¿Cuál es el mecanismo de degradación del conector? (I)

Los mecanismos de degradación de los conectores son muy importantes para su rendimiento y fundamentales para garantizar el rendimiento de los productos relacionados. ¿Cuáles son los mecanismos de degradación? ¿Qué factores contribuyen al fallo de los conectores? Seguiremos explorando esta cuestión. Los conectores se utilizan para establecer una conexión entre dos sistemas separados. La separación es necesaria por varias razones, desde la facilidad de fabricación hasta la mejora del rendimiento. Sin embargo, cuando se emparejan, los conectores no deben añadir valores de resistencia innecesarios entre los sistemas. Añadir valores de resistencia puede provocar fallos en el sistema al distorsionar la señal o perder potencia. Los mecanismos de degradación de los conectores son importantes porque son una fuente potencial de aumento de la resistencia y, por tanto, provocan fallos funcionales con el paso del tiempo. Empecemos con un breve repaso de la resistencia de los conectores. La figura 1 ilustra una sección transversal de un conector de señal de uso general. Las ecuaciones de la figura 1 representan las distintas fuentes de resistencia dentro del conector. ro es la resistencia global del conector y es la resistencia entre los puntos extremos de la cola del conductor y los puntos de soldadura de la pata del conector de PCB. Las dos resistencias de conexión permanente, Rp.c, son las resistencias entre los puntos de conexión de crimpado y las ubicaciones de las patillas correspondientes. Del mismo modo, las dos resistencias de cuerpo (Rbulk) son la resistencia de cuerpo de contacto trasero y la resistencia de cuerpo en paralelo entre los dos postes del conector; también hay una resistencia de contacto en la interfaz o lugar separable Rc. La resistencia global del conector es la suma de las resistencias de conexión invariables individuales, las resistencias de cuerpo de conexión de contacto trasero y cavidad, y la resistencia de contacto en el lugar separable, ya que todas estas resistencias están conectadas en serie.

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Por el bien de esta discusión, supongamos que la resistencia total medida Ro es de 15 miliohmios. Con esta suposición en mente, vamos a especular sobre los efectos relativos de la resistencia de conexión permanente, la resistencia del cuerpo y la resistencia de contacto en el punto separable sobre la resistencia total del conector. En este ejemplo, estos valores son los típicos de un conector de carcasa blanda, y la resistencia del cuerpo representará la mayor parte de la resistencia total, que se aproxima a los 14 miliohmios. La resistencia de la conexión permanente es de unos cientos de microohmios, y el resto es la resistencia de contacto en los puntos separables. Aunque la resistencia del cuerpo de los contactos del conector es la que más contribuye a la resistencia del conector, también es la más estable. La resistencia del cuerpo de un solo contacto viene determinada por el material del que está hecho el contacto y su geometría general. En este sencillo ejemplo, consideremos la resistencia a lo largo del conductor, que puede calcularse mediante: Rcond. = r l/a. En esta ecuación, r es la resistividad del conductor (que también puede ser el material del muelle del conector), "l" es la longitud del conductor, y "a "es la sección transversal del conductor (o la geometría del muelle en el conector). Para un material determinado, por ejemplo, bronce fosforoso y geometría de contacto, estos parámetros son constantes y, por lo tanto, la resistencia global del conector es constante. La resistencia de la conexión permanente y la resistencia de la interfaz o conexión separable son variables. Estas resistencias son susceptibles a diversos mecanismos de degradación, que se analizarán más adelante en el artículo. Es importante tener en cuenta que los conectores se ven afectados por muchos factores, como entornos adversos, calor, vida útil, vibraciones, etc. Y aunque la resistencia total del conector puede cambiar de 15 miliohmios a, por ejemplo, 100 miliohmios, el cambio de resistencia se produce principalmente en las resistencias de conexión separables y permanentes. La resistencia de la interfaz separable es la más susceptible a la degradación debido a las fuerzas y deformaciones que se producen en el punto separable. En pocas palabras, las dos principales interfaces separables requieren una cierta cantidad de fuerza y deformación. La fuerza de mordida del conector es el primer requisito y el más obvio. En el caso de los conectores con un elevado número de PIN, la fuerza de mordida de los PIN individuales debe controlarse, y la fuerza normal de contacto es uno de los principales parámetros sujetos a este requisito. Por ejemplo, la fuerza de contacto para una conexión separable es del orden de decenas a cientos de gramos, mientras que para una conexión crimpada aislada, o IDC, la fuerza es del orden de varios kilogramos, con la correspondiente fuerza presionada en la conexión. Esta elevada fuerza en una conexión permanente proporciona una mayor estabilidad mecánica y valores de resistencia más bajos que en una conexión separable. Del mismo modo, una mayor fuerza en una conexión permanente permite una mayor deformación de las superficies de contacto en comparación con una conexión separable. Las conexiones crimpadas son el ejemplo más obvio de ello, por ejemplo, la importante deformación de los terminales crimpados, así como la importante deformación de los conductores individuales. Tanto la fuerza de la conexión crimpada como los correspondientes pies PIN permiten una mayor deformación de la superficie de contacto. Al igual que ocurre con las fuerzas superiores, la mayor deformación de la superficie de las conexiones permanentes reduce su resistencia en comparación con la resistencia del contacto separable. La deformación de las superficies de conexión separables también está limitada por otro requisito de la interfaz separable: la durabilidad del acoplamiento. Una elevada deformación de la superficie suele provocar un gran desgaste de la misma, lo que a su vez puede provocar una pérdida de los recubrimientos de contacto, por ejemplo, oro o estaño en las superficies de contacto. Esta pérdida de recubrimiento aumentará la susceptibilidad a la corrosión de las superficies de contacto, que se tratará en un artículo posterior. La combinación de la fuerza oclusal y la durabilidad oclusal de las interfaces separables limita la deformación y la estabilidad mecánica de las interfaces separables y explica la menor estabilidad eléctrica de las interfaces separables en comparación con las conexiones permanentes. En general, cuanto mayor es el área de contacto entre dos superficies, menor es la resistencia de la interfaz. De hecho, para la resistencia de una longitud de conductor, el área de contacto entre dos superficies es análoga a la ecuación Rcond. = r l/a. Dado que el área de contacto de las conexiones separables es menor que la de las conexiones permanentes, tienen una resistencia mayor. En resumen, la fuerza reducida de las conexiones separables conduce a una menor estabilidad mecánica y el área de contacto reducida conduce a una mayor resistencia en comparación con las conexiones permanentes. Estas cuestiones, es decir, la fuerza de contacto reducida y el área de contacto reducida, afectan directamente a la susceptibilidad a la degradación de las interfaces de contacto separables. La figura 2 muestra un esquema ampliado de una interfaz de contacto separable. La representación de la figura ilustra que, a escala microscópica de dicha interfaz de contacto, todas las superficies son rugosas. Esto significa que la propia interfaz de contacto consistirá en una distribución de puntos de contacto denominados puntos a u hoyuelos, en lugar de un contacto regional completo. Esta estructura rugosa es la responsable del aumento de la resistencia de la interfaz de contacto. La reducción del área de contacto, incluida la distribución de puntos a sobre un área geométrica, depende de la geometría de la superficie de contacto. Un tipo de resistencia conocida como resistencia a la contracción surge como resultado de la corriente que se aprieta para fluir a través de un único punto a. Aumentar el área de contacto por diversos medios puede reducir la resistencia a la contracción, pero no puede eliminarse. Por lo tanto, los conectores siempre añadirán algún valor de resistencia al sistema eléctrico. Desde esta perspectiva, el objetivo principal del diseño de conectores es controlar la magnitud y la estabilidad de la resistencia.

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Como ya se ha mencionado, la magnitud de la resistencia interfacial depende del área de contacto creada cuando los contactos de la clavija y el enchufe entran en contacto entre sí. Hay dos factores principales que afectan a la estabilidad de la resistencia de contacto: la perturbación de la interfaz de contacto y la corrosión en el punto a. Más adelante se analizará cómo afectan estos factores a los mecanismos de degradación de los conectores. En resumen, estos mecanismos incluyen: 1 , la corrosión se produce en y alrededor de la interfaz de contacto, reduciendo así el área de contacto. Hay dos mecanismos de corrosión: la corrosión superficial, que afecta directamente al área de contacto; la inducida o micromovimiento, que puede aumentar la sensibilidad de la interfaz de contacto a la corrosión. 2, pérdida de la integridad del chapado del contacto debido a un chapado inadecuado o al desgaste del chapado, que aumenta la sensibilidad a la corrosión. La mayoría de los contactos de los conectores están chapados con una capa superficial de un metal precioso, como el oro; o una superficie chapada lisa, normalmente estaño. Uno de los principales objetivos de estos chapados es proteger el sustrato del contacto (normalmente una aleación de cobre) de la corrosión. La susceptibilidad a la corrosión de los metales preciosos y no preciosos es diferente y se tratará por separado más adelante.3, pérdida de fuerza de contacto, lo que provoca una reducción de la estabilidad mecánica y de la susceptibilidad de la interfaz de contacto al micromovimiento. Los principales mecanismos que conducen a la reducción de la fuerza de contacto en los conectores son la tensión de contacto excesiva y la relajación de tensiones. La relajación de tensiones es la pérdida de fuerza de contacto a lo largo del tiempo debido al tiempo/temperatura .

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