kontakthuset. (Billedkilde: Molex)

Konventionelle systemer af denne type – som f.eks. Molex' Mini-Lock Wire-to-Board-system – bruger en afstand på 2,5 mm mellem stikbenene. Selvom disse systemer fungerer godt, har den forholdsvis store afstand en tendens til at gøre kontakthusets og headerstikkenes overordnede dimensioner ret store. For eksempel måler det kortmonterede 0534260610-headerstik med 6 positioner 17,4 mm x 11,5 mm x 6,7 mm (b x d x h), og har en samlet volumen på 1340 mm3. Det passende kontakthus (0511020600) er 15,5 mm x 9,5 mm x 5,8 mm (b x d x h), og har en volumen på 850 mm3.

Molex har for nylig introduceret wire-to-board-systemer med mindre afstande. Sådanne produkter omfatter Pico-Lock-systemerne med strømkapacitet på 2 A og hhv. 1,5 mm (5040500691) og 1,0 mm (5037630691) benafstand samt Pico-EZmate-systemet med 1,2 mm (0781715006) benafstand. Den lavere benafstand reducerer markant de samlede stikdimensioner (tabel 1).

Mini-Lock 2,5 mm Hdr Pico-Lock 1,5 mm Hdr Pico-Lock 1,0 mm Hdr Pico-EZMate 1,2 mm Hdr
Bredde (mm) 17,4 12,75 9,8 9,0
Dybde (mm) 11,5 6,1 4,85 4,5
Højde (mm) 6,7 2,0 1,5 1,4
Volumen (mm3) 1340 156 71 57
Varenummer WM3425-ND WM10143CT-ND WM25688CT-ND WM5408CT-ND

Tabel 1: Dimensionerne for headerstikkene med 6 positioner i Mini-Lock- (0534260610), Pico-Lock- (5040500691 og 5037630691) og Pico-EZmate-serien (0781715006). (Tabelkilde: Digi-Key Electronics)

Da stiksystemerne fylder ganske lidt på kortet og har en meget lav profil (figur 3), kan ingeniører drage fordel af pålidelig og billig wire-to-board-tilslutning i produkter, der tidligere var for små til at udnytte teknologien.

Diagram over Molex' overflademonterede Pico-Lock-headerstikFigur 3: Det overflademonterede Pico-Lock-headerstik har en profil på 1,5 mm, hvilket gør det muligt at bruge den i kompakte slutprodukter. (Billedkilde: Molex)

Nøgleelementer i wire-to-board-stik

Et centralt element i Molex-stiksystemets enkelhed er terminalkontakten. Dette er den komponent, der først krimpes fast til enden af ledningen og derefter indsættes i kontakthuset. Molex tilbyder forskellige kontakthuse, herunder et guldbelagt (5040520098) til brug med 24-28 AWG ledninger og Pico-Lock-stikkene og 0781720411 til brug med 28-30 AWG ledninger og Pico-EZmate-systemet. De krimpede forbindelser er udarbejdet med håndværktøj som f.eks. 0638275700-krimperen eller automatiske krimpsystemer.

En forbindelse, der dannes med en krimpet terminalkontakt (figur 4), består af flere centrale dele som følger:

  • Klokkeformet mund: Dette er den åbning, der dannes på kanten af lederkrimpen, og som fungerer som en tragt til ledningstrådene. Den er vigtig, fordi den reducerer risikoen for, at en skarp kant på terminalkontakten skærer eller bukker en ledningstråd.
  • Lederkrimp: Dette er det vigtigste element i forbindelsen. Den formes ved mekanisk kompression af terminalen omkring ledningens leder, og derved skaber en fælles elektrisk bane med lav modstand og høj strømstyrkekapacitet uden behov for yderligere lodning.
  • Lederbørste: Dette henviser til de ledningstråde, der stikker ud forbi krimpen på kontaktsiden af terminalen (men som ikke går ind i parringsområdet i den krimpede forbindelse). Dette stykke er vigtigt, fordi det sikrer, at den mekaniske kompression, der sker under krimpningen, sker på tværs af det maksimale areal af ledningens ledere.
  • Isoleringskrimp: Dette er den del af terminalen, der understøtter ledningen under indsættelse i huset og trækaflastning. Den skal holde ledningen så godt fast som muligt uden at skære igennem til lederne.

Diagram over krimpet forbindelse dannet med Molex-terminalkontakterFigur 4: Dele af en krimpet forbindelse, der dannes med Molex-terminalkontakter og værktøj. (Billedkilde: Molex)

En veludført krimpet forbindelse er kendetegnet af følgende (figur 5):

  • En isoleringskrimp, der komprimerer isoleringen uden at gennembore den
  • En lederbørste, der stikker ud gennem den forreste del af lederkrimpsektionen med en længde, der mindst er lig med lederens diameter
  • Både isolering og leder er synlige i området mellem isolerings- og lederkrimpsektionen
  • En lederkrimpsektion der har en klokkeformet mund i begge ender
  • Overgangs- og parringssektioner, der ikke er påvirket af krimpningen

Diagram over kendetegn ved en velformet krimpet forbindelseFigur 5: Egenskaberne ved en velformet krimpet forbindelse omfatter en isoleringskrimp, der komprimerer isoleringen uden at gennembore den og en synlig klokkeformet mund. (Billedkilde: Molex)

Måling af krimphøjden er en hurtig, ikke-destruktiv metode til at verificere den mekaniske kompression af krimpningen omkring ledningens leder. Krimphøjden defineres som afstanden målt fra den øverste overflade på den dannede krimp til den nederste radialoverflade. En yderligere visuel indikation af krimpens kvalitet er ekstruderingerne (eller små udbugninger), der dannes i bunden af lederkrimpen, som følge af afstanden mellem værktøjets stempel og ambolt. Hvis ambolten er slidt, eller hvis terminalen er krimpet for hårdt, kan der være tegn på kraftig ekstrudering. Ujævn ekstrudering kan også forekomme, hvis stemplet og ambolten er fejljusteret, eller hvis ledningen indføres forkert.

Det er også vigtigt, at den krimpede terminalkontakt justeres mekanisk efter samlingen. Forkert justering af den krimpede sektion og parringssektionen på grund af vridning eller bøjning gør det umuligt at sætte fatningskonnektoren på headerstikket.

Når de krimpede terminalkontakter er formet korrekt, indsættes de i kontakthuset. Hvis den krimpede terminalkontakt er mekanisk justeret, bør det ikke være svært, men det er vigtigt at sikre, at terminalen derefter passer korrekt til headerstikket. Husene omfatter typisk låsemekanismer for at forhindre, at terminalerne trækkes ud, når de er klemt på plads, hvis ledningerne kommer under trækbelastning. For eksempel er Molex 5037640601-kontakthuset med 6 positioner til Pico-Lock-seriens terminaler udstyret med en spydholder på huset, der holder fast i et metalspyd på terminalkontakten og forhindrer, at kontakten trækkes ud af huset (figur 6).

Billede af Molex' Pico-Lock-serieFigur 6: I Molex' Pico-Lock-serie går et spyd på terminalkontakten ind i en spydholder på kontakthuset for at holde samlingen på plads. (Billedkilde: Molex)

Når terminalkontakterne er indsat i kontakthuset, kan den færdige kabelsamling indsættes i headerstikket monteret på kortet. Igen gør stiksystemets design dette relativt enkelt, forudsat at huset og headerstikket mekanisk rettes ind efter hinanden (hvilket kræver omhu, fordi stikkene er så små). På samme måde som terminalkontakterne er låst fast i kontakthuset for at forhindre, at de løsner sig, har huset og headerstikkene også mekanismer, der sikrer, at headerstikket ikke nemt giver slip, når det er tilsluttet. F.eks. omfatter kontakthusene med 6 positioner til Pico-Lock-serien en friktionslås og to positive låse, der aktiveres, når huset er sluttet til headerstikket (figur 7).

Diagram over Molex Pico-headerstik, der omfatter en friktionslås og to positive låseFigur 7: Pico-Lock-headerstik omfatter en friktionslås og to positive låse for at sikre en robust forbindelse. (Billedkilde: Molex)

Bygget til automatiseret montering

Wire-to-board-systemer kan vise sig at være en udfordring for producenter af produkter med høj volumen, fordi konventionelle headerstik har upraktiske profiler og typisk anvender gennemgangshul-forbindelser til montering på PCB'et. (Molex Mini-Lock 0534260610 bruger f.eks. gennemgangshuller). Sådanne funktioner gør det upraktisk at bruge automatisk placeringsudstyr til at samle stikket på kortet. Det tvinger producenterne til at tilføje en manuel proces til produktionslinjen, hvilket gør produktionen langsommere.

For at komme uden om dette problem er Molex' Pico-EZMate og Pico-Lock (kortmonterede) headerstik designet til overflademontering. Enhederne har loddepuder i stedet for gennemgangshul-forbindelser og er designet til pakning direkte i de ruller, der bruges af automatiske placeringsmaskiner. Headerstikkene har desuden flade overflader, hvilket gør det lettere at samle dem op fra placeringsmaskinens vakuumdyser (figur 8, 9 og 10).

Diagram over Molex Pico-Lock- og Pico-EZmate-stikFigur 8: Molex Pico-Lock- og Pico-EZmate-stik er designet til overflademontering. Her vises loddepudemønstret til et Pico-Lock-headerstik. (Billedkilde: Molex)

Diagram over Molex Pico-Lock- og Pico-EZmate-stikFigur 9: Molex Pico-Lock- og Pico-EZmate-stik kan leveres som ruller, der er egnede til automatiske placeringsmaskiner. Her vises rullepakningen til Pico-Lock-headerstik. (Billedkilde: Molex)

Diagram over Molex Pico-Lock- og Pico-EZmate-stik med store, flade overfladerFigur 10: Molex Pico-Lock- og Pico-EZmate-stik har store, flade overflader til automatisk placeringsmaskiner med vakuumopsamlingsværktøj. Her vises opsamlingsoverfladen på Pico-Lock-headerstikket. Dimension "A" er 9,8 mm for headerstikket med 6 positioner. (Billedkilde: Molex)

Konklusion

Wire-to-board-stiksystemer tilbyder en gennemprøvet og billig metode til at lede strøm og signaler mellem PCB'er i bilbranchen samt industri-, belysnings- og telekommunikationsprodukter. De relativt fyldige konventionelle design har dog forhindret anvendelsen af disse i mere kompakte slutprodukter.

En ny generation af kompakte wire-to-board-systemer gør det nu muligt for teknikere at nyde fordelene ved disse produkter i meget mindre enheder. Forudsat at produkterne samles efter producentens specifikationer, leverer disse stiksystemer pålidelig ydeevne på lang sigt og kan lede strømstyrker på op til 2 A, selv for stik med meget lav benafstand.

Endnu bedre er de kortmonterede headerstik, der udgør en del af disse systemer, udviklet til brug sammen med de automatiske placeringsmaskiner, der er almindelige i produktionsmiljøer med høj volumen.

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.

Om denne forfatter

Steven Keeping

Om udgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører