Qual é o mecanismo de degradação do conetor? (I)

Os mecanismos de degradação dos conectores são muito importantes para o desempenho dos conectores e críticos para a garantia de desempenho dos produtos relacionados. Quais são os mecanismos de degradação? Que factores contribuem para a falha do conetor? Vamos continuar a explorar esta questão. Os conectores são utilizados para estabelecer uma ligação entre dois sistemas separados. A separação é necessária por várias razões, que vão desde a facilidade de fabrico até à melhoria do desempenho. No entanto, quando combinados, os conectores não devem adicionar quaisquer valores de resistência desnecessários entre os sistemas. A adição de valores de resistência pode causar falhas no sistema, distorcendo o sinal ou perdendo potência. Os mecanismos de degradação dos conectores são importantes porque são uma fonte potencial de aumento da resistência e, por conseguinte, conduzem a falhas funcionais ao longo do tempo. Vamos começar com uma breve revisão da resistência do conetor. A Figura 1 ilustra uma secção transversal de um conetor de sinal de uso geral. As equações na Figura 1 representam as várias fontes de resistência dentro do conetor. ro é a resistência geral do conetor e é a resistência entre os pontos finais da cauda do condutor e os pontos de solda da perna do conetor PCB. As duas resistências de conexão permanente, Rp.c, são as resistências entre os pontos de conexão de crimpagem e as localizações dos pinos correspondentes. Da mesma forma, as duas resistências do corpo (Rbulk) são a resistência do corpo do contacto traseiro e a resistência do corpo paralelo entre os dois postes do conetor; existe também uma resistência de contacto na interface ou local separável Rc. A resistência global do conetor é a soma das resistências de ligação invariantes individuais, das resistências do corpo de ligação do contacto traseiro e da cavidade, e da resistência de contacto no local separável, uma vez que todas estas resistências estão ligadas em série.

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Para esta discussão, vamos assumir que a resistência total medida Ro é de 15 miliohms. Com esta suposição em mente, vamos especular sobre os efeitos relativos da resistência da conexão permanente, da resistência do corpo e da resistência de contacto no ponto separável sobre a resistência total do conetor. Neste exemplo, esses valores são típicos de um conetor de casca mole, e a resistência do corpo será responsável pela maior parte da resistência total, que é próxima a 14 miliohms. A resistência da ligação permanente é de algumas centenas de microohms, e o resto é a resistência de contacto nos pontos separáveis. Embora a resistência do corpo dos contactos do conetor seja a que mais contribui para a resistência do conetor, é também a mais estável. A resistência do corpo de um único contacto é determinada pelo material de que o contacto é feito e pela sua geometria geral. Neste exemplo simples, considere a resistência ao longo do comprimento do condutor, que pode ser calculada por: Rcond. = r l/a. Nesta equação, r é a resistividade do condutor (que também pode ser o material da mola no conetor), "l" é o comprimento do condutor e "a " é a área da secção transversal do condutor (ou a geometria da mola no conetor). Para um determinado material, por exemplo, bronze fosforoso e geometria de contacto, estes parâmetros são constantes e, por conseguinte, a resistência global do conetor é constante. A resistência da ligação permanente e a resistência da interface ou da ligação separável são variáveis. Estas resistências são susceptíveis a uma variedade de mecanismos de degradação, que serão discutidos mais adiante neste artigo. É importante notar que os conectores são afectados por muitas coisas, tais como ambientes agressivos, calor, vida útil, vibração, etc. E embora a resistência total do conetor possa mudar de 15 miliohms para, por exemplo, 100 miliohms, a mudança na resistência ocorre principalmente nas resistências de conexão separáveis e permanentes. A resistência da interface separável é a mais suscetível à degradação devido às forças e deformações que ocorrem no ponto separável. Em termos simples, as duas principais interfaces separáveis requerem uma certa quantidade de força e deformação. A força de mordida do conetor é o primeiro e mais óbvio requisito. Para conectores com elevado número de PIN, a força de mordida dos bits individuais de PIN deve ser controlada e a força normal de contacto é um dos principais parâmetros sujeitos a este requisito. Por exemplo, a força de contacto para uma ligação separável é da ordem das dezenas a centenas de gramas, enquanto que para uma ligação de engaste isolada, ou IDC, a força é da ordem de vários quilogramas, com a força correspondente pressionada na ligação. Esta força elevada numa ligação permanente proporciona uma maior estabilidade mecânica e valores de resistência mais baixos do que numa ligação separável. Da mesma forma, uma força de ligação permanente mais elevada permite uma maior deformação das superfícies de contacto em comparação com uma ligação separável. As ligações cravadas são o exemplo mais óbvio deste facto, por exemplo, a deformação significativa dos terminais cravados, bem como a deformação significativa dos condutores individuais. Tanto a força da ligação crimpada como os correspondentes pés PIN permitem uma maior deformação da superfície de contacto. Tal como acontece com as forças mais elevadas, a maior deformação da superfície das ligações permanentes reduz a sua resistência em comparação com a resistência do contacto separável. A deformação das superfícies das ligações separáveis é também limitada por outro requisito da interface separável: a durabilidade do acoplamento. Uma elevada deformação da superfície conduz normalmente a um elevado desgaste da superfície, o que, por sua vez, pode levar a uma perda dos revestimentos de contacto, por exemplo, ouro ou estanho nas superfícies de contacto. Esta perda de revestimento aumentará a suscetibilidade à corrosão das superfícies de contacto, o que será discutido num artigo posterior. A combinação da força oclusal e da durabilidade oclusal das interfaces separáveis limita a deformação e a estabilidade mecânica das interfaces separáveis e é responsável pela menor estabilidade eléctrica das interfaces separáveis em comparação com as ligações permanentes. Em geral, quanto maior for a área de contacto entre duas superfícies, menor será a resistência da interface. De facto, para a resistência de um comprimento de condutor, a área de contacto entre duas superfícies é análoga à equação Rcond = r l/a. Uma vez que a área de contacto das ligações separáveis é inferior à das ligações permanentes, estas têm uma resistência mais elevada. Em resumo, a força reduzida das ligações separáveis leva a uma menor estabilidade mecânica e a área de contacto reduzida leva a uma maior resistência em comparação com as ligações permanentes. Estas questões, ou seja, a força de contacto reduzida e a área de contacto reduzida, afectam diretamente a suscetibilidade à degradação das interfaces de contacto separáveis. A figura 2 mostra um esquema ampliado de uma interface de contacto separável. A representação na figura ilustra que, à escala microscópica de uma tal interface de contacto, todas as superfícies são rugosas. Isto significa que a interface de contacto propriamente dita consistirá numa distribuição de pontos de contacto denominados pontos a ou covinhas, em vez de um contacto regional completo. Esta estrutura rugosa é responsável pelo aumento da resistência da interface de contacto. A área de contacto reduzida, incluindo a distribuição dos pontos a numa área geométrica, depende da geometria da superfície de contacto. Um tipo de resistência conhecido como resistência de retração surge como resultado da corrente ser comprimida para fluir através de um único ponto a. O aumento da área de contacto por vários meios pode reduzir a resistência de retração, mas não pode ser eliminada. Por conseguinte, os conectores acrescentarão sempre algum valor de resistência ao sistema elétrico. Nesta perspetiva, o principal objetivo do design dos conectores é controlar a magnitude e a estabilidade da resistência.

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Como já foi referido, a magnitude da resistência interfacial depende da área de contacto criada quando os contactos da ficha e da tomada entram em contacto um com o outro. Há dois factores principais que afectam a estabilidade da resistência de contacto: a perturbação da interface de contacto e a corrosão no ponto a. A forma como estes factores afectam os mecanismos de degradação dos conectores será discutida mais adiante. Em resumo, estes mecanismos incluem: 1 , a corrosão ocorre dentro e à volta da interface de contacto, reduzindo assim a área de contacto. Existem dois mecanismos de corrosão: corrosão superficial, que afecta diretamente a área de contacto; induzida ou micromovimento, que pode aumentar a sensibilidade da interface de contacto à corrosão. 2, perda de integridade do revestimento do contacto devido a um revestimento inadequado ou ao desgaste do revestimento, que aumenta a sensibilidade à corrosão. A maior parte dos contactos dos conectores são revestidos com uma camada superficial de um metal precioso, como o ouro, ou com uma superfície plaqueada, normalmente estanho. Um dos principais objectivos destes revestimentos é proteger o substrato do contacto (normalmente uma liga de cobre) da corrosão. A suscetibilidade à corrosão dos metais preciosos e não preciosos é diferente e será discutida separadamente mais tarde.3, perda de força de contacto, resultando numa redução da estabilidade mecânica e da suscetibilidade da interface de contacto a micro-movimentos. Os principais mecanismos que levam à redução da força de contacto nos conectores são a tensão de contacto excessiva e o relaxamento da tensão. O relaxamento das tensões é a perda de força de contacto ao longo do tempo devido ao tempo/temperatura.

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