Valkoinen kirja: Liittimien kestävyys
Olipa kyseessä sitten ilmailu- ja avaruusteollisuilmailu- ja avaruusteollisuus, teollinen automaatio, kuljetusala tai terveydenhuolto: liittimien (liitin) on aina taattava luotettava signaalinsiirto, eivätkä ne saa missään olosuhteissa pettää. Samalla ne altistuvat ympäristöstään johtuville monille rasituksille: Mekaaniset vaikutukset, kuten iskut, tärinä ja värähtelyt, vaarantavat tiedonsiirron vakauden yhtä lailla kuin lämpötila- ja kemialliset ympäristövaikutukset, jotka johtuvat äärimmäisistä lämpötiloista, voimakkaista lämpötilanvaihteluista, haitallisista kaasuista, kosteudesta ja liasta. Laadukkaiden liittimien (liitin) valmistajat hyödyntävätkin laajaa valikoimaa keinoja suojatakseen liittimiään näiltä rasituksilta.
Kestävyys pienikokoisuudesta huolimatta

Nykyaikaisessa sähkötekniikassa yksi trendi on ajankohtaisempi kuin koskaan: miniatyrisointi. Komponenttiryhmien ja niiden osien on oltava paitsi yhä suorituskykyisempiä, myös yhä pienempiä. Ne joutuvat kuitenkin usein käyttöön ankarissa olosuhteissa. Siksi komponentit ja liittimet (liitin) muuttuvat yhä hienorakenteisemmiksi samalla kuormituksella. Laadukas liitin kestää tätä rasitusta kuitenkin paitsi yhtä hyvin kuin vanhempi ja suurempi vastineensa, jopa paremmin. Syynä tähän ovat materiaalikoostumuksen ja tuotesuunnittelun jatkokehitykset, esimerkiksi eristyselementin geometriassa (kuva 1).
Vaikuttava tekijä: pinta

Liittimen kestävyyteen vaikuttavat lukuisat tekijät. Yksi niistä on kosketuspinta (kosketuspinta). Se määrää ratkaisevasti liittimen käyttöiän, jota mitataan yleensä kytkentäkerta (liitäntäsyklit). Käytössä liitin altistuu tietyille mikroliikkeille. Nämä aiheuttavat pinnan kulumista ja sen seurauksena hapettumista (kuva 2).
Tämän seurauksena siirtymävastus (kosketusresistanssi) kasvaa, mikä heikentää signaalinsiirron laatua. Siksi on tärkeää minimoida pintojen kuluminen liittämisen yhteydessä ja käytön aikana laadukkaan ja kestävän kontaktipinnoitteen (kosketinpinnoite) avulla. Tätä varten sekä veitsi- että jousikontaktien (naaraskosketin) pinnan on oltava riittävän sileä. Hintojen noususta huolimatta kultaa käytetään edelleen mielellään pintapäällysteissä sen korroosionkestävyyden ja erinomaisen johtavuuden vuoksi. Koska puhdas kulta on pehmeää, siihen seostetaan 0,2–0,3 prosenttia kobolttia tai nikkeliä, jolloin saadaan aikaan niin sanottu kovakulta. Jos kuitenkin etsitään hintavakaampaa vaihtoehtoa tälle pinnoiterakenteelle, voidaan turvautua esimerkiksi nikkelifosforiseoseen, jossa on flash-kultaus-pinnoite. Tietyissä suhteissa yhdistettynä nämä kaksi materiaalia osoittavat samoja positiivisia ominaisuuksia kuin kulta: korkea korroosionkestävyys, erinomainen kulutuskestävyys ja erinomainen sähkönjohtavuus. Kosketusmateriaalin ja pintapinnoitteen välisen diffuusion estämiseksi käytetään usein niin sanottua nikkelisuojakerrosta. Tämän esteen avulla korroosiota voidaan välttää.
Vaikuttava tekijä: kosketuspinnan muotoilu

Liittimen koskettimet valmistetaan meistaus- tai kiertomenetelmällä. Meistausessa meistonauhan alapuolelle muodostuu kuitenkin mikroskoopilla näkyvä epähomogeeninen, teräväreunainen pinta. Perinteiset järjestelmät muodostavat kosketuksen tähän leikkausreuna, mikä aiheuttaa lisääntynyttä pinnan kulumista ja siten suurempaa kosketusresistanssi. Tämä voidaan välttää taivuttamalla jousitulpia niin sanotussa stanssaus-taivutusprosessissa 90 astetta, jolloin se koskettaa uroskosketin sileällä, valssatulla pinnallaan (kuva 3).
Liittimen kestävyyden kannalta ratkaisevaa ei ole pelkästään ”naarasliitin”-liittimen muotoilu, vaan myös ”urosliitin”-liittimen muotoilu. Myös jälkimmäiset on nimittäin meistattu ja käsiteltävä huolellisesti, jotta vältetään vialliset, terävät geometriat.
Liittimen kestävyyden kannalta ratkaisevaa ei ole pelkästään ”naarasliitin”-liittimen muotoilu, vaan myös ”urosliitin”-liittimen muotoilu. Myös jälkimmäiset on nimittäin meistattu ja käsiteltävä huolellisesti, jotta vältetään vialliset, terävät geometriat.
Vaikuttava tekijä: yhteysjärjestelmä

Perinteisissä kaksiosaisissa liittimissä (liitin) on veitsi- ja jousikontakti (naaraskosketin). Voimakkaan iskun vaikutuksesta veitsiliitin (urosliitin) voi kuitenkin irrota jousiliittimestä (naarasliitin). Jotta tällaista kontaktikatkosta (kosketuskatkos) ei syntyisi, voidaan varmistaa redundanssi ja siten kontaktivarmuus kaksipuolisen jousiliittimen avulla, sillä toisen jousen ansiosta signaalinsiirto on taattu koko ajan vähintään yhden kontaktipisteen kautta (kuva 4).

Vieläkin kestävämpiä ovat sen sijaan liittimet (liitin), joissa on niin sanottu ”hermafrodiittinen” kosketinjärjestelmä. Niiden erityispiirre on liittimen puoliskojen, pistokkeen (Plug) ja pistorasian (Socket), identtiset kosketinmuodot. Molemmissa on siis sekä jousi että terä. Näin jokainen nasta on kosketuksessa kahden jousen kanssa, ja pistoke ja pistorasia ovat toisiinsa kietoutuneina eivätkä voi irrota toisistaan. Kun kaksipuolinen jousiliitin (naarasliitin) takaa mekaanisen kuormituksen alaisena aina vähintään yhden kosketuspisteen, sukupuolineutraaleissa liitäinjärjestelmissä toisiinsa kietoutuneet geometriat varmistavat, että signaalinsiirto tapahtuu aina kahden kosketuspisteen kautta. Tämä korkea redundanssi mahdollistaa siten maksimaalisen kosketusvarmuuden (kuva 5).

Kestävyyden suhteen tätä hermafrodiittista kosketinjärjestelmää ylittävät ainoastaan yksiosaiset liitit. Niissä luovutaan kokonaan perinteisestä kaksiosaisesta liitäinperiaatteesta, joka koostuu terä- ja naarasliitin-liittimistä. Koska haavoittuva kosketusalue puuttuu, yksiosaiset liittimet (liitin) eivät ainoastaan kestä parhaiten iskuja, tärinää, kosteutta, pölyä ja ilmasto-olosuhteita, vaan ne soveltuvat myös valumenetelmään (valukapselointi) ja muihin komponenttien suojausmenetelmiin. Yhdessä puristustekniikan (press-fit-tekniikka) kanssa ne muodostavat turvallisimman mekaanisen ja sähköisen liitoksen kahden piirilevyn välillä (kuva 6).
Vaikuttava tekijä: liitäntätekniikka

Piirilevyille on olemassa erilaisia tapoja kiinnittää liittimiä (liitin). Yksi niistä on jo mainittu puristustekniikka (press-fit-tekniikka). Sen tavoitteena on saavuttaa mahdollisimman suuri pitovoima liittimen ja piirilevyn välillä mahdollisimman pienellä puristusvoimalla (sisäänpuristusvoima). Pitovoimat ratkaisevat mekaanisen liitoksen kestävyyden, jonka on puolestaan kestettävä iskuja ja tärinää. Tämä liitäntätekniikka (liitäntätekniikka) on miljardeja kertoja todistettu menetelmä, jossa puristustappi (press-fit-pinni) puristetaan piirilevyn läpivientireikään (läpipinnoitettu reikä) (kuva 7).

press-fit-pinni:n diagonaali on suurempi kuin piirilevyn reiän halkaisija. Liittimen nasta on joustava press-fit-alue:ssa, jotta piirilevy ei väänny puristusprosessin aikana vaikuttavien fysikaalisten voimien vaikutuksesta. Muodonmuutos rajoittuu siten press-fit-alue (kuva 8). Tuloksena syntyy kylmähitsaus kosketinnasta ja metalloidun piirilevyn reiän välille: kaasutiivis, korroosionkestävä, matalaresistanssinen ja sähköä hyvin johtava mekaaninen liitos, joka soveltuu myös valukapselointi käyttöön. Se on lisäksi määritelty standardissa DIN EN 60352-5, ja se säilyttää luotettavan kosketuksen myös erittäin suurissa mekaanisissa ja lämpökuormituksissa, kuten tärinässä, taivutuksessa ja voimakkaissa lämpötilanvaihteluissa, ja kestää jopa 200 g:n iskukuormituksen.
Erinomaisen kestävyytensä ja kymmenkertaisen parannuksen ansiosta vikataajuus (FIT-arvo) verrattuna automatisoidusti juotettuihin liitin, press-fit-tekniikka -liitintä käytetään mielellään korkean turvallisuustason sovelluksissa, joissa signaalinsiirtoa ei saa keskeyttää missään olosuhteissa, esimerkiksi turvatyynyjärjestelmissä tai ABS- ja ESP-moduuleissa.
Erinomaisen kestävyytensä ja kymmenkertaisen parannuksen ansiosta vikataajuus (FIT-arvo) verrattuna automatisoidusti juotettuihin liitin, press-fit-tekniikka -liitintä käytetään mielellään korkean turvallisuustason sovelluksissa, joissa signaalinsiirtoa ei saa keskeyttää missään olosuhteissa, esimerkiksi turvatyynyjärjestelmissä tai ABS- ja ESP-moduuleissa.

press-fit-tekniikka-tekniikka ei kuitenkaan aina sovellu, esimerkiksi silloin, kun piirilevyt on tarkoitus varustaa molemmin puolin tai kun komponenttien vähimmäisetäisyyttä voiman suuntaan ei voida noudattaa. Tällöin toinen mahdollisuus luoda luotettava ja kestävä liitos liittimen (liitin) ja piirilevyn välille on pintaliitostekniikka (SMT). Tässä menetelmässä juotospasta-juotospastan avulla liitin-liittimet juotetaan piirilevyn määritellyille juotospinnoille, juotosalueille. Vasta niin sanotussa reflow-uuni-uunissa juote sulatetaan ja sen jälkeen kovetetaan. SMT:n avulla voidaan toteuttaa vakaita liitoksia liittimen ja piirilevyn välillä. Tätä varten on kuitenkin täytettävä muutamia kriteerejä: Ensinnäkin standardin IPC-A-610 mukaisen juotosliitos aikaansaamiseksi on noudatettava oikeaa suhdetta juotosjalka, juotosalue ja juotospasta välillä. Vain näin saadaan aikaan korkealaatuinen liitos, joka mahdollistaa IPC-luokan 3 mukaisen liitännän ja sopii siten käytettäväksi suurtehoelektroniikassa. Tässä luokassa signaalinsiirron häiriöt on suljettava pois kaikissa tilanteissa. Optimaalinen juotosliitos (juotosliitos) tunnistetaan tasaisesta meniskistä. Kosketuspisteen on oltava ympäriinsä juotosmeniskin ympäröimä, jotta saavutetaan paras pitovoima piirilevyllä. (Kuva 9).
Kosketusjalkojen koplanaarisuus on erinomaisen liitoksen edellytys. Jos kaikki nämä edellytykset täyttyvät, SMT-liittimien on todistettu kestävän jopa 400 N:n mekaanisia kuormituksia.
Vaikuttava tekijä: eristyselementin rakenne

Liittimen eristysosan muoto auttaa lisäksi suojaamaan sen edessä olevia koskettimia vaurioitumasta käytön tai asennuksen aikana. Sen tulisi olla sellainen, että liittimen sisällä olevat herkät koskettimet ovat suojassa.
Asennusviistoilla voidaan lisäksi välttää vaurioita asennuksen yhteydessä. Ne auttavat tasoittamaan piirilevyjen siirtymää mihin tahansa suuntaan liitettäessä. Lisäkiinnitysalueen avulla liittimen molemmat puoliskot voidaan liittää toisiinsa vahingoittumatta myös silloin, kun niissä on keskiviivan tai kulman siirtymä (kuva 10).
Asennusviistoilla voidaan lisäksi välttää vaurioita asennuksen yhteydessä. Ne auttavat tasoittamaan piirilevyjen siirtymää mihin tahansa suuntaan liitettäessä. Lisäkiinnitysalueen avulla liittimen molemmat puoliskot voidaan liittää toisiinsa vahingoittumatta myös silloin, kun niissä on keskiviivan tai kulman siirtymä (kuva 10).

Joissakin liittimissä (liitin) on lisäksi Boardlock-kiinnikkeet. Niillä tarkoitetaan metallikiinnikkeitä, jotka on kiinnitetty eristysrunkoon (eristerunko) ja jotka myös juotetaan piirilevyyn (kuva 11). Näin ne lisäävät vakautta – myös epäsuotuisissa olosuhteissa, kuten tärinän ja iskujen alaisena.
Vaikuttava tekijä Sallitut arvot

Liittimen toleranssialueella on ratkaiseva merkitys sen kestävyyden arvioinnissa. Jos liitin ei pysty kompensoimaan annettuja toleransseja, mekaaniset liikkeet johtavat liitoksen kulumiseen tai jopa vaurioitumiseen. Asennuksen yhteydessä ohjausviistot auttavat varmistamaan, että terä- ja jousiliittimet (naarasliitin) voidaan kytkeä vahingoittumatta. Mutta myös liitettynä mikroluokan liikkeet on kompensoitava. Tämä onnistuu kosketin- ja eristyselementtien geometrian avulla. Jos liittimellä (liitin) on kelluvuus-funktion, se pystyy kompensoimaan jopa ±0,4 mm:n liikkeet myös käytön aikana. Tämän toiminnon merkitys kasvaa jatkuvasti, sillä sillä on ratkaiseva rooli, kun piirilevyyn asennetaan useita liitteitä. Käytössä rasitukset eivät kuitenkaan synny vain x- ja y-suunnassa, vaan myös z-suunnassa (kuva 12).

Tässä yhteydessä nousee esiin kysymys liittimen ”tehollinen liitospituus” -ominaisuudesta. Se kuvaa terä- ja naarasliitin-liittimien päällekkäisyysaluetta ja mahdollistaa siten paitsi erilaiset levyjen välinenet etäisyydet myös – tämän alueen koosta riippuen – toleranssialueet (kuva 13).
Suurimmat toleranssien kompensointi-alueet voidaan sen sijaan saavuttaa kaapeliliitännän avulla. Tässä tapauksessa kaapelin pituus määrää liitinten toleranssialueen.
Suurimmat toleranssien kompensointi-alueet voidaan sen sijaan saavuttaa kaapeliliitännän avulla. Tässä tapauksessa kaapelin pituus määrää liitinten toleranssialueen.
Testausmenetelmä

liitin-liittimien kestävyysominaisuuksien perusteelliseksi testaamiseksi on olemassa erilaisia testausmenetelmiä. Niissä tarkastellaan muuttujia, kuten jännitekestoisuus (jännitteenkestävyys) ja kosketusresistanssi (siirtovastus), sekä ennen että jälkeen rasitustestin, ja kontaktien kunto tarkastetaan silmämääräisesti. Näin voidaan esimerkiksi tarkistaa 500 liitäntäkytkentäkerta vaikutukset jännitekestoisuus tai selvittää ilmastotestissä, vaikuttavatko useat tunnit aluksi -55 °C:ssa ja sen jälkeen 125 °C:ssa negatiivisesti liittimen kosketusresistanssi vaikutukset. Lämpötilashokkitestissä liittimen on kestettävä nopea vaihtelu näiden ääri-lämpötilojen välillä 100 kertaa, kukin 30 minuutin ajan. Myös liittämisen yhteydessä esiintyvä keski- ja kulmalinjausvirhe, samoin kuin liitetyssä tilassa vallitseva toleranssialue, tulisi tarkistaa paitsi teoreettisesti CAD-mallin avulla myös testata perusteellisesti käytännössä ja niiden kestävyys vahvistaa empiirisesti. Yhtä tärkeää on, että eri testit, jotka ovat kriittisiä kosketuspinnalle (kosketuspinta), suoritetaan myös yhdistelmänä todellisten olosuhteiden simuloimiseksi. Näin ollen esimerkiksi liittimen syklitestit (kytkentäkerta-) ja sekakaasukorroosiotestit voitaisiin suorittaa yhdessä sen varmistamiseksi, että liittimen suorituskyky ei ole heikentynyt siirtovastuksen (kosketusresistanssi) ja jännitteenkestävyyden (jännitekestoisuus) suhteen ja että koskettimet eivät ole vaurioituneet (kuva 14).
Sinun suunnittelusi – sinun valintasi

Sovelluksen vaatimuksista riippuen liittimelle (liitin) asetetaan erilaisia kestävyyskriteerejä. Täytyykö sen esimerkiksi kompensoida suuria toleransseja? Altistuuko se suurille iskuille tai tärinälle? Käytetäänkö sitä voimakkaan lämmön tai kylmyyden vaikutuksen alaisena? Vai täytyykö liitäntäratkaisua suojata kosteudelta, haitallisilta kaasuilta tai lialta? Jos käyttäjä ottaa nämä kysymykset huomioon liitinratkaisua valitessaan, hän voi olla varma, että hänen liittimensä (liitin) on erinomaisesti varustettu kenttäkäyttöön.

