White paper: Robustez dos conectores
Seja na indústria aeroespacial, na automação industrial, nos transportes ou na área da saúde: os conectores devem garantir sempre uma transmissão de sinal fiável e não podem, em circunstância alguma, falhar. Ao mesmo tempo, estão sujeitos a uma série de solicitações impostas pelo ambiente: Efeitos mecânicos, como choques, vibrações e oscilações, comprometem a estabilidade da transmissão de dados, assim como influências ambientais térmicas e químicas decorrentes de temperaturas extremas, fortes variações de temperatura, gases nocivos, humidade e sujidade. Os fabricantes de conectores de alta qualidade recorrem, por isso, a todo um leque de soluções para proteger os seus conectores contra estas solicitações.
Robustez apesar da miniaturização
A engenharia elétrica moderna está, mais do que nunca, sujeita a uma tendência: a miniaturização. Os conjuntos e os seus componentes têm de se tornar não só cada vez mais potentes, mas também cada vez mais pequenos. No entanto, são frequentemente utilizados em condições reais adversas. Por isso, os componentes, bem como os conectores, tornam-se cada vez mais delicados, mantendo a mesma carga. No entanto, um conector de qualidade resiste a este stress não só tão bem como o seu antecessor maior, mas até melhor. A razão para isso reside nos avanços na composição dos materiais, bem como no design do produto, por exemplo, na geometria do corpo isolante (Fig. 1).
Fator de influência: superfície
Vários fatores influenciam a robustez de um conector. Um deles é a superfície de contacto. Esta determina de forma decisiva a vida útil do conector, que é normalmente medida em ciclos de ligação. Durante a utilização no terreno, o conector está sujeito a certos micromovimentos. Estes provocam desgaste da superfície e, consequentemente, a formação de óxido (Fig. 2).
A consequência é um aumento da resistência de contacto e, consequentemente, uma pior qualidade na transmissão do sinal. Por isso, é importante reduzir ao mínimo o desgaste da superfície durante a ligação e durante o funcionamento, recorrendo a um revestimento de contacto de alta qualidade e duradouro. Para tal, tanto o contacto em forma de lâmina como o contacto em forma de mola devem apresentar uma superfície devidamente lisa. Apesar do aumento dos preços, o ouro continua a ser utilizado hoje em dia para revestimentos de superfícies devido à sua resistência à corrosão e excelente condutividade. Como o ouro puro é macio, é ligado com uma percentagem de 0,2 a 0,3 por cento de cobalto ou níquel, obtendo-se assim ouro duro. No entanto, quem procura uma alternativa com preços mais estáveis a esta estrutura de revestimento pode, por exemplo, recorrer a uma liga de níquel e fósforo com revestimento de ouro. Quando combinados em proporções muito específicas, estes dois materiais apresentam as propriedades positivas que o ouro também oferece: elevada resistência à corrosão, resistência ao desgaste acentuada e excelente condutividade. Para impedir difusões entre o material de contacto e o revestimento de superfície, recorre-se frequentemente a uma chamada camada de barreira de níquel. Com a ajuda desta barreira, é possível evitar a corrosão.
Fator de influência: o design dos contactos
Os contactos de um conector são estampados ou torneados. No entanto, durante a estampagem, forma-se na parte inferior da fita estampada uma superfície não homogénea e de arestas vivas, visível ao microscópio. Os sistemas convencionais estabelecem contacto nesta aresta de estampagem, o que implica um maior desgaste da superfície e, consequentemente, uma maior resistência de transição. Isto pode ser evitado se a tulipa da mola for dobrada 90 graus no chamado processo de estampagem e dobragem, de modo a que encontre o contacto da lâmina com a superfície lisa e laminada (Fig. 3).
No entanto, não é apenas o design da régua de molas, mas também o da régua de lâminas que é determinante para a durabilidade do conector. Pois também estas últimas têm de ser estampadas e processadas com precisão, para evitar geometrias danificadas e afiadas.
No entanto, não é apenas o design da régua de molas, mas também o da régua de lâminas que é determinante para a durabilidade do conector. Pois também estas últimas têm de ser estampadas e processadas com precisão, para evitar geometrias danificadas e afiadas.
Fator de influência: sistema de contacto
Os conectores clássicos de duas peças possuem um contacto de lâmina e um contacto de mola. No entanto, em caso de forte impacto, a régua de facas pode soltar-se da régua de molas. Para evitar essa interrupção do contacto, é possível garantir redundância e, consequentemente, a segurança do contacto através de uma régua de molas dupla, uma vez que a segunda mola assegura a transmissão do sinal em qualquer momento através de, pelo menos, um ponto de contacto (Fig. 4).
Por outro lado, os conectores com o chamado sistema de contacto «neutro em termos de género» são ainda mais robustos. A particularidade reside nas geometrias de contacto idênticas das duas metades do conector, o plugue e a tomada. Ambos dispõem, portanto, tanto de uma mola como de uma lâmina. Assim, cada pino é contactado por duas molas, estando o plugue e a tomada entrelaçados e não podendo separar-se um do outro. Enquanto uma régua de molas dupla garante sempre, sob carga mecânica, pelo menos um ponto de contacto, as geometrias entrelaçadas nos sistemas de contacto neutros em termos de género asseguram que a transmissão do sinal ocorra sempre através de dois pontos de contacto. Esta elevada redundância permite, assim, a máxima segurança de contacto (Fig. 5).
No que diz respeito às suas características de robustez, o sistema de contacto de género neutro só é superado pelos conectores de peça única. Estes dispensam totalmente o princípio clássico de contacto em duas peças, composto por uma régua de pinos e uma régua de molas. Devido à eliminação da área de contacto vulnerável, os conectores de peça única não só possuem a maior resistência a choques, vibrações, humidade, poeira e condições atmosféricas, como também são adequados para encapsulamento e outros processos de proteção de componentes. Em combinação com a técnica de encaixe por pressão, representam a ligação mecânica e elétrica mais segura entre duas placas de circuito impresso (Fig. 6).
Fator de influência: técnica de ligação
Existem várias formas de fixar conectores nas placas de circuito impresso. Uma delas é a já mencionada técnica de encaixe por pressão. O seu objetivo é obter a maior força de retenção possível entre o conector e a placa de circuito impresso, utilizando a menor força de pressão possível. As forças de retenção determinam a ligação mecânica, que, por sua vez, tem de resistir a choques e vibrações. Esta técnica de ligação é um processo comprovado milhares de milhões de vezes, no qual um pino de pressão é pressionado num orifício com contato passante na placa de circuito impresso (Fig. 7).
Neste caso, o pino de encaixe tem uma diagonal maior do que o diâmetro do orifício da placa de circuito impresso. O pino do conector é flexível na zona de encaixe, para que a placa de circuito impresso não se deforme devido às forças físicas exercidas durante o processo de encaixe. A deformação limita-se, portanto, à zona de inserção (Fig. 8). Resulta numa soldadura a frio entre o pino de contacto e o orifício metalizado da placa de circuito impresso: uma ligação mecânica estanque ao gás, resistente à corrosão, de baixa resistência e com boa condutividade elétrica, que também é adequada para o encapsulamento. Além disso, está especificada na norma DIN EN 60352-5 e mantém a segurança de contacto mesmo sob cargas mecânicas e térmicas muito elevadas, como vibração, flexão e fortes variações de temperatura, resistindo até a cargas de choque de até 200 g.
Devido às suas excelentes características de robustez e à taxa de falha (FIT) dez vezes melhor do que a dos conectores soldados automaticamente, a técnica de encaixe por pressão é frequentemente utilizada em aplicações de alta segurança, nas quais a transmissão de sinais não pode, em circunstância alguma, ser interrompida, por exemplo, em sistemas de airbag ou módulos ABS e ESP.
Devido às suas excelentes características de robustez e à taxa de falha (FIT) dez vezes melhor do que a dos conectores soldados automaticamente, a técnica de encaixe por pressão é frequentemente utilizada em aplicações de alta segurança, nas quais a transmissão de sinais não pode, em circunstância alguma, ser interrompida, por exemplo, em sistemas de airbag ou módulos ABS e ESP.
No entanto, a técnica de encaixe por pressão nem sempre é adequada, por exemplo, quando as placas de circuito impresso têm de ser montadas em ambos os lados ou quando não é possível respeitar a distância mínima em relação aos componentes na direção da força. Uma outra possibilidade para estabelecer uma ligação fiável e duradoura entre o conector e a placa de circuito impresso é a tecnologia de montagem em superfície (SMT). Através de pasta de solda, os conectores são soldados em áreas de ligação definidas da placa de circuito impresso, os pads de solda. Só num forno de refluxo é que o material de solda é derretido e, posteriormente, endurecido. A SMT permite realizar ligações estáveis entre o conector e a placa de circuito impresso. Para tal, no entanto, é necessário cumprir alguns critérios: em primeiro lugar, para um ponto de soldadura conforme com a norma IPC-A-610, deve ser mantida a proporção correta entre a base de soldadura, o pad de soldadura e a pasta de solda. Só assim é estabelecida uma ligação de alta qualidade que permite uma ligação de classe 3 segundo a IPC, sendo, portanto, adequada para utilização em eletrónica de alto desempenho. Nesta classe, as falhas na transmissão de sinais devem ser excluídas em qualquer momento. Uma ligação soldada ideal reconhece-se pela formação uniforme do menisco. O contacto deve estar totalmente envolvido pelo menisco de solda, para alcançar as melhores forças de retenção na placa de circuito impresso. (Fig. 9).
A coplanaridade dos pés de contacto é, neste contexto, um requisito essencial para uma ligação de excelente qualidade. Se todos estes requisitos forem cumpridos, está comprovado que os conectores SMT conseguem suportar cargas mecânicas de até 400 N.
Fator de influência: design do corpo isolante
Além disso, a geometria do corpo isolante de um conector ajuda a proteger os contactos contra danos durante o funcionamento ou a instalação. Deve ser concebida de forma a que os contactos vulneráveis fiquem protegidos no interior do conector.
Os chanfros de inserção permitem, além disso, evitar danos durante a montagem. Ajudam a compensar um desalinhamento das placas de circuito impresso em qualquer direção durante a inserção. Com a ajuda de uma área de retenção adicional, as duas metades do conector podem ser encaixadas sem danos, mesmo em caso de desvio central ou angular (Fig. 10).
Os chanfros de inserção permitem, além disso, evitar danos durante a montagem. Ajudam a compensar um desalinhamento das placas de circuito impresso em qualquer direção durante a inserção. Com a ajuda de uma área de retenção adicional, as duas metades do conector podem ser encaixadas sem danos, mesmo em caso de desvio central ou angular (Fig. 10).
Além disso, alguns conectores dispõem de «boardlocks». Trata-se de braços metálicos fixados ao corpo isolante e que também são soldados à placa de circuito impresso (Fig. 11). Desta forma, proporcionam uma estabilidade adicional – mesmo em condições adversas, como vibrações e choques.
Fator de influência Intervalo de tolerância
A margem de tolerância de um conector desempenha um papel decisivo na avaliação da sua robustez. Se o conector não conseguir compensar as tolerâncias existentes, os movimentos mecânicos provocam desgaste ou mesmo danos na ligação. Durante a instalação, os chanfros de inserção ajudam a permitir a ligação sem danos entre a ficha macho e a ficha fêmea. No entanto, mesmo quando encaixado, é necessário compensar micromovimentos. Isto é conseguido através da geometria dos contactos e dos corpos isolantes. Se um conector dispuser de uma função flutuante, pode compensar até ±0,4 mm mesmo durante o funcionamento. Esta função está a ganhar cada vez mais relevância, uma vez que desempenha um papel decisivo no equipamento de uma placa de circuito impresso com vários conectores. No entanto, no campo, as cargas não surgem apenas nas direções x e y, mas também na direção z (Fig. 12).
Aqui coloca-se a questão da segurança de encaixe de um conector. Esta descreve a área de sobreposição entre a régua de pinos e a régua de molas, permitindo assim não só diferentes distâncias entre placas de circuito impresso, mas também — dependendo do tamanho dessa área — diferentes faixas de tolerância (Fig. 13).
Por outro lado, as compensações de tolerância máximas são conseguidas através de ligações por cabo. Aqui, o comprimento do cabo determina a faixa de tolerância da ligação por conector.
Por outro lado, as compensações de tolerância máximas são conseguidas através de ligações por cabo. Aqui, o comprimento do cabo determina a faixa de tolerância da ligação por conector.
Métodos de ensaio
Para testar exaustivamente as características de robustez dos conectores, existem vários métodos de ensaio. Nesses ensaios, variáveis como a resistência à tensão e a resistência de contacto são analisadas antes e depois de um teste de carga, e o estado dos contactos é inspecionado visualmente. Assim, é possível, por exemplo, verificar os efeitos de 500 ciclos de encaixe na resistência à tensão ou determinar, no teste climático, se várias horas a -55 °C e, posteriormente, a 125 °C têm um impacto negativo na resistência de contato do conector. No teste de choque térmico, o conector deve suportar a rápida alternância entre estas temperaturas extremas 100 vezes, durante 30 minutos cada. Além disso, o desvio central e angular durante a conexão, bem como a faixa de tolerância no estado conectado, não devem ser verificados apenas no modelo CAD em teoria, mas sim testados exaustivamente na prática e a resistência confirmada empiricamente. É igualmente importante que os diferentes ensaios críticos para a superfície de contacto sejam realizados em combinação, a fim de simular condições reais. Assim, por exemplo, os ensaios de ciclos de encaixe e de gases nocivos poderiam ser realizados em conjunto, para garantir que o desempenho do conector em termos de resistência de contacto e resistência à tensão não se deteriorou e que os contactos não sofreram danos (Fig. 14).
O seu design - a sua escolha
Dependendo dos requisitos da aplicação, existem diferentes critérios de robustez que um conector deve cumprir. Por exemplo, terá de compensar tolerâncias elevadas? Está exposto a grandes choques ou vibrações? É utilizado sob a influência de fortes picos de calor ou frio? Ou a solução de ligação tem de estar protegida contra humidade, gases nocivos ou sujidade? Se um utilizador se orientar por estas questões na escolha da sua solução de ligação, pode ter a certeza de que o seu conector está perfeitamente preparado para a utilização no terreno.