wzłącze pinowe pogomoduł,podkładka do pinów pogoto stała powierzchnia styku współpracująca z kołkiem obciążonym sprężyną. Zwykle jest on realizowany w postaci platerowanej miedzianej podkładki na płytce drukowanej lub jako oddzielny metalowy styk montowany na obudowie lub płytce drukowanej zasilanego urządzenia. Za każdym razem, gdy urządzenie jest podłączane do stacji ładującej lub wyjmowane z niej, kołek pogo wykonuje cykl styku ślizgowego po powierzchni podkładki styku pogo.

W-wysokoprądowych zastosowaniach do ładowania pinów pogo-takich jak stacje ładowania robotów AGV, stacje do ładowania urządzeń medycznych i przemysłowe urządzenia testowe-podkładka pinów pogo może przechodzić od kilkudziesięciu do ponad stu cykli łączenia dziennie. W całym okresie użytkowania produktu całkowita liczba cykli wkładania i wyjmowania wynosi zazwyczaj od 50 000 do 150 000.

Wyzwanie w zastosowaniach wysokoprądowych- polega na tym, że utrzymanie wystarczająco dużej powierzchni styku przewodzącego wymaga, aby złącze z pinami pogo wywierało znacznie większą siłę styku niż interfejs-o poziomie sygnału. Zamiast mniej niż 0,5 N, siła docisku zwykle mieści się w zakresie od 1 N do 3 N, co znacznie zwiększa zużycie powstające podczas każdego cyklu łączenia. Jednocześnie, gdy przez styk o skończonej rezystancji przepływają wysokie prądy (zwykle powyżej 5 A), powstałe nagrzewanie Joule'a przyspiesza degradację termiczną platerowanej powierzchni. Połączone skutki zwiększonego zużycia mechanicznego i naprężeń termicznych sprawiają, że osiągnięcie-długoterminowej odporności na zużycie w przypadku wysokoprądowych podkładek z pinami pogo-jest znacznie trudniejsze niż w przypadku konwencjonalnych złączy sygnałowych.

Mechanizmy awarii: dowiedz się, gdzie dochodzi do awarii, zanim określisz grubsze złocenie

Wysokoprądowe podkładki z pinami pogo nie zawodzą tylko z jednego powodu. Z przypadków terenowych, nad którymi pracowaliśmy, wynika, że ​​często jednocześnie występuje wiele mechanizmów awarii, ale każdy z nich wymaga innego rozwiązania inżynieryjnego. Traktowanie ich jako tego samego problemu zwykle prowadzi do zmarnowanego wysiłku.

Zużycie mechaniczne (zużycie klejące i ścierne)

Za każdym razem, gdy kołek pogo przesuwa się po podkładce, niewielka ilość metalu jest usuwana z platerowanej powierzchni. Objętość zużycia można oszacować za pomocą równania zużycia Archarda:

W = k × F × L / H

GdzieWto objętość zużycia,Fjest siłą kontaktową,Ljest odległością poślizgu,Hjest twardością materiału orazkjest bezwymiarowym współczynnikiem zużycia, który zależy od pary materiałów i warunków smarowania.

Wniosek jest prosty: im twardszy materiał, tym mniejsze zużycie. Złoto (Au) ma zazwyczaj twardość Vickersa wynoszącą zaledwie 60–80 HV, podczas gdy stopy PdNi zwykle osiągają 400–600 HV. Ta różnica w twardości jest jednym z głównych powodów, dla których ich żywotność jest tak znacząca.

Warto zwrócić uwagę na jeden błąd obliczeniowy. Niektórzy inżynierowie szacują zużycie podkładek sworznia pogo na podstawie współczynnika tarcia stali-o-styku stali (μ ≈ 0,2–0,3). W rzeczywistości styki metal--metal-szczególnie złote-na-złotych stykach-zazwyczaj wykazują współczynniki tarcia pomiędzy 0,5 a 1,5. Użycie wartości 0,3 może spowodować niedoszacowanie zużycia od dwóch do pięciu razy.

Zmęczenie poszycia i rozwarstwienie międzyfazowe

Ten rodzaj awarii ma charakterystyczną cechę: rezystancja styku nie wzrasta stopniowo, lecz gwałtownie wzrasta po określonej liczbie cykli łączeniowych.

Powtarzające się obciążenia mechaniczne inicjują pęknięcia zmęczeniowe na styku poszycia z podłożem. Gdy czynniki korozyjne przenikną przez pory powłoki, podłoże zaczyna korodować. W podłożach mosiężnych szczególnie wrażliwy jest cynk. W miarę jak cynk utlenia się i zwiększa swoją objętość, unosi powłokę od dołu, co prowadzi do powstawania pęcherzy i rozwarstwiania na dużą-skalę.

Jeden ze zbadanych przez nas przypadków dotyczył podkładek z pinami pogo wytwarzanych poprzez złocenie bezpośrednio na mosiężnym podłożu, bez niklowanej płytki spodniej w celu zmniejszenia kosztów. Po około 7400 cyklach łączeniowych rezystancja styku wzrosła z 12 mΩ do ponad 800 mΩ. Przekrojowa-analiza SEM wykazała, że ​​pod złoceniem utworzyła się gęsta warstwa tlenku cynku, co zmusiło ją do oddzielenia się od podłoża.

Niklowa płyta spodnia o grubości 2–5 μm to-standardowa w branży warstwa barierowa zapobiegająca tego typu awariom i nie należy jej pomijać.

Korozja elektrochemiczna

W środowiskach o wilgotności względnej powyżej około 60% różne metale w kołku pogo i podkładce kołka pogo tworzą mikroskopijne ogniwa galwaniczne, które w sposób ciągły powodują korozję elektrochemiczną.

Mechanizm ten zasługuje na szczególną uwagę w systemach ładowania za pomocą pinów pogo stosowanych w magazynach przybrzeżnych, wilgotnych zakładach produkcyjnych lub innych środowiskach-narażonych na wilgoć.

Niskie-erozja łukowa przy niskim napięciu

Większość systemów ładowania z pinami pogo działa przy napięciu 5–48 V prądu stałego, więc mechanizm ich awarii różni się od mechanizmu występującego w przypadku konwencjonalnego wyładowania łukowego-wysokiego napięcia.

W zastosowaniach niskiego-napięcia i{1}}prądu głównym problemem jest prąd rozruchowy podczas pierwszego kontaktu, który może osiągnąć 10 do 20 razy większą wartość znamionowego prądu roboczego. Powstałe w ten sposób miejscowe ogrzewanie powoduje powstawanie małych wgłębień i zwęglonych śladów na powierzchni podkładki pogo pin.

Obwód miękkiego-rozruchu to jeden z najskuteczniejszych sposobów ograniczenia tego typu uszkodzeń.

Korozja cierna-Awaria najczęściej błędnie diagnozowana

Spośród wszystkich mechanizmów awarii korozja cierna jest prawdopodobnie najczęściej błędnie identyfikowaną. W rzeczywistości był to podstawowy problem we wszystkich trzech przypadkach klientów wspomnianych wcześniej.

Korozja cierna występuje, gdy powierzchnia styku podlega powtarzającemu się ruchowi oscylacyjnemu o bardzo małej amplitudzie, zwykle od 1 do 100 μm. W przypadku podkładek z pinami pogo zainstalowanych w sprzęcie przemysłowym lub pojazdach wibracje z maszyny głównej są łatwo przenoszone przez konstrukcję mechaniczną na interfejs stykowy. Mimo że ruch jest niewidoczny gołym okiem, często wystarczy, aby wywołać fretting.

Jeden z najbardziej przejrzystych opisów tego procesu pochodzi z recenzji Antlera z 1985 roku opublikowanej wTransakcje IEEE. Powtarzające się mikro-poślizgi w sposób ciągły niszczą warstwę tlenku na powierzchni metalu. Świeży metal jest natychmiast wystawiony na działanie powietrza i ponownie się utlenia. Ponieważ przemieszczenie jest tak małe, cząstki tlenku nie mogą wydostać się ze strefy styku i zamiast tego gromadzą się na styku, tworząc elektrycznie izolujące cząstki zużycia.

Tworzy to cykl-samowzmacniający się: w miarę gromadzenia się większej ilości zanieczyszczeń zmniejsza się efektywna powierzchnia styku, wzrasta lokalny nacisk styku i przyspiesza zużycie.

Praktycznym sposobem identyfikacji korozji ciernej jest kontrola wzrokowa. Jeśli powłoka pozostaje w dużej mierze nienaruszona, ale w obszarze styku zgromadził się czerwonawo-brązowy (tlenki miedzi lub złota) lub czarny proszek, prawie na pewno przyczyną jest korozja cierna. Wielu inżynierów po prostu usuwa proszek i zwraca element do serwisu, ale po kilku tysiącach dodatkowych cykli łączenia ta sama awaria pojawia się ponownie, ponieważ podstawowy mechanizm nie został naprawiony.

Istnieją trzy sprawdzone strategie łagodzenia skutków, które można również łączyć. Zwiększenie siły kontaktowej do ponad 1,5 N pomaga interfejsowi przebić się przez warstwę tlenku i przesuwa kontakt z trybu ślizgowego w stronę bardziej stabilnego kontaktu adhezyjnego. Stosowanie powłok-o wysokiej twardości, takich jak PdNi, zmniejsza ilość zanieczyszczeń powstających podczas każdego mikro-poślizgu. Nałożenie technicznego smaru kontaktowego, takiego jak Nyogel 760G, na powierzchnię podkładki kołka pogo izoluje interfejs od tlenu i znacznie spowalnia proces utleniania.

Wybór odpowiedniego poszycia: nie wybieraj domyślnie grubszego złota

Prawdą jest, że „zastąpienie twardego złota PdNi” jest w wielu przypadkach skutecznym rozwiązaniem problemu zużycia podkładek pogo. Jednak inżynierowie, którzy od razu przechodzą z twardego złota na PdNi, często przeoczają dwie ważne kwestie: dodatkowy koszt PdNi i jego podatność na tworzenie się brązowych pozostałości w pewnych środowiskach operacyjnych.

Twarde złoto (Au-Co, 130–200 HV)oferuje zaskakująco szeroki zakres trwałości, zwykle od 20 000 do 45 000 cykli łączenia, w zależności od jakości galwanizacji,-szczególnie porowatości-i rzeczywistej siły docisku. Wielu krajowych dostawców podaje na swoich rysunkach „1 μm twardego złota”, ale-przekrojowe pomiary SEM często ujawniają rzeczywistą grubość zaledwie 0,4–0,6 μm. Jest to częsty problem i zostanie omówiony w dalszej części rozdziału dotyczącego kwalifikacji dostawcy. Jeśli jakość galwanizacji jest dobrze kontrolowana, a wymagana żywotność jest mniejsza niż około 30 000 cykli łączeniowych, twarde złoto zazwyczaj zapewnia najlepszą równowagę pomiędzy wydajnością a kosztami.

PdNi (80Pd/20Ni, 400–600 HV)zapewnia wyraźną przewagę w zakresie odporności na zużycie. Zgodnie z równaniem zużycia Archarda zwiększenie twardości materiału od trzech do czterech razy zmniejsza objętość zużycia do około jednej-w porównaniu do złocenia. Istnieje jednak istotna wada, o której często się zapomina.

Problem „brązowego proszku” z PdNi

Pallad (Pd) jest skutecznym katalizatorem wielu reakcji organicznych. W środowiskach zawierających lotne związki organiczne (LZO)-takie jak opary klejów,-środków antyadhezyjnych z pleśni lub rozpuszczalników czyszczących, które są powszechne w zakładach produkcyjnych,-ciepło tarcia powstające podczas powtarzającego się łączenia może aktywować powierzchnię Pd i katalizować polimeryzację oparów organicznych. W rezultacie w obszarze styku podkładki pogo tworzy się brązowa warstwa izolacyjna, powodując gwałtowny wzrost rezystancji styku.

Zjawisko to zostało po raz pierwszy zidentyfikowane w branży złączy samochodowych w latach 80-tych, a branża ta już dawno przyjęła skuteczne rozwiązanie: zastosowanieZłoto błyskowe 0,05–0,1 μm (Flash Au)nad powłoką PdNi. Ta ultracienka warstwa złota izoluje powierzchnię palladu i eliminuje jego aktywność katalityczną, nie pogarszając odporności na zużycie leżącego pod spodem PdNi. Podczas początkowych cykli łączenia złoto błyskawiczne ulega szybkiemu zużyciu pod normalną siłą kontaktową, po czym warstwa PdNi zapewnia-długoterminową odporność na zużycie.

Ilekroć podkładka z pinami pogo będzie działać w środowisku, w którym występują lotne związki organiczne (LZO),Zamiast gołego PdNi należy określić PdNi ze złotem typu flashniezależnie od źródła oparów organicznych.

Porównanie wydajności poszycia

Warunki testowe:Podłoże mosiężne, siła nacisku 2 N, rezystancja styku mierzona zgodnie z IEC 60512-2-1 (test rezystancji styku na poziomie miliwoltów).

Notatka: A Podkładka z niklu o grubości 2–5 μmjest niezbędny dla wszystkich systemów powłokowych. Działa zarówno jako bariera dyfuzyjna, zapobiegając migracji metali podłoża do powłoki funkcjonalnej, jak i jako twarda warstwa nośna, która poprawia trwałość mechaniczną powłoki.

Materiały podłoża i konstrukcja mechaniczna: małe szczegóły, które robią dużą różnicę

Miedź berylowa (BeCu)

Miedź berylowa (C17200) pozostaje preferowanym materiałem podłoża dla podkładek z pinami pogo, ponieważ zapewnia doskonałą równowagę pomiędzy przewodnością elektryczną (około 22% IACS) i twardością (HV 380–420). Jednak jedna kwestia zasługuje na szczególną uwagę.

Na rynku krajowym materiały sprzedawane jako „miedź berylowa” nie zawsze są oryginalne. Znaczna część zawiera niewystarczającą ilość berylu lub jest zastąpiona miedzią-chromem-cyrkonem (CuCrZr) lub podobnymi stopami. Chociaż zamienniki te często mają porównywalny wygląd i przewodność elektryczną, ich twardość i moduł sprężystości znacznie się różnią.

Na potrzeby kwalifikacji dostawcy naszą standardową praktyką jest wymaganie raportu z analizy materiału EDS (Energy-dyspersyjnej spektroskopii rentgenowskiej-). Zmierzona zawartość berylu powinna mieścić się w przedziale 1,8–2,0% wag.

Brąz fosforowy

Brąz fosforowy (C51000, HV 200–280) to-opłacalna alternatywa dla miedzi berylowej. Dobrze nadaje się do zastosowań z pinami pogo przenoszącymi prąd 1–8 A, zapewnia stabilny krajowy łańcuch dostaw i jest znacznie łatwiejszy do sprawdzenia pod kątem autentyczności materiału niż BeCu.

Siła kontaktowa

Siła docisku to jeden z bardziej dyskutowanych parametrów-w projektowaniu wysokoprądowych złączy z pinami pogo.

Zwiększenie siły kontaktowej pomaga przełamać powierzchniowe warstwy tlenków i stłumić korozję cierną, ale także przyspiesza zużycie mechaniczne. Na podstawie własnych badań zalecamy siłę nacisku w zakresie 1,5–2,5 N dla zastosowań przenoszących prąd 5–15 A. Warto jednak zaznaczyć, że w opublikowanej literaturze nie ma powszechnie przyjętej normy, a optymalna wartość może się różnić w zależności od środowiska pracy.

Podczas badania trwałości należy również ocenić zachowanie siły sprężyny. Wysokiej-jakości złącze z pinami pogo powinno zachować co najmniej 85% początkowej siły sprężyny po ukończeniu testu wytrzymałości określonego w normie IEC 60512-9-1.

Ładowanie boczne

Miejscowe zużycie tylko po jednej stronie podkładki kołka pogo jest prawie zawsze spowodowane obciążeniem bocznym wynikającym z niewspółosiowości podczas dokowania.

Magnetyczne elementy wyrównujące lub mechaniczne szczeliny ustalające mogą ograniczyć błąd pozycjonowania do wewnątrz±0,5 mm. W praktyce poprawa wyrównania często zapewnia większy wzrost trwałości użytkowej niż przejście na powłokę-bardziej odporną na zużycie, mimo to pozostaje jednym z najczęściej pomijanych aspektów konstrukcji złączy.