John Brunt, Responsabile di Prodotto, Connettori ad Alta Affidabilità, Harwin
I moderni sistemi elettronici ad alta densità richiedono soluzioni avanzate per collegare insieme numerosi PCB e moduli interni. Ma quando si parla di applicazioni ad alta affidabilità (Hi-Rel), i requisiti richiesti sono ancora più spinti. Questo articolo esamina le principali differenze tra le opzioni di interconnessione disponibili. Illustrerà essenzialmente i casi in cui occorre utilizzare configurazioni a cavi discreti (o fili discreti) e le situazioni in cui i circuiti stampati flessibili (FPC) costituiscono la scelta migliore.
In un’ampia percentuale di applicazioni standard, le soluzioni a cavi discreti con cavi intrecciati o solidi sono generalmente adeguate. Tuttavia, se il sistema presenta vincoli di spazio o di peso, è necessario prendere in considerazione soluzioni di interconnessione meglio ottimizzate.
I vantaggi dei circuiti stampati FPC
I circuiti stampati FPC hanno assistito di recente a una crescita esponenziale. In questo contesto, intricati strati circuitali vengono incisi direttamente su un substrato polimerico ultrasottile rivestito di rame. I circuiti FPC sono già diventati un’opzione popolare nel settore dell’elettronica consumer, poiché offrono profili notevolmente più bassi, oltre a notevoli riduzioni di peso. Stanno inoltre assistendo a una crescente diffusione nella moderna progettazione di soluzioni satellitari, nella robotica e nell’avionica.
Un attributo chiave per i circuiti FPC è la loro capacità di supportare curve notevolmente più strette rispetto ad altre forme di cablaggio. Essi sono anche in grado di gestire meglio i movimenti dinamici mentre sono sottoposti a flessione. Questo aspetto è particolarmente importante in presenza di attuatori lineari, laptop robusti e superfici per il controllo del volo, in cui si verificano movimenti periodici su un singolo asse.
Il formato di un circuito FPC ne consente il piegamento ad angolo retto rispetto al piano del cavo, ma non in altre direzioni. Usando tali circuiti, si perde la capacità di piegare i cavi simultaneamente su più assi.
Quale opzione scegliere?
Se sia meglio optare per un cablaggio basato su soluzione FPC o a cavi discreti dipenderà dai parametri operativi del sistema e dall’ambiente applicativo in cui ci si trova. Ecco i principali aspetti che occorre considerare:
- Di quali livelli di corrente avrete bisogno?
Come accennato, i circuiti FPC si basano su tracce di rame ultrasottili. Le loro correnti nominali regolari e di picco saranno quindi inferiori rispetto a quelle di altri tipi di cablaggio; pertanto, è necessario tenerne conto prima di prendere qualsiasi decisione su quale opzione di cablaggio adottare. È improbabile che le soluzioni FPC siano in grado di superare 1A per traccia. L’unico modo per aumentare la corrente supportabile consisterebbe nell’ispessire le tracce di rame, che quindi impatterebbero negativamente sulla flessibilità dell’FPC. Al contrario, i cavi discreti sono in grado di erogare correnti almeno 3 volte maggiori rispetto ai circuiti FPC. Ciò significa che sono adatti sia per l’erogazione di energia che per la trasmissione dei dati. - Minimizzare il peso complessivo del sistema è una priorità importante?
Il cablaggio può contribuire in modo significativo al peso complessivo di un sistema. Quindi, se state sviluppando un sistema Hi-Rel alimentato a batteria o che dipende dalle riserve di carburante immagazzinate, il peso sarà un problema e sarà fondamentale scegliere il cablaggio appropriato. Consideriamo, ad esempio, un drone (UAV). Per questa applicazione, potrebbe essere consigliabile utilizzare FPC per ridurre il peso, a condizione che i livelli di corrente supportati rientrino nei limiti supportati da questo tipo di connessione. - Quali sono i limiti di spazio?
Quando si considerano i requisiti di spazio di una connessione PCB-cavo, occorre prendere in considerazione due elementi. In primo luogo, il fatto che l’altezza del connettore del cavo stesso supera quella dell’analogo connettore per il montaggio su scheda. In secondo luogo, i cavi che escono verticalmente dal retro della connessione devono disporre di uno spazio adeguato per supportare il raggio di curvatura. Potrebbe anche essere necessario aggiungere una spaziatura al dispositivo, alla scheda o all’alloggiamento adiacenti, per evitare l’usura dei cavi piegati durante la loro durata operativa. Con le schede FPC, lasciare il connettore SMT ad angolo retto significherà ridurre questi problemi di spazio di connessione. - A quale raggio di curvatura è probabile che sia sottoposto il cablaggio?
Di norma è accettabile un raggio di curvatura da 6 a 10 volte lo spessore dell’isolamento del cavo. Grazie alla sua struttura molto più sottile, una soluzione FPC è in grado di gestire curve molto più accentuate rispetto ai cablaggi discreti. Va osservato, tuttavia, che ciò vale solo in una direzione (lungo la lunghezza del cavo). Facciamo un altro esempio: nello specifico, consideriamo un braccio robotico con più giunti assiali che consentono di compiere movimenti complessi. Per casi d’uso di questo tipo, un assemblaggio a discreti basato su cavi in grado di ruotare e snodarsi può essere un’opzione migliore.
Figura 1: Illustrazione del raggio di curvatura di un cavo
- La curvatura sarà mantenuta costantemente o il cablaggio dovrà sopportare flessioni dinamiche nel corso della sua vita operativa?
Se si prevede che il cablaggio debba subire molti cicli di piegatura, è probabile che la resistenza di una scheda FPC si distingua da altre forme di cablaggio, mentre i materiali nei cablaggi discreti diventeranno più fragili se sottoposti a ripetuti movimenti di piegatura. - Dove sarà posizionato esattamente il cablaggio rispetto al sistema?
Questo è un aspetto importante da considerare perché le schede FPC presentano una protezione esterna più sottile e sono quindi molto esposte. Idealmente, esse dovrebbero trovarsi all’interno di un alloggiamento per garantire il funzionamento continuo. Per contro, le soluzioni a cavi discreti avranno un rivestimento polimerico più spesso attorno ai cavi che li protegge meglio da potenziali fonti di danneggiamento. Pertanto, sarebbe necessario utilizzare tali soluzioni per il cablaggio se ci si trova all’esterno di un elemento dell’apparecchiatura. In tal caso, è anche più facile proteggere i fasci di cavi con gli accessori per la gestione dei cavi. Ciò aiuta a prevenire vibrazioni indesiderate e l’usura rispetto ad altri componenti e alla struttura esterna. Questo approccio agevola, inoltre, il posizionamento di una protezione aggiuntiva attorno ai fasci di cavi. - Quali materiali occorre scegliere?
Connettori, cavi, schede FPC e accessori sono tutti disponibili in una varietà di materiali diversi. Stabilendo fin dall’inizio quali saranno i requisiti di temperatura, e verificando in seguito che tutti i materiali costitutivi del cavo prescelto o della connessione FPC supportino tali parametri, è possibile evitare problemi in futuro. Durante la scelta dei materiali, occorre considerare anche gli effetti delle interferenze elettromagnetiche o a radiofrequenza. Interfacciandovi direttamente con il fornitore, potete verificare che il vostro prodotto finale sia adatto a tutti i fattori in gioco. Se il vostro ambiente è troppo aggressivo, probabilmente occorrerà adottare dei metodi di protezione. Potrebbe essere necessaria una calza esterna sul fascio di cavi per contrastare le interferenze elettromagnetiche; tuttavia, le connessioni flessibili potrebbero rivelarsi in questo caso un’opzione migliore, essendo meno soggette alle emissioni elettromagnetiche. Potrebbero essere richiesti dei test per confermare quali sono le migliori opzioni per una determinata applicazione.
- Quali altri fattori dovrebbero essere considerati?
In presenza di hardware satellitare, è essenziale prestare attenzione alle proprietà di degassamento del sistema in quanto, altrimenti, potrebbero essere rilasciate sostanze nel vuoto spaziale che potrebbero impattare sul funzionamento dei circuiti elettronici critici. Se esiste la possibilità di contaminazione da oli, carburanti e altre sostanze chimiche o di crescita di funghi, sarà necessario adottare misure precauzionali.
Figura 2: Esempio di assemblaggio con cavi discreti di Harwin
Per completare il portafoglio esistente di assemblaggi con cavi discreti, Harwin offre ora i connettori Hi-Rel con schede FPC collegate. Disponibili sia per i prodotti Datamate J-Tek (con passo da 2 mm) che Gecko (con passo da 1,25 mm), queste opzioni FPC sono particolarmente adatte per i progetti di sistemi con vincoli di spazio. Il loro basso profilo consente di impilare le schede molto più vicine l’una all’altra. Inoltre, grazie all’uso di connettori ad angolo retto, sarà più facile accedere all’intero cablaggio, potendo posizionare le terminazioni sul bordo della scheda piuttosto che più vicino al centro.
Le schede FPC utilizzate in questi assemblaggi sono provviste di una base in poliimmide rivestita di rame con uno strato incollato. L’area rigida situata all’estremità libera è progettata per essere compatibile con vari tipi di connettori FPC (ZIF e LIF).
Figura 3: Cavi assemblati FPC di Harwin per le linee di prodotti Datamate e Gecko
I cavi assemblati FPC di Harwin presentano un passo di 0,5mm e una corrente nominale di 0,4A per i prodotti Gecko, o un passo di 1mm e una corrente nominale di 1A per traccia per la linea Datamate. Essi possono supportare un’ampia gamma di temperature operative, in linea con le specifiche dei connettori. A completamento della gamma di esempi esistente, c’è spazio per fornire altri progetti basati su cavi assemblati FPC (con diverse dimensioni e lunghezze), al fine di soddisfare le esigenze specifiche dei clienti.
Una gamma completa di opzioni diverse di cablaggi discreti standard è disponibile direttamente da magazzino. Dotate di isolamento in PTFE, esse sono pienamente conformi allo standard di cablaggio IPC WHMA-A-620, valido a livello internazionale. Sono disponibili in varie lunghezze di cavo, con una scelta di disposizioni a singola o doppia estremità. Oltre a ciò, è anche possibile reperire assemblaggi su misura in grado di soddisfare esattamente le esigenze specifiche dei clienti. Non sono presenti particolari vincoli sulle quantità minime d’ordine, il che significa che tali assiemi possono essere forniti per lavori di sviluppo e prototipazione.
È chiaro che in ambienti in cui lo spazio disponibile è limitato o in cui il peso complessivo del sistema deve essere mantenuto il più basso possibile, le schede FPC e il cablaggio discreto si riveleranno essere vantaggiosi. Ognuno di essi presenta rispettivamente vantaggi rispetto all’altro in determinate aree applicative. La scelta della soluzione da utilizzare sarà dettata dalle circostanze specifiche presenti e dovreste assicurarvi di ricevere consigli in grado di aiutarvi ad effettuare la scelta giusta.
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