Comment tirer parti des avantages des connecteurs fil-à-carte dans les conceptions ultracompactes

Les connexions câblées composées de fils insérés dans un logement de prise à brancher à une embase montée sur carte sont populaires. Elles offrent une solution simple, robuste et économique pour acheminer l'alimentation et les communications entre des cartes à circuit imprimé individuelles dans des produits utilisés pour les applications automobiles, industrielles, d'éclairage et de télécommunications.

Cependant, ces connexions fil-à-carte présentent quelques inconvénients. Par exemple, les connecteurs traditionnels sont encombrants et épais, ce qui les rend inadaptés aux conceptions compactes. De plus, l'assemblage du connecteur et du câble peut être délicat, ce qui ralentit les processus de production de masse.

Le lancement de connecteurs ultracompacts avec des profils de seulement 1,4 millimètre (mm), conçus pour être compatibles avec un montage en surface automatisé et une construction de câbles simplifiée, résout désormais ce problème. Bien que ces connecteurs soient miniatures, ils répondent aux exigences d'intégrité mécanique et électrique d'une liaison filaire fiable, avec des fonctionnalités comme des contacts plaqués or, des capacités de réduction de tension et des mécanismes de verrouillage qui permettent une déconnexion simple en cas de besoin.

Cet article explore brièvement les avantages des connexions câblées avant de montrer comment une nouvelle génération de connecteurs compacts permet de tirer parti de ces avantages dans les produits électroniques. L'article étudie ensuite l'anatomie de ces connecteurs à l'aide d'exemples de Molex pour montrer comment, malgré leur format miniature, ces connecteurs offrent une liaison de signaux haute intégrité et en quoi les fonctionnalités des connecteurs et des câbles associés se prêtent à un assemblage à haut volume.

Des connexions câblées de plus en plus compactes

Les connecteurs et les câbles promettent une solution simple, fiable et peu coûteuse pour le transfert d'énergie et de signaux entre plusieurs cartes à circuit imprimé logées à l'intérieur d'un même produit. Cependant, pour tenir cette promesse, ces connexions doivent être suffisamment robustes pour garantir de hautes performances d'intégrité des signaux, même lorsqu'elles sont exposées à des vibrations, à la poussière et à la chaleur. Le fabricant de connecteurs Molex propose une solution éprouvée. Il a développé un système constitué de bornes de prise, de logements de prise et d'embases (Figure 1).

Figure 1 : Un système fil-à-carte fournit une solution de connectivité simple, robuste et haute intégrité. (Source de l'image : Molex)

Une illustration du système fil-à-carte de Molex est présentée à la Figure 2.

Figure 2 : Le système fil-à-carte de Molex inclut un fil, une borne de prise qui se branche dans le logement de prise, et une embase qui se raccorde au logement. (Source de l'image : Molex)

Les systèmes traditionnels de ce type, comme le système fil-à-carte Mini-Lock de Molex, utilisent un pas de 2,5 mm pour l'espacement des broches du connecteur. Même si ces systèmes fonctionnent bien, le pas relativement large a tendance à entraîner des dimensions globales de la prise et des embases assez grandes. Par exemple, l'embase à 6 positions 0534260610 montée sur carte mesure 17,4 mm de largeur x 11,5 mm de profondeur x 6,7 mm de hauteur (pour un volume de 1340 mm³). Le logement de prise de raccordement (0511020600) mesure 15,5 mm de largeur x 9,5 mm de profondeur x 5,8 mm de hauteur (pour un volume de 850 mm³).

Récemment, Molex a lancé des systèmes fil-à-carte avec des pas plus étroits. Ces produits incluent les systèmes Pico-Lock de 1,5 mm (5040500691) et 1,0 mm (5037630691) à tenue en courant de 2 ampères (A), et le système Pico-EZmate de 1,2 mm (0781715006). Les broches à pas plus étroit réduisent considérablement les dimensions globales du connecteur (Tableau 1).

Tableau 1 : Dimensions des embases à six positions des séries Mini-Lock (0534260610), Pico-Lock (5040500691 et 5037630691) et Pico-EZmate (0781715006). (Source du tableau : Digi-Key Electronics)

Étant donné que les systèmes de connecteurs occupent peu d'espace carte et présentent un profil extra-plat (Figure 3), les ingénieurs peuvent bénéficier d'une connectivité fil-à-carte fiable et économique dans des produits qui étaient auparavant trop petits pour accueillir cette technologie.

Figure 3 : L'embase Pico-Lock montée en surface présente une épaisseur de 1,5 mm, ce qui permet de l'utiliser dans des produits finis compacts. (Source de l'image : Molex)

Éléments clés des connecteurs fil-à-carte

La borne de prise est un élément clé de la simplicité du système de connecteurs de Molex. Il s'agit du composant qui est d'abord serti à l'extrémité du fil, puis inséré dans le logement de prise. Molex propose diverses bornes de prise, notamment le modèle plaqué or (5040520098) pour une utilisation avec des fils de 24-28 AWG et les connecteurs Pico-Lock, et le modèle 0781720411 pour une utilisation avec des fils de 28-30 AWG et le système Pico-EZmate. Les connexions serties sont réalisées avec des outils à main comme la pince à sertir 0638275700 ou des systèmes de sertissage automatisés.

Une connexion formée avec une borne de prise sertie (Figure 4) est constituée de plusieurs parties clés, comme suit :

• Évasement : il s'agit de l'arrondi formé sur le bord du sertissage conducteur qui agit comme un entonnoir pour les fils. Il est important, car il réduit les risques qu'un bord tranchant au niveau de la borne de prise coupe ou entaille un fil.
• Sertissage conducteur : il s'agit de l'élément le plus important de la connexion, formé par la compression mécanique de la borne autour du conducteur du fil, ce qui crée un trajet électrique commun avec une faible résistance et des courants admissibles élevés sans avoir besoin d'opération de soudage supplémentaire.
• Brosse : cela fait référence aux fils qui s'étendent au-delà du sertissage du côté contact de la borne (mais n'empiètent pas dans la zone de raccordement de la connexion sertie). Cette extension est importante, car elle garantit que la compression mécanique exercée lors du processus de sertissage est appliquée sur la surface maximum des conducteurs du fil.
• Sertissage d'isolant : il s'agit de la partie de la borne qui fournit un support de fil pour l'insertion dans le logement et pour la réduction de tension. Il doit maintenir le fil aussi fermement que possible sans couper les conducteurs.

Figure 4 : Composants d'une connexion sertie formée avec des bornes de prise et des outils de Molex. (Source de l'image : Molex)

Une connexion sertie bien effectuée présente les caractéristiques suivantes (Figure 5) :

• Un sertissage d'isolant qui comprime l'isolant sans le percer
• Une brosse de conducteurs qui dépasse à l'avant de la section du sertissage conducteur d'au moins le diamètre du conducteur du fil
• Un isolant et un conducteur visibles dans la zone entre l'isolant et la section de sertissage conducteur
• Une section de sertissage conducteur qui présente un évasement aux extrémités d'amorce et de fin
• Des sections de transition et de raccordement non affectées par le processus de sertissage

Figure 5 : Les caractéristiques d'une connexion sertie bien effectuée incluent un sertissage d'isolant qui comprime l'isolant sans le percer et un évasement visible. (Source de l'image : Molex)

La mesure de la hauteur de sertissage est un moyen rapide et non destructif de vérifier la compression mécanique du sertissage autour du conducteur du fil. La hauteur de sertissage est définie comme la distance mesurée entre le haut du sertissage formé et la surface radiale inférieure. Les extrusions (petits évasements) constituent une autre indication visuelle de la qualité du sertissage. Elles se forment au bas du sertissage conducteur en raison du jeu entre le poinçon et l'enclume. Si l'enclume est usée ou si la borne est trop sertie, il en résulte une extrusion excessive. Une extrusion inégale peut également se produire si le poinçon et l'enclume sont mal alignés ou si l'apport en matière n'est pas bien ajusté.

Il est également important que la borne de prise sertie soit mécaniquement alignée après l'assemblage. Un désalignement de la section sertie et de la section de raccordement par torsion ou flexion rendra impossible l'insertion du connecteur femelle dans l'embase du connecteur.

Une fois formées avec succès, les bornes de prise serties sont insérées dans le logement de prise. Si la borne de prise sertie est alignée mécaniquement, cela ne doit pas être difficile, mais il est important de s'assurer que la borne s'enclenche correctement dans l'embase. Les logements incluent généralement des mécanismes de verrouillage pour empêcher les bornes de se déconnecter une fois clipsées en place si les fils associés sont soumis à des tensions. Par exemple, le logement de prise à 6 positions 5037640601 de Molex pour les bornes de la série Pico-Lock comporte un ergot moulé sur le logement qui s'enclenche avec un ergot métallique sur la borne de prise et empêche le retrait de la prise hors du logement (Figure 6).

Figure 6 : Dans la série Pico-Lock de Molex, un ergot sur la borne de prise se raccorde à un ergot moulé sur le logement de prise pour maintenir la prise bien en place. (Source de l'image : Molex)

Une fois que les bornes de prise ont été insérées dans le logement de prise, l'assemblage de câbles peut être inséré dans l'embase montée sur carte. Encore une fois, la conception du système de connecteurs rend cela relativement simple, à condition que le logement et l'embase soient mécaniquement alignés (ce qui nécessite une grande minutie, car les connecteurs sont très petits). De la même manière que les bornes de prise sont verrouillées dans le logement de prise pour éviter leur déconnexion, le logement et les embases incluent également des mécanismes pour garantir que l'embase ne puisse pas facilement se déconnecter une fois insérée. Par exemple, les logements de prise à 6 positions pour la série Pico-Lock incluent un système de verrouillage à friction et deux systèmes d'autoverrouillage qui s'enclenchent une fois que le logement est inséré dans l'embase (Figure 7).

Figure 7 : Les embases Pico-Lock incluent un système de verrouillage à friction et deux systèmes d'autoverrouillage pour assurer un enclenchement robuste. (Source de l'image : Molex)

Conception pour l'assemblage automatisé

Les systèmes fil-à-carte peuvent s'avérer être un défi pour les fabricants de produits à haut volume, car les embases traditionnelles présentent des profils peu pratiques et utilisent généralement des connexions traversantes pour être montées sur la carte à circuit imprimé. (Le Mini-Lock 0534260610 de Molex, par exemple, dispose de la technologie à trou traversant.) De telles fonctionnalités rendent impossible l'utilisation d'équipements de placement automatisé pour assembler le connecteur sur la carte, ce qui contraint les fabricants à ajouter un processus manuel à la ligne d'assemblage, un ajout qui ralentit la production.

Pour surmonter cela, les embases Pico-EZmate et Pico-Lock de Molex (montées sur carte) ont été conçues pour un montage en surface. Les dispositifs comportent des pastilles de soudure au lieu de connexions traversantes et sont conçus pour être contenus directement dans les bobines utilisées par les machines de placement automatisé. De plus, les embases présentent des surfaces planes pour faciliter la prise par les buses d'aspiration de la machine de placement (Figures 8, 9 et 10).

Figure 8 : Les connecteurs Pico-Lock et Pico-EZmate de Molex sont conçus pour un montage en surface. Voici la disposition des pastilles de soudure pour une embase Pico-Lock. (Source de l'image : Molex)

Figure 9 : Les connecteurs Pico-Lock et Pico-EZmate de Molex peuvent être fournis en bobines adaptées aux machines de placement automatisé. Voici le conditionnement en bobine pour l'embase Pico-Lock. (Source de l'image : Molex)

Figure 10 : Les connecteurs Pico-Lock et Pico-EZmate de Molex présentent de grandes surfaces planes pour les outils de prise par aspiration de la machine de placement automatisé. Voici la surface de prise de l'embase Pico-Lock. La surface « A » mesure 9,8 mm pour l'embase à 6 positions. (Source de l'image : Molex)

Conclusion

Les systèmes de connecteurs fil-à-carte offrent une méthode éprouvée et peu coûteuse pour acheminer l'alimentation et les signaux entre les cartes à circuit imprimé dans les produits automobiles, industriels, d'éclairage et de télécommunications. Cependant, les dimensions relativement volumineuses des conceptions classiques empêchent leur utilisation dans des produits finis plus compacts.

Une nouvelle génération de systèmes fil-à-carte compacts permet désormais aux ingénieurs d'étendre les avantages de ces produits à des unités beaucoup plus petites. Si les produits sont assemblés selon les spécifications du fabricant, ces systèmes de connecteurs offrent un fonctionnement fiable à long terme et peuvent acheminer des courants jusqu'à 2 A, même pour les connecteurs avec les pas de broches les plus fins.

Mieux encore, les embases montées sur carte qui font partie de ces systèmes ont été conçues pour être utilisées avec les machines de placement automatisé courantes dans les environnements d'assemblage à haut volume.