Come garantire che i connettori scheda-scheda soddisfino i requisiti di assemblaggio ad alta velocità e utilizzo nel settore automotive

I progettisti automotive devono selezionare e applicare con cura i connettori in modo che funzionino in modo affidabile sia dal punto di vista fisico che elettrico in ambienti in cui sono soggetti a temperature e umidità estreme, contaminazione e vibrazioni. Soddisfare e sostenere i requisiti di prestazioni e affidabilità del settore automotive è sempre più impegnativo, in quanto i veicoli si stanno trasformando in potenti "computer su ruote". I connettori devono essere in grado di gestire un maggior numero di linee di trasmissione in spazi più ristretti, con velocità di comunicazione di diversi gigabit al secondo, necessarie per soddisfare standard come 10GBASE-T1 e PCI Express versione 3 (PCIe 3.0).

Per rendere le cose ancora più difficili, le case automobilistiche richiedono volumi di produzione molto elevati, quindi le aziende di assemblaggio elettronico devono ricorrere a macchine di assemblaggio ad alta velocità per tenere il passo. Tuttavia, è difficile mantenere alti i tassi di produzione e i rendimenti e al tempo stesso posizionare accuratamente i connettori in modo che si accoppino senza problemi.

Queste sfide possono essere affrontate utilizzando connettori a contatto flottante fisicamente ed elettricamente robusti, in grado di assorbire gli scostamenti o i disallineamenti di posizione che si verificano durante l'assemblaggio automatizzato.

Questo articolo descrive i segnali elettrici, le applicazioni fisiche e le esigenze di produzione dei connettori automotive. Presenta quindi i connettori flottanti di JAE Electronics che i progettisti possono utilizzare per soddisfare queste esigenze. Include inoltre informazioni specifiche sugli standard di comunicazione ad alta velocità e sulla selezione e applicazione dei connettori adatti, oltre a indicazioni su come selezionare i connettori adatti per i protocolli di comunicazione automotive ad alta velocità come 10GBASE-T1 e PCI Express versione 3 (PCIe 3.0).

Due parole sui protocolli di comunicazione ad alta velocità

10GBASE-T1 fa parte di una famiglia di standard 10 gigabit Ethernet (10 GbE) che offre la trasmissione di frame Ethernet a una velocità di 10 Gbps. 10GBASE-T1 è una soluzione "Automotive Ethernet" che funziona con cavi a doppino intrecciato su distanze fino a 15 metri. La velocità di trasmissione dei dati di 10 Gbps è lo standard di comunicazione automotive più veloce e può supportare applicazioni come la guida autonoma.

PCIe 3.0 è un altro standard di bus di espansione seriale ad alta velocità per computer. Offre fino a 8 GTps. In un'implementazione "su 16 canali" di fascia alta, 8 GTps equivalgono a una velocità di trasferimento dati aggregata di 126 Gbps.

Tradizionalmente utilizzata come bus ad alta velocità nei PC, questa tecnologia è ora destinata alle applicazioni automotive per i veicoli del futuro, perché la progettazione hardware garantisce che i pacchetti di dati trasmessi arrivino a destinazione. In questo modo si ottiene un sistema altamente affidabile e adatto alla guida autonoma.

Connettori per comunicazioni automotive ad alta velocità

I protocolli di comunicazione ad alta velocità richiedono connettori di alta qualità. Non solo devono fornire una connessione robusta e affidabile per assicurare un'eccellente integrità del segnale, ma devono anche essere relativamente facili da scollegare e ricollegare per molti anni di servizio. Devono inoltre essere in grado di accettare spine e prese su un passo ridotto per garantire dimensioni compatte con connettività multi-canale.

Un esempio di una moderna famiglia di connettori per protocolli di comunicazione ad alta velocità come 10GBASE-T1 e PCIe 3.0 è la serie MA01 di JAE Electronics. Questi connettori offrono caratteristiche quali contatti con superficie laminata e strutture di contatto a due punti per garantire connessioni meccaniche ed elettriche sicure anche in presenza di vibrazioni, urti e alle temperature estreme tipiche delle applicazioni automotive (Figura 1).

Figura 1: I connettori serie MA01 presentano un contatto a due punti che assicura la continuità elettrica anche in caso di urti e vibrazioni. (Immagine per gentile concessione di JAE Electronics)

Disponibili in varie altezze di impilamento comprese tra 8 e 30 mm (Figura 2) e in grado di trasmettere le velocità di 8 Gbps richieste da 10 GBASE-T1 e PCIe 3.0, i connettori serie MA01 sono ideali per applicazioni come le unità di controllo digitale scheda-scheda per il settore automotive. Questi connettori sono caratterizzati da basse forze di inserimento e rimozione e includono la codifica per evitare l'accoppiamento errato. I connettori vantano un ampio intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a 125 °C.

Figura 2: I connettori serie MA01 sono disponibili in altezze di impilamento da 8 a 30 mm. (Immagine per gentile concessione di JAE Electronics)

Un esempio della gamma è il modello MA01F030VABBR300. Questo connettore scheda-scheda di tipo automotive assicura una trasmissione ad alta velocità. Dispone di 30 posizioni su un passo di 0,635 mm all'interno di un corpo di 20,925 x 8,8 x 12,3 mm. I contatti sono realizzati in lega di rame con uno strato di doratura di 0,1 µm minimo. Le specifiche elettriche del connettore prevedono una corrente nominale di 0,5 A e una tensione nominale di 50 V c.a. È inoltre specificato per un massimo di 100 cicli di accoppiamento.

Il modello MA01F030VABBR300 è progettato per accoppiarsi con il modello MA01R030VABBR600 e formare connessioni scheda-scheda per applicazioni automotive ad alta velocità (Figura 3).

Figura 3: MA01F030VABBR300 (in basso) è dotato di 30 posizioni e si abbina a MA01R030VABBR600 per una connessione scheda-scheda ad alta velocità robusta e affidabile. (Immagine per gentile concessione di JAE Electronics)

Superare le sfide dell'assemblaggio

La produzione in grandi volumi dell'elettronica richiede l'uso di tecnologie di assemblaggio robotizzate. Tuttavia, le macchine di posizionamento automatico utilizzate per questo lavoro hanno dei limiti meccanici, che possono comportare tolleranze nel posizionamento dei componenti. Se lievi errori di posizione sono tipici e non costituiscono un problema per i componenti attivi e passivi, possono invece causare problemi quando si accoppiano connettori multi-posizione e a passo piccolo. Il problema è aggravato dal fatto che un connettore tipico non presenta una superficie piana per l'ugello di aspirazione della macchina di posizionamento.

Con passi tipici tra i pin inferiori a un millimetro, non è necessario un forte disallineamento nell'accoppiamento dei connettori per danneggiare i contatti.

Per ovviare a questo problema, il modello MA01F030VABBR300 di JAE è dotato di una tecnologia a contatto flottante che tollera un movimento di ±0,5 mm in entrambe le direzioni X e Y. Questo flottante corregge gli scostamenti o i disallineamenti causati durante il montaggio da macchinari automatizzati. I connettori sono dotati di un cappuccio rimovibile che ne assicura il contatto per gli ugelli di aspirazione della macchina di posizionamento. Il cappuccio serve anche a evitare l'ingresso di detriti nell'area di accoppiamento prima del montaggio del connettore (Figure 4 e 5).

Figura 4: MA01F030VABBR300 è la metà inferiore di questo collegamento MA01 ed è dotato di tecnologia a contatto flottante, che tollera un movimento di ±0,5 mm nelle direzioni X e Y. Ciò consente di correggere eventuali scostamenti o disallineamenti durante il montaggio. (Immagine per gentile concessione di JAE Electronics)

Figura 5: La serie MA01 viene fornita con un cappuccio rimovibile che consente all'ugello di aspirazione della macchina di posizionamento di realizzare un buon contatto. (Immagine per gentile concessione di JAE Electronics)

Il lato femmina del connettore scheda-scheda, MA01R030VABBR600, è un connettore rigido perché solo un lato della connessione deve essere flottante per adattarsi alle tolleranze di posizionamento.

Un'altra caratteristica dei connettori serie MA01 che facilita il processo di assemblaggio è la chiara visione dei giunti di saldatura nei punti in cui il connettore entra in contatto con la scheda CS. I connettori convenzionali di solito nascondono questi giunti di saldatura, rendendo difficile l'ispezione e possibili guasti in servizio (Figura 6).

Figura 6: Un connettore a montaggio laterale serie MA01 mostra come il design consenta di ispezionare facilmente la qualità dei giunti di saldatura nel punto in cui il connettore è collegato alla scheda CS. (Immagine per gentile concessione di JAE Electronics)

Accoppiamento senza problemi

La tecnologia dei connettori flottanti della serie MA01 è utile per compensare gli errori di posizionamento, ma quando i connettori vengono agganciati manualmente può verificarsi un disallineamento maggiore, soprattutto quando le schede CS alta e bassa che reggono le due metà del connettore vengono unite "alla cieca", rendendo troppo facile il disallineamento dei delicati contatti. Peggio ancora, il connettore potrebbe sembrare accoppiato correttamente anche se i contatti si sono danneggiati durante il processo. Tale disallineamento può verificarsi in direzione orizzontale sia sul piano X che Y.

I connettori di JAE sono dotati di guide che impediscono il collegamento errato, anche se sono significativamente disallineati in una o entrambe le direzioni X e Y durante l'accoppiamento. Il perno guida è stampato nel corpo del connettore e orienta le due metà del connettore nella corretta posizione di innesto (Figure 7, 8 e 9).

Figura 7: In caso di disallineamento in direzione X, il perno guida della serie MA01 di JAE Electronics orienta la metà superiore del connettore in senso verticale. (Immagine per gentile concessione di JAE Electronics)

Figura 8: Nella direzione Y, i perni guida impediscono un disallineamento eccessivo che altrimenti danneggerebbe i contatti. (Immagine per gentile concessione di JAE Electronics)

Figura 9: Quando due schede vengono accostate per l'inserimento cieco dei connettori, i perni guida compensano fino a 1 mm di disallineamento orizzontale. (Immagine per gentile concessione di JAE Electronics)

Una volta accoppiato, il contatto flottante del connettore gli consente di assorbire gli urti e le vibrazioni tipiche delle applicazioni automotive senza il rischio di danni.

Scelta di un connettore ad alta velocità

La progettazione di sistemi di comunicazione ad alta velocità è complicata. Prima ancora che il progettista inizi a considerare l'integrità del segnale di un determinato connettore, il layout della scheda CS associata deve prendere in considerazione fattori quali le impedenze target e l'instradamento dei canali di segnale differenziale ad alta velocità, per limitare la diafonia e le perdite. Tuttavia, se il progettista ha tenuto conto di questi e altri fattori chiave di progettazione, il connettore può svolgere un ruolo importante nella larghezza di banda finale, nel throughput dei dati grezzi e nell'integrità del segnale del sistema.

La prima cosa da verificare nella scelta di un connettore ad alta velocità è la larghezza di banda massima per il protocollo di comunicazione desiderato. Non ha molto senso progettare un sistema che possa funzionare ad alta velocità se il connettore non è in grado di gestire la frequenza operativa del protocollo. Un modo semplice per farlo è scegliere connettori certificati conformi allo standard del protocollo in questione. In questo modo, il progettista può essere sicuro che il connettore sia stato progettato specificamente per garantire la massima velocità e larghezza di banda.

Un connettore conforme presenta anche l'impedenza target per il relativo protocollo ad alta velocità (in genere 50 Ω). Altri fattori di selezione, come il materiale, lo stile di montaggio sulla scheda e le dimensioni, sono importanti ma hanno un impatto minore sull'integrità del segnale.

Sebbene la certificazione di conformità dia al progettista la certezza che il connettore sia in grado di svolgere il suo compito, è importante testare il connettore selezionato su una scheda CS di prova con un layout simile o identico a quello del prodotto di produzione. La scheda tecnica o il test del connettore in isolamento potrebbero non evidenziare i problemi di integrità del segnale possibili nell'uso reale. Il test su un assemblaggio prototipo fornirà una chiara indicazione dei problemi di riflessione e/o distorsione del segnale.

Le misure chiave per determinare l'integrità del segnale del connettore sono i parametri S e il diagramma a occhio. I parametri S indicano l'attenuazione di riflessione e le perdite di inserzione del segnale nel dominio della frequenza. I valori devono essere misurati per il circuito di lavoro con il connettore in posizione e poi confrontati con i risultati ottenuti con il connettore rimosso per valutarne l'impatto sull'integrità del segnale.

Un diagramma a occhio generato dall'oscilloscopio è una visualizzazione delle prestazioni del circuito nel dominio digitale. È il metodo standard per visualizzare perdite, diafonia, interferenza intersimbolica (ISI) e tassi di errori binari. Anche in questo caso, i test devono essere eseguiti con e senza il connettore per stabilire il suo impatto sull'integrità del segnale.

Conclusione

Per i progettisti è difficile soddisfare gli esigenti requisiti di prestazioni fisiche ed elettriche dei connettori scheda-scheda per il settore automotive, evitando al contempo i danni dovuti a un cattivo posizionamento e alla tolleranza di disallineamento durante l'assemblaggio automatizzato ad alta velocità. I progettisti possono superare queste sfide utilizzando i connettori serie MA01 di JAE Electronics.

Come mostrato, i connettori MA01 sono conformi ai protocolli di comunicazione multi-gigabit e sono una soluzione robusta e affidabile con inserimento e disinserimento a bassa resistenza. Inoltre, questi connettori sono stati progettati tenendo conto della rapidità di assemblaggio. Caratteristiche come i cappucci, i contatti flottanti e i perni guida offrono tolleranze maggiori nel montaggio sulla scheda e nel collegamento cieco scheda-scheda senza il rischio di disallineamenti e danni ai contatti.