בחרו את המחברים הנכונים כדי לעמוד בדרישות חשמליות ומכניות מחמירות עבור צבא/תעופה

הדרישות המוטלות על מחברים וחיברורים עבור יישומי צבא ותעופה-וחלל, כולל אוויוניקה, כלי טיס בלתי מאוישים (UAVs), מטוסים, מכ"ם ולוויינים, מחמירות בהרבה מאלה עבור יישומים לצרכנים, רפואה ותעשייה. מחברי צבא/תעופה אלה נתונים למגוון רחב של מאמצים חשמליים, מכניים וסביבתיים העלולים לפגוע או אף לגרום נזק להתקנים קונבנציונליים, אך עליהם להמשיך לעמוד במפרטי הביצועים הנומינליים שלהם.

חיברור באמינות גבוהה עבור יישומי צבא/תעופה אינו רק מגע או סט מגעים הנתונים בתוך מארז סגור חסון. הגוף, האטמים, כוחות המגע וחומרי המגעים חייבים לתפקד כמערכת משולבת כדי להבטיח ביצועים בתנאים שהוגדרו.

מאמר זה בוחן את האתגרים העומדים בפני מתכננים בעת בחירה ושימוש בחיבורים עבור יישומי צבא/תעופה. לאחר מכן, הוא מציג שלוש דוגמאות של Molex‏ ומראה כיצד הם מתמודדים עם אתגרים אלה.

הדרישות עבור מחברים חסונים

מחבר חסון הוא מחבר העומד בעקביות במפרטים תחת מאמצים מכניים, סביבתיים ותרמיים קיצוניים.מאמצים אלה משתנים בהתאם לסביבת הפעולה, אך יש ביניהם גם חפיפה ניכרת. לדוגמה:

• מחברים במערכות צבאיות יבשתיות חייבים לעמוד בפני רעידות חזקות, הצטברויות עבות של לכלוך (אבק, חול, חצץ) וחום וקור קיצוניים.
• מחברים ימיים ומים-עמוקים חייבים לעמוד בחשיפה ממושכת למי מלח קורוזיביים וללחץ ריסוק.
• מחברי תעופה-וחלל חייבים לעמוד בהמראות ונחיתות חוזרות ונשנות, רעידות בטיסה ותחומי טמפרטורות רחבים.
• מחברים עבור החלל חווים תנודות טמפרטורה קיצוניות יותר, חשיפה לוואקום, פליטת גזים ומאמצים מכניים עוצמתיים במהלך השיגור והכניסה חזרה לאטמוספירה.

עמידה במפרטים הנדרשים כרוכה בהבנה של מספר גורמים פיזיקליים בסיסיים, כולל:

• רעידות: מחברים ברכבים צבאיים או מטוסי קרב נבדקים ועומדים בעומס של עד g‏ 20‏.
• זעזועים: כוח הולם חזק זה במהלך תאוצה או האטה מהירה שונה במובהק מרעידות. הם יכולים להגיע עד g‏ 50‏ עבור מחברים סטנדרטיים ו-g‏ 100‏ עבור תכני ננו ומיקרו; קיים אפילו תקן עבור אירועי פירו-זעזועים (רעידות מבניות לזמן-קצר בעוצמה גבוהה ובתדר גבוה הנגרמות בפיצוץ מטעני נפץ, כגון הפרדת שלבים ברקטות או פרישת מטען טילים).
• טמפרטורות קיצוניות: מערכת קרקעית עשויה להתמודד עם טמפרטורות בתחום מ-C‏ִ°‏65‏- עד C‏ִ°‏125‏+, בעוד שמערכות חלל יכולות להגיע עד C‏ִ°‏200‏+. מחזוריות תרמית גורמת לחומרים להתרחב ולהתכווץ, מה שעלול להחליש אותם ולהשפיע על המוליכות. בנוסף, הבדלים במקדם ההתפשטות התרמית (CTE) בין חומרים בתוך המחבר יכולים לגרום למאמץ מכני בממשקי החומר, מה שעלול להוביל לסטיות יישור או כשל לאורך זמן.
• חשיפה למזהמים: כדי להבטיח פעולה אמינה לטווח ארוך, יש להגן על המחברים מפני רטיבות, אבק ומזהמים אחרים באמצעות פתרונות איטום כגון טבעות O, אטמים וחבקים (Grommets‏).
• קורוזיה: זוהי בעיה מתמשכת הנגרמת מגורמים כמו תרסיסי מלח וחמצון. יש לבחור וליישם בצורה נכונה את חומרי המחברים כדי למנוע מתופעות אלה לפגוע בתקינות המחברים.

מהי אמינות?

במילים פשוטות, אמינות ארוכת טווח פירושה שמירה על ביצועים עקביים למרות שימוש חוזר, חשיפה סביבתית ומאמצים מכניים. ביצועים אלה נקבעים לא רק על ידי השימוש הראשון במחבר, אלא גם על ידי היכולת לעמוד במחזורי חיבור/ניתוק חוזרים ונשנים ולתפקד כראוי. מחברים רבים, במיוחד מחברי כניסה/יציאה (I/O), עוברים מאות, או אפילו אלפי, מחזורי חיבור/ניתוק.

ישנם שני היבטים שלובים זה בזה לתכן עמיד ומוצלח: המגעים עצמם והמארז (גוף) המחזיק אותם במקומם (איור 1).

איור 1: חומרי המגע, גיאומטריה וציפויים הם גורמים חיוניים בתכנון מחברים עמידים. (מקור התמונה: Molex)

התכן של משטחי המגעים הוא קריטי להבטחת שמירה על כוח תחיבה נמוך של המחברים תוך מתן חיבורים אמינים. עיבוד שבבי מדויק של גיאומטריות המגעים מפחית בלאי בחיבור, בעוד שציפוי זהב (Au) על משטחי המגעים מונע חמצון. ציפוי הזהב הוא בדרך כלל בעובי של 50 מיקרו-אינץ' (µin‏) והוא מיושם על ציפוי תחתון של ניקל (Ni), המשפר את הידבקות הציפוי ועוד יותר את העמידות בפני קורוזיה. 

ציפויים אלה מיושמים על גבי חומר הבסיס של סגסוגת נחושת (Cu) של המגעים. השילוב של ציפוי זהב וציפוי ניקל בסיסי הוא חיוני עבור אמינות ארוכת טווח ביישומי תעופה-וחלל והגנה-וביטחון. נחושת בריליום (BeCu) משמשת באופן נרחב כחומר בסיס בשל יחס חוזק-משקל מצוין ועמידות יוצאת-דופן מפני עייפות. היא מתאימה במיוחד עבור מגעי קפיץ, שבהם גמישות ועמידות לטווח ארוך תחת מאמצים הן חיוניות.

ברונזה זרחנית (CuSnP) היא חלופה מתאימה עבור מגעים לא-קפיציים, ומציעה איזון בין חוזק לבין מוליכות. היא חסינת-קורוזיה, בעלת תכונות קפיץ מתונות, ומשמשת לעתים עבור מחברים קומפקטיים עם פסיעה עדינה הדורשים גמישות מסוימת אך אינם נתונים לכיפוף מתמשך.

תכנון מחברים עמידים דורש שיקול דעת מדוקדק של מספר גורמים (איור 2):

• שמירה על כוח רגיל היא קריטית עבור אמינות. חומר קפיץ עם ביצועים עיליים שומר על לחץ ועמידות מגעים.
• כוח מגע חזק יותר מפחית פערי אוויר, מוריד התנגדות ומשפר את תקינות האותות. גיאומטריה אופטימלית מפזרת לחץ עבור מוליכות יציבה.
• חיבור המגעים הוא החפיפה הצירית בין הפין לסוקט, אשר מאזנת כוח, רציפות ויציבות מכנית.

איור 2: שמירה על כוח נורמלי היא קריטית עבור אמינות (למעלה), בעוד שכוח מגע חזק יותר מפחית פערי אוויר (למטה), ובכך מוריד את ההתנגדות ומשפר את תקינות האותות. (מקור התמונה: Molex)

ברמה המיקרוסקופית, אזור המגע של החיבור אינו רק מפגש של שני משטחים חלקים ושטוחים. במקום זאת, הממשק הוא בעל חספוס מיקרוסקופי, שיאים ואי-סדרים בנקודות בהן נוצר או נשבר מגע אוהמי. הפעלת כוח רב יותר משטחת חספוס זה, ובכך משפרת את ההולכה, מפחיתה את ההתנגדות ומבטיחה ביצועים עקביים. עם זאת, כוח מוגבר משפיע גם על כוחות חיבור וניתוק כמו גם על שחיקה של משטחי המגעים.

מערכת מגעים מהונדסת היטב מאזנת בין אורך החיבור לבין הכוח הנורמלי כדי למנוע חיבורים חלשים, בלאי חריג ומאמץ מכני. אם כוח המגע נמוך מדי, ההתנגדות החשמלית עולה, מה שגורם לאי-יציבות של האות. לעומת זאת, כוח רב מדי מאיץ את שחיקת הציפוי ומוביל לעייפות מוקדמת של מבנה המגעים.

בניגוד למחברים מסחריים עם נקודת מגע אחת או אולי שתיים, מחברים מחוזקים-לעמידות משלבים מערכות מגעים רבי-נקודות כדי לפזר עומסים מכניים מרעידות או זעזועים (איור 3). מערכות מגעים אלו מונעות קשת חשמלית או הפסדי אות הנגרמים ממיקרו-תנועות ומעניקות נתיבי מגע יתירים עבור מערכות קריטיות.

איור 3: תכנים של מגעים רבי-נקודות משפרים את היציבות ואת תקינות האותות. (מקור התמונה: Molex)

מערכת המגעים עשויה לכלול גם אלמנטים קפיציים כדי לשמור על כוח מגע עקבי לאורך זמן. מגעים קפיציים אלה מקזזים שינויים קלים ביישור המגעים תוך הבטחת מוליכות אמינה לאורך מחזורי חיבור חוזרים. עם זאת, כוח מופרז עלול לגרום לבלאי רב מדי של ציפוי המגעים.

מעבר למגעים: בתי מחבר ומארזים סגורים

בעוד שביצועי המחברים העמידים מתחילים במגעים, בתי המחבר עושות יותר מאשר רק עוטפות מגעים חשמליים פנימיים: הן גם מגנים עליהם מפני מאמצים מכניים, טמפרטורות קיצוניות, אלמנטים קורוזיביים וחדירת רטיבות, והכל תוך שמירה על איזון בין עמידות לבין משקל. למתכננים עומדות מספר אפשרויות בחירה עבור חומרי הבית:

• פולימרים תרמופלסטיים כגון פוליאתר אתר קטון (PEEK), פוליפנילן סולפיד (PPS) ופוליאתרימיד (PEI) מעניקים חוזק מכני מעולה, עמידות תרמית ויציבות כימית. חומרים אלה סופגים ביעילות רעידות וזעזועים במבנים קלי-משקל.
• חומרים מרוכבים כגון פולימרים מחוזקים בפיברגלס וחומרים מרוכבים מסיבי פחמן מציעים יחס חוזק-משקל מצוין. ניתן לתכנן אותם כדי למטב תכונות ספציפיות כגון חוזק מתיחה, חסינות לפגיעות או יציבות תרמית.
• סגסוגות פלב"ם ואלומיניום הם חומרים מועדפים עבור בתי מחבר הודות לעוצמת זעזועים, רעידות והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) גבוהות ביישומי תעופה-וחלל והגנה-וביטחון.

בתי מחבר מפלב"ם מציעים עמידות בפני קורוזיה וחוזק מכני יוצאי-דופן, ההופכים אותם למתאימים היטב עבור יישומים ימיים, תעשייתיים ותעופה-וחלל החשופים לרטיבות, כימיקלים או תרסיסי מלח. סגסוגות אלומיניום מעניקות איזון טוב בין מיגון EMI חזק, משקל קל וקלות עיבוד שבבי, ההופכים אותם לחומר המועדף עבור בתי מחבר ברכבים צבאיים, אוויוניקה ויישומי חלל שבהם הפחתת משקל היא חיונית.

חלק מהמחברים העמידים משתמשים במערכות נעילה בפרופיל נמוך המעניקות יציבות וחיבור בטוח תוך הפחתת הגודל הכולל. מנעולים קפיציים או מנגנוני דחיפה-לנעילה, לדוגמה, הופכים את המחברים לאמינים מכנית וקלים להפעלה בתנאי שדה קרב.

דירוג חלל: חזית נוספת

מחברים המשמשים בלוויינים, גשושי חלל-עמוק ומערכות תעופה-וחלל בגובה רב חשופים כל הזמן לקרינה מייננת, העלולה לפגוע בחומרים, בביצועים החשמליים ולהחליש את השלמות המבנית. מחברים אלה חייבים להיבנות כך שיעמדו בפני פריכות (Embrittlement‏) הנגרמת מקרינה, אובדן מוליכות ושחיקה של חמצן אטומי, תוך שמירה על אמינות בסביבות ואקום.

עבור יישומים אלה, חומרים תרמופלסטים מוקשחי-קרינה (Rad-Hard‏) כגון PEEK ו-PPS מעניקים חסינות מעולה לקרינה תוך שמירה על פליטת גזים נמוכה. סיכוך מתכת העשוי מסגסוגות אלומיניום בדירוג תעופה-וחלל עם גימור ניקל ללא-חשמל (אלקטרולס) מעניק עמידות מבנית תוך הגנה מפני קרינה וחשיפה לחמצן אטומי. לבסוף, ציפוי זהב יוצר מחסום מגן מפני נזקי קרינה, תוך שמירה על תקינות חשמלית ואמינות מגעים במהלך משימות חלל ממושכות.

משפחות מחברים מדגימות מגוון של פתרונות

אין סוג מחבר עמיד אחד המתאים לכל הצרכים, ולכן חברות כמו Molex מציעות מגוון רחב של אפשרויות. מבט על מחברי D-Subminiature‏ (D-Sub‏), סיומות RF‏ ומחברי פלטת RF‏ מדגיש את היכולות לעומת היישומים, דירוגים ומנגנוני נעילה וריתוק, בין יתר התכונות.

ה-D-Sub‏ המבוסס היטב נותר בשימוש נרחב בזכות מגוון המגעים שלו (9, 15, 25, 37 ו-50), יכולת טיפול באותות, קידוד פיזי ואפשרויות חיבור וריתוק שונות. דוגמה לכך היא ה-0732841811‏ של Molex‏ (איור 4), תקע/סוקט זכר 9-פינים-נקבה-ל-9 פינים-זכר עם סינון EMI‏ וסידור "תלייה-חופשית". בין יתר היישומים ניתן להשתמש בו כדי לחבר שני מינים שונים של מחברים.

איור 4: ה-0732841811‏ הוא מתאם D-Sub‏ זכר/נקבה עם 9 פינים. (מקור התמונה: Molex)

לפינים שלו יש התנגדות מגעים נמוכה של 10 מיליאוהם (mΩ), בעוד שקבלים אינטגרליים של 1,000 פיקופרד (pF) מעניקים תדר קיטעון 3 דציבלים (dB) של 3.2 מגה-הרץ (MHz) עבור סינון EMI והפרעות תדר רדיו (RFI). המעטה הוא בערך 0.304 אינץ' רוחב × 0.64 אינץ' אורך (7.72 × 16.26 מ"מ) ועשוי אבץ מצופה ניקל, בעוד שמבודד הגוף עשוי פוליאסטר ממולא-זכוכית.

עבור סיומת כבל RF, ה-0732870620‏ (איור 5) הוא תקע מחבר קואקסיאלי (פין זכר) של 26.5 גיגה-הרץ (GHz‏), Ω‏ 50‏ המשמש כסיומת נקודת-חיבור RF שאינה בשימוש. זה מונע מאנרגיית האות להיות מוחזר חזרה לכבל ועלול לגרום לעיוותי אותות, הפרעות ואף נזק לרכיבים אלקטרוניים רגישים.

איור 5: ה-0732870620 הוא סיומת SMA‏ 26.5 גיגה-הרץ Ω‏ 50‏, המכסה יציאת RF שאינה בשימוש כדי למנוע החזרי אותות. (מקור התמונה: Molex)

ל-0732870620 יש יחס גלים עומדים מתח (VSWR) של כמעט-יחידה של 1.05:1 ב-DC, העולה ל-1.35:1 בלבד בתדר המקסימלי שלו. הגוף עשוי פלב"ם עם פסיבציה, בעוד שהמוליך הוא BeCu‏ עם ציפוי זהב. ההתקן מדורג לטפל בהספק של 1 וואט (רצוף) ב-C‏°‏25‏, עם דירוג מקסימלי של 1 קילוואט (kW) בפולס של 5 מיקרו-שניות (µs) ויחס מחזור של 0.05%.

חיברורי פלטת מסנן RF‏ מוכרים פחות ממחברים סטנדרטיים אך בכל זאת ממלאים תפקיד חשוב. אלו הם רכיבים מיוחדים עם צפיפות גבוהה שנועדו לשכך EMI ברמת הדופן (Bulkhead‏) או המודול. בניגוד למעברי Pass-Through‏ לאותות, פלטות סינון חוסמות או מנחיתות EMI בתחום תדרים מוגדר, ובכך שומרות על תקינות האותות ומפחיתות רעש, תוך מניעת ערב-דיבור (Crosstalk‏) ועיוותים ביישומי תדר גבוה.

פלטה כמו ה-0732860030‏ (איור 6, משמאל) כוללת מספר קווי אותות מסוננים כדי להפחית את עבודת ההתקנה ולחסוך מקום על גבי לוחות מעגלים. היא כוללת שתי שורות של שישה פינים ישרים בתוך פלטה באורך 1.06 אינץ' (26.92 מ"מ), ומשתמשת במסנן קבל Feed-Through‏ (בסגנון C) של pF‏ 100‏ עם תדר קיטעון מקסימלי dB‏ 3‏ של MHz‏ 50.3‏. יש לה הפסדי תחיבה של dB‏ 0‏ סביב MHz‏ 50‏, העולים ל-dB‏ 50‏ (טיפוסי) ב-GHz‏ 10‏ (איור 6‏, מימין).

איור 6: פלטת מסנן 0732860030 (משמאל) כוללת שתי שורות של שישה פינים, משתמשת במסנן בסגנון C‏ של pF‏ 100‏ עם תדר קיטעון dB‏ 3‏ של MHz‏ 50.3‏, הפסדי תחיבה של dB‏ 0‏ סביב MHz‏ 50‏, העולים ל-dB‏ 50‏ (טיפוסי) ב-GHz‏ 10‏ (מימין, קו B‏). מקור התמונה: Molex‏)

פלטת הפליז של הבסיס מצופה בדיל, בעוד שהפינים המצופים זהב יכולים לטפל באותות של 100 וולט ב-3 אמפר (A).

הדרישות עבור מחברים וחיברורים ביישומים תובעניים, כמו גם החומרים שלהם, מוגדרים על ידי תקנים של ארגונים שונים. רבים מאלה רשומים בתקנים הרלוונטיים.^1‏

סיכום

הדרישות עבור מחברים וחיברורים עמידים המשמשים בצבא, תעופה-וחלל, חלל קרוב ועמוק וסביבות קשות אחרות הן מחמירות. הן מחייבות הבנה ושיקול דעת מדוקדק של הפשרות הכרוכות בחומרים, בתכנון ובייצור של מגעים ובתים כדי לייצר מחברים המתאימים עבור תנאים אלה. Molex מציעה פתרונות מחוזקים-לעמידות, כל אחד עם מגוון רחב של אפשרויות, כך שהמתכננים יכולים לבחור פתרון אופטימלי ולעמוד ביעדי ביצועים קריטיים.

תקנים רלוונטיים

• MIL-STD-202‏ - שיטת בדיקה עבור חלקי רכיבים אלקטרוניים וחשמליים
• MIL-STD-810‏ - שיקולי הנדסת סביבה ובדיקות מעבדה
• MIL-STD-1344‏ - שיטות בדיקה עבור מחברים חשמליים
• EIA 364-27‏ - בדיקת זעזועים מכניים של מחברים וסוקטים חשמליים
• MIL-DTL-83513‏ - מפרט כללי עבור מחברים, חשמליים, מלבניים, מיקרו-מיניאטוריים, מעטים מקוטבים
• MIL-STD-348‏ - תקן ממשק משרד ההגנה: ממשקי מחברי תדר רדיו עבור יישומים צבאיים
• NASA ASTM-E595‏ - תקן בדיקת פליטות גזים
• NASA-STD-6012‏ - הגנה מפני קורוזיה עבור חומרת טיסות חלל
• NASA-STD-5019‏ - דרישות בקרת שברים עבור חומרת טיסות חלל
• NASA-STD-7003‏ - קריטריוני בדיקת פירו-זעזועים
• קוד הגנת חדירות IP67‏
• תקן UL94V-0 עבור בטיחות דליקות של חומרי פלסטיק עבור חלקים בהתקנים ובמכשירים חשמליים

תוכן קשור

1. פתרונות טכנולוגיים לתעופה-וחלל של Molex
2. עמידה בביקוש קריטי במגזרי תעופה-וחלל והגנה-וביטחון
3. הגדרה וקידום חיבוריות אמינה וחסונה בתעופה-וחלל והגנה-וביטחון
4. חיבור מגעים וכוח נורמלי עבור ביצועי מחברים לטווח ארוך
5. פלטות מסנן EMI