Konsten att utnyttja fördelarna med kabel-till-kort-kontaktdon i ultrakompakta designer

Fasta anslutningar med ledare som sätts in i ett uttagshölje vilket ansluts till en kretskortsmonterad kretskortslist är en mycket använd lösning. Detta är en enkel, robust och billig lösning för dragning av strömförsörjnings- och kommunikationskabel mellan individuella kretskort i produkter som används i tillämpningar inom fordonssektorn, industri, belysning och telekommunikation.

Det finns emellertid vissa nackdelar med kabel-till-kort-anslutningar. Konventionella kontaktdon är stora och otympliga, vilket gör att de är opraktiska i kompakta konstruktioner. Dessutom kan det vara lite knepigt att montera kontaktdon och kabel, vilket i sin tur ger längre produktionstid.

Det här är ett problem som försvinner helt tack vare introduktionen av ultrakompakta kontaktdon med mycket låg profil (1,4 mm) utformade för automatiserad ytmontering och förenklad kabelkonstruktion. Dessa kontaktdon är små, men de uppfyller alla mekaniska och elektriska krav när det gäller integritet för en tillförlitlig fast länk. De har egenskaper och funktioner som till exempel guldpläterade kontakter, dragavlastning och låsmekanismer som underlättar bortkoppling.

I denna artikel tittar vi lite kort på fördelarna med fast anslutning innan vi går in på vad den nya generationens kompakta kontaktdon kan bidra till i elektroniska produkter. I denna artikel tittar vi närmare på anatomin för dessa kontaktdon och visar exempel från Molex på hur även små kontaktdon kan ge en signallänk med hög integritet och hur kontaktdonens och tillhörande kablars egenskaper är anpassade för högvolymmontering.

Att krympa fasta anslutningar

Kontaktdon och kablar är en enkel, tillförlitlig och billig lösning för strömförsörjning och signalöverföring mellan flera kretskort placerade i en enskild produkt. Men det krävs också att dessa anslutningar är tillräckligt robusta för att kunna säkerställa hög signalintegritet, även när de utsätts för vibrationer, smuts och värme. En beprövad lösning kommer från kontaktdonstillverkaren Molex, som har utvecklat ett system med plintar, uttagshöljen och kretskortslister (figur 1).

Figur 1: Ett kabel-till-kort-system ger en enkel och robust konnektivitetslösning med hög integritet. (Bildkälla: Molex)

En illustration av Molex kabel-till-kort-system visas i figur 2.

Figur 2: I Molex kabel-till-kort-system ingår ledning, en plint som ansluts till uttagshöljet och en kretskortslist som passar mot höljet. (Bildkälla: Molex)

Konventionella system av denna typ – som till exempel Molex Mini-Lock kabel-till-kort-system – har 2,5 mm stiftavstånd. Dessa system fungerar bra, men på grund av det relativt stora stiftavståndet är plinten och kretskortslisten förhållandevis stora. Den kortmonterade kretskortslisten 0534260610 med 6 poler har till exempel måtten (b x d x h) 17,4 x 11,5 x 6,7 mm (för volym 1 340 mm³). Det passande uttagshöljet (0511020600) har måtten (b x d x h) 15,5 x 9,5 x 5,8 mm (för volym 850 mm³).

Nyligen introducerade Molex kabel-till-kort-system med kortare stiftavstånd. Bland dessa komponenter kan nämnas Pico-Lock-systemet, med 2 A strömkapacitet (5040500691 = 1,5 mm) och (5037630691 = 1,0 mm) och Pico-EZMate-systemet (0781715006 = 1,2 mm) . Det kortare stiftavståndet reducerar kontaktdonets mått avsevärt (tabell 1).

Tabell 1: Mått för kretskortslist med 6 poler i serierna Mini-Lock (0534260610), Pico-Lock (5040500691 och 5037630691) och Pico-EZMate (0781715006). (Tabellkälla: Digi-Key Electronics)

Tack vare att kontaktdonssystemet tar mycket lite plats på kretskortet och har mycket låg profil (figur 3) får ingenjörer tillgång till tillförlitlig och billig kabel-till-kort-konnektivitet i produkter som tidigare var för små för att ha plats med denna teknik.

Figur 3: Den ytmonterade kretskortslisten Pico-Lock har låg profil (1,5 mm) vilket gör att den kan användas i mycket kompakta slutprodukter. (Bildkälla: Molex)

Viktiga delar i kabel-till-kort-kontaktdon

En mycket viktig del för enkelheten i Molex kontaktdonssystem är plinten. Det är den komponent som först krimpas på ledningens ände och därefter sätts in i uttagshöljet. Molex har flera olika terminaler inklusive den guldpläterade 5040520098 för användning med ledare med tvärsnittsarea 24–28 AWG och Pico-Lock kontaktdon samt 0781720411 för användning tillsammans med ledningar med tvärsnittsarea 28–30 AWG och Pico-EZMate-systemet. Krimpanslutningen utförs med handverktyg som krimpverktyget 0638275700 eller automatiska krimpsystem.

En anslutning som består av en krimpad plint (figur 4) har flera viktiga delar, som följande:

• Trattform: Den buktning som formas på kanten av ledarens krimpa som fungerar som en tratt för ledningstrådarna. Detta är viktigt eftersom det minskar sannolikheten att någon vass kant på terminalen skadar ledningstråden.
• Ledarens krimpa: Detta är den viktigaste delen av anslutningen och den formas genom mekanisk kompression av stiftet runt ledningens ledare, vilken genererar en strömbana med lågt motstånd och höga strömbärande egenskaper utan behov av extra lödning.
• Utstickande trådar: Ledningstrådar som sticker ut utanför krimpan på stiftets kontaktsida (de inkräktar inte på krimpanslutningens sammankopplingsdel). Denna utstickande del är viktig eftersom den säkerställer mekanisk kompression under hela krimpningen på maximal yta av ledningens ledare.
• Isoleringskrimpning: Detta är den del av stiftet som ger stöd för ledningen vid insättning i stiftkontakt och dragavlastning. Den ska hålla ledningen så hårt som möjligt utan att skära igenom till ledarna.

Figur 4: Delarna i en krimpanslutning med Molex-terminaler och verktyg. (Bildkälla: Molex)

En väl utförd krimpanslutning har följande egenskaper (figur 5):

• En isoleringskrimpning som komprimerar isoleringen utan att göra hål i den
• Utstickande trådar som sticker ut genom framdelen av ledarens krimpningsområde och vilkas längd är minst densamma som diametern för ledningens ledare
• Isolering och ledare som är synliga i området mellan isoleringen och ledarens krimpningsområde
• Ett ledarkrimpningsområde som har trattform i båda ändar
• Övergångs- och sammankopplingsdel som inte påverkas av krimpningen

Figur 5: Egenskaper för en väl utförd krimpanslutning är bland annat en isoleringskrimpning som komprimerar isoleringen utan att göra hål i den samt en synlig tratt. (Bildkälla: Molex)

Att mäta höjden på en krimpa är ett snabbt och oförstörande sätt att verifiera mekanisk kompression för krimpan runt ledningens ledare. Höjden på en krimpa definieras som avståndet mellan den färdiga krimpans överkant och den nedre runda ytan. En ytterligare visuell indikation på krimpans kvalitet är de små buktningarna som bildas på botten av ledarens krimpa till följd av frigången mellan stans och mothåll. Om mothållet är slitet eller om terminalen krimpas för mycket blir dessa buktningar för stora. Ojämna buktningar kan också bli följden om stans och mothåll är felaktigt inriktade eller om matningsjusteringen är felaktig.

Det är också viktigt att den krimpade uttagsplinten är mekaniskt inriktad efter montering (felaktig inriktning mellan krimpad del och sammankopplingsdel – genom vridning eller böjning – gör det omöjligt att sätta i kontaktdonet i kretskortslisten).

När den krimpade uttagsplinten är färdig sätts den in i uttagshöljet. Förutsatt att den krimpade plinten är mekaniskt inriktad ska detta inte vara svårt, men det är viktigt att säkerställa att terminalen ansluts korrekt i kretskortslisten. Höljen har normalt låsmekanismer som förhindrar att terminaler kopplas bort när de är anslutna även om ledningen utsätts för dragbelastning. Molex 5037640601 uttagshölje med 6 poler för uttagsplinten i Pico-Lock-serien har till exempel en klack på höljet som hakar i en metallklack på terminalen och förhindrar att terminalen dras ut ur höljet (figur 6).

Figur 6: I Molex Pico-Lock-serie finns en klack på plinten som ansluts med en klack på uttagshöljet och säkrar dem med varandra. (Bildkälla: Molex)

När plintarna har satts in i uttagshöljet kan den kompletta enheten sättas in i den kortmonterade kretskortslisten. Tack vare designen på kontaktdonssystemet är detta förhållandevis enkelt, förutsatt att hölje och kretskortslist är mekaniskt inriktade med varandra (detta är inte helt lätt eftersom kontaktdonen är så små). På samma sätt som plintarna låser fast i uttagshöljet för att de inte ska lossna, har hölje och kretskortslist också mekanismer som säkerställer att kretskortslisten inte kan kopplas bort när den väl är ansluten. Uttagshöljen med 6 poler i Pico-Lock-serien har till exempel friktionslås och två positiva lås som hakar i när höljet ansluts till kretskortslisten (figur 7).

Figur 7: Pico-Lock kretskortslist har friktionslås och två positiva lås som säkerställer robust ingrepp. (Bildkälla: Molex)

Anpassade för automatisk montering

Kabel-till-kort-system kan visa sig vara en utmaning för tillverkare av högvolymprodukter eftersom konventionella kretskortslister har konstiga profiler och vanligtvis anslutning med genomgående hål för montering på kretskort. (Molex Mini-Lock 0534260610 har till exempel genomgående hål.) Dessa egenskaper kan göra det opraktiskt att använda automatisk komponentplaceringsutrustning för montering av kontaktdon på kretskortet. Detta gör att tillverkare måste lägga till en manuell process på produktionslinjen vilket i sin tur sänker produktionstakten.

För att lösa detta problem har Molex Pico-EZMate och Pico-Lock kortmonterade kretskortslister utformats för ytmontering. Enheterna har lödöar istället för anslutning med hålmontering, och de har utformats för att packas direkt i de rullar som används av automatiska komponentplaceringsmaskiner. Dessutom har kretskortslisterna plana ytor för att underlätta upplockning med vakuummunstycken på komponentplaceringsmaskiner (figur 8, 9 och 10).

Figur 8: Kontaktdonen Molex Pico-Lock och Pico-EZMate är avsedda att användas för ytmontering. Här visas lödömönstret för Pico-Lock-kretskortslisten. (Bildkälla: Molex)

Figur 9: Kontaktdonen Molex Pico-Lock och Pico-EZMate kan levereras på rulle, för användning i automatiska komponentplaceringsmaskiner. Här visas rullförpackning för Pico-Lock kretskortslist. (Bildkälla: Molex)

Figur 10: Kontaktdonen Molex Pico-Lock och Pico-EZMate med stora plana ytor för vakuumplockverktyg på automatiska komponentplaceringsmaskiner. Här visas plockytan för Pico-Lock-kretskortslisten. Mått A på kretskortslist med 6 poler är 9,8 mm. (Bildkälla: Molex)

Slutsats

Kabel-till-kort-kontaktdonssystem är en beprövad och billig metod för dragning av strömförsörjnings- och signalkabel mellan kretskort i produkter inom fordonsindustri, industri, belysning och telekommunikation. Den ganska stora storleken för konventionella produkter har gjort att dessa inte har kunnat användas i kompaktare slutprodukter.

En ny generation kompakta kabel-till-kort-system ger nu ingenjörer möjlighet att dra nytta av fördelarna med dessa produkter i kompaktare slutprodukter. Förutsatt att produkterna monteras enligt tillverkarens anvisningar kan dessa kontaktdonssystem ge långvarig och tillförlitlig användning och överföra strömstyrka upp till 2 A, även för kontaktdon med de kortaste stiftavstånden.

Ännu bättre är att kortmonterade kretskortslister som ingår i dessa system har utformats för användning i automatiska komponentplaceringsmaskiner som är vanliga vid högvolymmontering.