Cinque considerazioni per la scelta dei connettori per applicazioni medicali

I progettisti di dispositivi e sistemi medicali hanno bisogno di connettori che li aiutino ad affrontare la crescente complessità e i fattori di forma più piccoli, garantendo al contempo elevati livelli di affidabilità e prestazioni in vari scenari di utilizzo. Alcuni connettori sono inaccessibili all'interno del sistema, rendendo l'affidabilità un aspetto fondamentale. Altri connettori sono utilizzati regolarmente da chirurghi, medici, infermieri o tecnici, per cui anche la facilità d'uso e l'elevato numero di cicli di accoppiamento sono elementi importanti.

A seconda dell'applicazione, i connettori per dispositivi e sistemi medicali devono essere conformi a standard quali IEC 60601, ISO 80369-1 e ISO 13485 e possono richiedere rigorosi test ambientali che vanno oltre gli standard e le specifiche tipiche del settore.

Oltre a un modello utilizzabile e a standard specifici, i progettisti devono considerare i compromessi tecnici tra le tecnologie dei connettori NRZ (non ritorno a zero), chiamati anche PAM2 (modulazione dell'ampiezza d'impulso a 2 livelli) e PAM4 (modulazione dell'ampiezza d'impulso a 4 livelli), per contenere il costo e realizzare prestazioni ottimali per un caso d'uso specifico.

I progettisti devono considerare un'ampia gamma di tipi di connettori per trovare la soluzione migliore. Per facilitare il processo, questo articolo inizia con una breve rassegna di cinque fattori importanti da tenere presenti quando si specificano i connettori per i dispositivi medici. Presenta quindi esempi di connettori di Samtec e chiude con una panoramica sulle considerazioni applicative in merito all'integrazione dei connettori nei sistemi ad alta velocità.

NRZ o PAM4

NRZ trasmette 1 bit di informazione per intervallo di segnale. PAM4 è un formato di modulazione del segnale multilivello con un throughput di 2 bit per intervallo. Nell'occhio NRZ, la parte superiore rappresenta "1" e quella inferiore "0", mentre il segnale PAM4 consiste in tre occhi sovrapposti formati da quattro livelli di tensione: 00, 01, 10 e 11 (Figura 1). L'altezza degli occhi è un fattore importante. La maggiore altezza dell'occhio del segnale NRZ determina una migliore qualità del segnale. NRZ è più semplice da implementare, ha riflessioni più basse, un miglior rapporto segnale/rumore (SNR) e un costo inferiore rispetto a PAM4. Tuttavia, PAM4 è intrinsecamente più veloce e viene utilizzato nei collegamenti ad alta velocità, come le comunicazioni multi-gigabit.

Figura 1: NRZ ha un solo occhio (a sinistra) e trasmette 1 bit di informazione per intervallo di segnale. PAM4 è un formato di modulazione del segnale multilivello con tre occhi (a destra) e ha un throughput di 2 bit per intervallo. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

Considerazioni meccaniche

Le considerazioni di carattere meccanico nella scelta dei connettori includono il passo dei contatti, il tipo di accoppiamento, lo stile della terminazione e le dimensioni (Figura 2). Il passo misura la distanza da centro a centro dei contatti. Può essere rappresentato da diversi valori; il passo tra i contatti di ogni fila e il passo tra le file possono essere uguali o diversi. I connettori sulle schede a circuiti stampati possono utilizzare accoppiamenti orizzontali, verticali o ad angolo retto. La forza di ritenzione è un'altra considerazione che misura la facilità di distacco del connettore.

Figura 2: Una piccola selezione della varietà di passi, terminazioni e dimensioni disponibili per i contatti. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

Gli stili di terminazione più comuni includono il foro passante, il montaggio superficiale, il foro a incollaggio e l'inserimento a pressione. I contatti a foro passante passano attraverso un foro nella scheda CS e forniscono connessioni robuste tra gli strati. I connettori a montaggio superficiale si montano sulla superficie della scheda CS e non richiedono la presenza di fori. Possono avere distanze di passo inferiori rispetto ai connettori a foro passante. Le terminazioni a foro passante vengono sostituite da quelle a montaggio superficiale in un numero crescente di applicazioni.

I connettori con foro a incollaggio sono montati in fori che non penetrano completamente nella scheda CS. Per l'uso in progetti a montaggio superficiale o a incollaggio, il materiale del corpo del connettore deve essere in grado di resistere alle temperature di rifusione della saldatura e deve avere uno spazio orizzontale e verticale intorno ai conduttori per accogliere la quantità di pasta saldante necessaria.

Le terminazioni a pressione sono prive di saldature e hanno un costo inferiore, ma richiedono un'attrezzatura speciale per l'installazione. Vengono inserite in un foro della scheda CS e tenuti in posizione dalle forze di compressione. Gli stili di terminazione meno comuni includono LGA, BGA, l'avvolgimento dei fili, la crimpatura e le terminazioni a vite.

Facilità d'uso

La resistenza di contatto, i cicli di accoppiamento e la forza di (dis)accoppiamento contribuiscono alla facilità d'uso dei connettori nelle applicazioni in cui devono essere regolarmente accoppiati e disaccoppiati. Minore è la resistenza di contatto, minore è la potenza che si perde attraverso il connettore. Una bassa forza di (dis)accoppiamento può contribuire alla facilità d'uso, purché la resistenza di contatto rimanga sufficientemente bassa da soddisfare i requisiti elettrici. I connettori hanno specifiche limitate per i cicli di (dis)accoppiamento, che vanno da decine a molte migliaia di cicli. La durata del ciclo del connettore deve essere adeguata alle esigenze dell'applicazione.

Quando i contatti del connettore sono accoppiati, il contatto si sposta e il metallo si flette. La flessione è importante e determina la forza necessaria per accoppiare e disaccoppiare il connettore e la resistenza di contatto. La flessione provoca anche tensioni nei contatti, con conseguente diminuzione della forza di (dis)accoppiamento e aumento della resistenza di contatto nel tempo. La sostituzione del metallo base in ottone comunemente utilizzato nei contatti dei connettori con il più costoso bronzo fosforoso aumenterà il numero di cicli. Il bronzo fosforoso è più elastico dell'ottone e meno soggetto alle sollecitazioni che limitano la durata dei contatti in bronzo.

IEC 60601, ISO 80369-1 e ISO 13485

Esistono numerosi standard specifici per le applicazioni di vari sistemi e dispositivi medici. Tre degli standard più generali che devono essere presi in considerazione in tutti i progetti sono:

• ISO 80369-1 si concentra sulla metodologia di progettazione per ridurre il rischio di errori di connessioni tra dispositivi medici o tra accessori per applicazioni diverse.
• IEC 60601 si concentra sui requisiti generali per la sicurezza di base e le prestazioni essenziali, comprese le interferenze elettromagnetiche (EMI) e la compatibilità elettromagnetica (EMC).
• ISO 13485 si concentra sui sistemi di qualità necessari per tracciare i componenti e i processi utilizzati nel processo di produzione. È correlato allo standard ISO-9001.

Test al di là degli standard del settore

Severe Environment Testing (SET) è una suite di test sviluppata da Samtec che va oltre gli standard e le specifiche tipiche del settore e comprende:

• 250 cicli di accoppiamento con umidità del 100%
• Urti e vibrazioni intense basati sulla resistenza di contatto a basso livello (LLCR) e sul rilevamento degli eventi
  • Test LLCR con picco pari a 40 volte la forza gravitazionale (g) standard, 11 ms, semisinusoidale e 12 g RMS, 5 - 2000 Hz, 1 ora/asse
  • Rilevamento degli eventi secondo EIA-364-87, EIA-364-27 e EIA-364-28, utilizzando la stessa procedura di prova del test LLCR.
• 500 cicli di temperatura
• Test di temperatura non operativa in cui il connettore viene testato per LLCR, esposto a -55 - 105 °C per 100 cicli, quindi testato nuovamente per LLCR, esposto a -65 - 125 °C per 100 cicli e testato nuovamente per LLCR; il connettore deve mantenere una variazione di ≤5 mΩ in LLCR per l'esito positivo del test
• Tensione dielettrica di resistenza a un'altitudine di 21.336 m
• Il test delle scariche elettrostatiche (ESD) non viene solitamente eseguito sui connettori, ma è incluso in SET

Connettori capaci di sostenere 10.000 cicli di accoppiamento

I progettisti che necessitano di un massimo di 10.000 cicli di accoppiamento possono rivolgersi alle serie TFM e SFM di Samtec, componenti del sistema di interconnessione Tiger Eye dell'azienda. Questi connettori sono progettati per applicazioni micro, robuste, ad alta affidabilità e ad alto numero di cicli e sono disponibili in tre passi: 0,80, 1,27 e 2,00 mm. I connettori hanno contatti multi-lamellari in rame-berillio (BeCu) trattati a caldo, ottimizzati per applicazioni ad alto numero di cicli e progettati per ambienti difficili (Figura 3). Ad esempio, il modello TFM-105-01-S-D-A è una basetta a 10 posizioni con contatti di passo 1,27 mm.

Figura 3: Le interconnessioni Tiger Eye (a sinistra) sono disponibili in una varietà di formati e dimensioni e forniscono un robusto sistema di contatti con una resistenza di oltre 10.000 cicli di accoppiamento. TFM-105-01-S-D-A (a destra) è una basetta a 10 posizioni con contatti di passo 1,27 mm. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

La superficie di accoppiamento liscia non sollecita la placcatura, garantendo una resistenza di contatto inferiore, una maggiore durata della placcatura e un numero di cicli superiore. La saldatura può penetrare facilmente nella micro fessura della coda, garantendo una maggiore resistenza del giunto di saldatura. Questi connettori sono polarizzati per garantire un accoppiamento corretto e i blocchi per attrito opzionali migliorano la sicurezza del collegamento.

Connettori ad alta densità e alta velocità

Le applicazioni che richiedono alta velocità e alta densità possono utilizzare gli array di campo a pin aperti per inserimento a pressione SEARAY da 1,27 mm. Questi connettori hanno fino a 500 contatti ottimizzati per l'integrità del segnale e sono disponibili con opzioni di montaggio verticale o ad angolo retto (Figura 4). Questo sistema è caratterizzato da un massimo di 10 file e 50 contatti per fila per la flessibilità di messa a terra e di instradamento, altezze di impilamento di 7 mm, 8 mm, 8,5 mm e 9,5 mm e può gestire segnali fino a 28 Gbps. Ad esempio, il codice componente SEAFP-40-05.0-S-06 è un modello a montaggio verticale con 240 contatti e terminazioni a foro passante.

Figura 4: Gli array di campo a pin aperti per inserimento a pressione ad alta densità con passo 1,27 mm SEARAY sono disponibili nelle opzioni verticale e ad angolo retto (illustrata sopra). (Immagine per gentile concessione di Samtec)

Connettori per PAM4 o NRZ

Le applicazioni che richiedono una maggiore densità di contatti e una velocità superiore a 28 Gbps possono utilizzare la serie SEARAY a 56 Gbps. Il passo di 0,8 mm offre una densità di contatti doppia rispetto ai connettori con passo di 1,27 mm, sono disponibili con altezze di impilamento di 7 mm e 10 mm e possono gestire comunicazioni PAM4 o NRZ. Sono disponibili configurazioni con un massimo di 12 file da 60 contatti, per un totale di 720 contatti. Questi array di campo a pin aperti forniscono la massima flessibilità di messa a terra e di instradamento, comprese le coppie di segnali differenziali, la trasmissione di segnali sbilanciati e la distribuzione dell'energia elettrica (Figura 5). Il codice componente SEAF8-20-05.0-S-04-2-K presenta 80 contatti placcati in oro e terminazioni a montaggio superficiale. Questi connettori sono qualificati SET.

Figura 5: Gli array di campo a pin aperti ad alta densità SEARAY offrono la massima flessibilità di messa a terra e di instradamento, comprese le coppie di segnali differenziali, la trasmissione di segnali sbilanciati e la distribuzione dell'energia elettrica. (Immagine per gentile concessione di Samtec)

Considerazioni sulle applicazioni dei connettori ad alta velocità

Quando si utilizzano connettori ad alta velocità in applicazioni medicali, i progettisti devono considerare numerosi fattori legati all'integrità del segnale e alle EMI:

• Più corto è, meglio è. I connettori più corti offrono una migliore qualità del segnale. Quanto più corto è il connettore, tanto più breve è il tempo disponibile per le riflessioni e la diafonia.
• Il rapporto segnale/terra è importante. Nella maggior parte dei casi, un rapporto di 1:1 è ottimale, ma per i connettori con un numero elevato di pin può essere necessario un rapporto inferiore a 1:1 per un funzionamento affidabile ad alta velocità e sbilanciato.
• La schermatura a terra delle coppie di contatti è consigliata per i connettori differenziali che trasportano segnali di 2,5 Gbps o superiori.
• Il disallineamento può essere un problema significativo sulle schede CS con più connettori. Seguire scrupolosamente le specifiche di connessione raccomandate dal produttore e mantenere le tolleranze del diametro dei fori di allineamento a ±0,05 mm.
• Le EMI non sono solo un problema della scheda CS. I connettori scheda-scheda possono contribuire a creare problemi di EMI e devono essere considerati fin dall'inizio come parte del progetto complessivo.

Conclusione

La scelta dei connettori per i sistemi medicali è un compito importante e complesso. I connettori devono essere ottimizzati per soddisfare i requisiti di durata meccanica, affidabilità e facilità d'uso, oltre a soddisfare le specifiche elettriche e a supportare protocolli di comunicazione come NRZ e PAM4. L'aderenza agli standard del settore è importante, ma spesso sono necessari test che vanno oltre le norme del settore, come nel caso dei dispositivi di Samtec qui menzionati, per garantire gli elevati livelli di prestazioni attesi dai connettori nei dispositivi e nei sistemi medicali.

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