אמרים רבים אודות חיבורים דנים בטכנולוגיות חדשניות ביותר, במוצרים חדשים, או מוסרים הנחיות למיטוב ביצועי המערכת. ולאחר שאמרנו זאת, חיבורי לוח-לוח בעלי פסיעה סטנדרטית (2.54, 2.00 או 1.27 מ”מ) הם עדיין פריטים הנמכרים היטב ואשר משתמשים בהם בכל מקום בתעשיית האלקטרוניקה.
מחברים אלו, העשויים שני חלקים, אינם, אולי, סקסיים כמו מחברי צפיפות אולטרה-גבוהה המצוידים בצביר שבבים (4-level Pulse Amplitude Modulation) להשגת ערוצים של 56 גיגה-ביט/שנייה, אך הם נראים נורא מושכים אם הג’וב שלך הוא לאתר ולהכין מערכות חיבור לוח-לוח אמינות.
קיימים מספר גורמי תכנון הקובעים את הצלחת מערכת החיבורים. שני שיקולים חשובים ביותר הם בחירת המגע הנכון, ובחירת הציפוי הנכון עבור מגע זה.
איור 1. מגע בריליום-נחושת רב-אצבעות, מחוסם בחום, ליישומים בעלי מחזוריות שימוש גבוהה
בחירת המגע הנכון מסייעת בכך שמערכת החיבורים שלך תעמוד בתקנים בהם היא אמורה לעמוד – אם זה יישום בעל מחזוריות גבוהה, או עמידה בהלם רב או ברעידות, או חיבור אשר יעמוד במעט מאד לחצים לאורך חייו.
כאן, אנו מביאים סקירה בסיסית של שיקולי תכנון מגעים:
מתכת בסיס המגע: שלוש מתכות המשמשות בדרך כלל כבסיס למגעים, הן התרכובת זרחן-ארד (PhBr), התרכובת בריליום-נחושת (BeCu), ומתכת הפליז. לפליז חוזק עמידות בפני קריעה וכוח מתיחה מרביים של 69 מגה-פסקל – 434 מגה-פסקל (יחידת לחץ וחוזק מתיחה – MPa – Mega Pascal). השווה זאת לתרכובת זרחן-ארד בעלת חוזק של 131 מגה-פסקל – 553 מגה-פסקל, ולתרכובת בריליום-נחושת בעלת חוזק של 965 מגה-פסקל – 1205 מגה-פסקל.
ברור, אם כן, כי ביישומים תעשייתיים בעלי סיכון גבוה ותנאי סביבה עויינים, יש לשאוף לחוזק עמידות בפני קריעה וכוח מתיחה גדולים יותר, וביישומים אחרים יהיה נכון להשתמש באפשרות בעלת יחס עלות-תועלת טוב יותר. הפליז מומלץ, בדרך כלל, רק לשימושים פשוטים, בעלי מחזוריות שימוש נמוכה. בעוד מתכת זו אינה מוליכה באותה מידה כארד, התרכובת זרחן-ארד מתהדרת בחוזק עמידות בפני קריעה וכוח מתיחה גדולים יותר. להשגת הטוב שבשני העולמות, התרכובת בריליום-נחושת לא רק מעניקה את החוזק האמור הגדול ביותר, אלא שהמוליכות שלה קרובה לזו של הנחושת, וזה הופך אותה למתאימה מאד לחיבורים חזקים ואמינים יותר.
איור 3. קשיחות מבדדים המגדילים את קשיחות המחבר
תכנון מגעים על פי יישומי שימוש:
מגעים בעלי אמינות ומחזוריות שימוש גבוהות, עשויים, בדרך כלל, מתרכובת בריליום-נחושת. תרכובת זו מעניקה שילוב חזק של מאפיינים מכניים וחשמליים לחיבורים בעלי אמינות גבוהה. מערכות חיבור בעלות אמינות גבוהה, מצוידות בנקודות מגע מרובות, שלוש עד ארבע “אצבעות”, בדרך כלל.
בקצה השני של תחום המגוון של מערכות חיבור בין חלקים, נמצאות מערכות חיבור אחדות הנהנות מחיים ללא מתחים ועם מעט מחזורי שימוש, כמו, למשל, בסביבה משרדית. מספיקה, בדרך כלל, מערכת של קורת חיבורים אחת לסוג זה של יישומים, ואם זו עשויה מתרכובת זרחן-ארד או בריליום-נחושת, היא תעמוד ב-100 מחזורים למרב, בדרך כלל.
סוג מגע שלישי הנו זה המתוכנן ליישומים קשיחים או חזקים מאד. הגיאומטריה של קורות המגעים מגדילה את הכוח הרגיל ואת כוח המשיכה של חומר החיבור. קורות ארוכות, ובעקבות כך, בעלות עומק החדרה רב יותר, הופכות את החיבורים לקשיחים.
הדגש במאמר זה הנו תכנון מגעים, אך נחטא לעניין אם לא נציין את הנושא של תכנון מבדד בכל דיון ביישומי חיבור קשיחים. מאפייני תכנון מבדד עשוי פלסטיק שהנם שימושיים בסביבה הדורשת מחברים קשיחים, הינם:
נעילת לוח על גבי המחברים, הנועלת יחדיו שני מעגלים מודפסים.
איור 2. מגע זרחן-ארד המתוכנן ליישומים קשיחים
אמצעי נעילה בטוחה של חוטים בודדים ומערכות כבלים עם מגעי חיבור חודרי בידוד –
Insulation-Displacement Contact – IDC) או Insulation-Piercing Contact – IPC). נעילות אותן יש להפעיל ביד, יכולות להגדיל את חוזק האחיזה במידה של עד 200%.
הברגה אל תוך הלוח המצמידה את המחבר באופן מכני ללוח.
פיני חיזוק להלחמה, המגדילות באופן משמעותי את ההתנגדות לקריעה של המחבר מהלוח.
ציפוי: הציפוי מהווה גורם תכנון קריטי נוסף אשר קובע את הצלחת מערכת החיבורים בין החלקים. ציפוי הגימור הטוב ביותר הוא כל חומר העומד בדרישות שלך בעלות הנמוכה ביותר.
ציפוי זהב מוזכר, בדרך כלל, עקב אמינות גבוהה או יישומי מתח וזרם נמוך. אף בסביבה בעלת תנאים בעייתיים, הזהב לא מתחמצן, דבר העלול לגרום להגברה בהתנגדות המגע. הזהב משמש גם למגעים אשר נדרשים לעמוד במספר רב של מחזורים, כיוון שאפשר להתקין חיבור חשמלי מצוין עם לחץ מגע מינימלי.
זהב מהווה גורם המוסיף לעלות באופן משמעותי ברוב מערכות החיבור בין חלקים. וכמובן, הזהב נתון לתנודות במחיר. השפעת מחיר הזהב על עלות המחבר צומצמה עם האפשרות לעשות שימוש מצומצם יותר בזהב ביישומים לא קריטיים. על פי ההגדרה, מפרט Bellcore דורש 50 מיקרון של ציפוי זהב על גבי ניקל עבור יישומים הכוללים חוטים, כבלים ונקודות הארקה.
עקב הצורך להשאר תחרותיים אך עדיין לעשות שימוש ביתרונות הזהב, חברות רבות צמצמו את עובי הציפוי המינימלי בו הן משתמשות, ל-30 או ל-10 מיקרו-אינץ’ או אף משתמשות בציפוי בזהב בעובי קטן מ-10 מיקרו-אינץ’ (flash gold).
פח הוא חלופה לציפוי בזהב בעלות נמוכה. לחלופה זו מוליכות וכושר הלחמה טובים אך היא יוצרת ציפוי של חמצון אותו יש לחדור על מנת לבצע חיבורים חשמליים. ציפוי זה גם נתון לסוג של קורוזיה הידוע ככרסום או שחיקה (fretting). פח נמצא בשימוש במקומות היכן שצפוי מספר מועט של מחזורי שימוש או היכן שניתן לתכנן את המגע כך שיעמוד בכוחות רגילים גבוהים אשר יגרמו להחלקה מספקת בעת החדרת החוט, בדומה לפעולת ניגוב או מחיקה, לסילוק השכבה הדקה של חמצון על פני הפח.
השחיקה הנגרמת על ידי פעולת ניגוב זו או מחיקה זו, מהווה גורם המגביל מגעים בעלי ציפוי פח למספר קטן יותר של מחזורים מזה של זהב. הוא גם דורש עובי ציפוי גדול יותר, לעתים קרובות 150 מיקרו-אינצ’.
בעוד הפן הכלכלי מהווה היבט חשוב בשיקולי ציפוי, הדרישות הנובעות ממוצר מסוים עשויות להכתיב את סוג הציפוי לשימוש. ציפוי סלקטיבי של זהב/פח הנו חלופת ציפוי מקובלת כיוון שהוא מספק למתכננים את הטוב בשני העולמות: אזור המגע הקריטי ניחן באמינות הזהב, וקצה המגע נושא בעלות הנמוכה יותר ובכושר ההלחמה של הפח.
