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(Source : Harwin)

La conception est une tâche complexe à plus d’un titre. Les ingénieurs doivent non seulement fournir des produits toujours plus performants, avec toujours plus de fonctionnalités et dans des formats toujours plus petits, mais leurs conceptions doivent aussi toujours être réalisées dans les plus brefs délais. À cela s’ajoute la demande croissante pour des conceptions qui peuvent être fabriquées très rapidement, mais sans que cela affecte la qualité ou la fiabilité opérationnelle du produit tout au long de sa durée de vie.

Respecter ces exigences a donc une incidence tant sur le processus de conception même que sur les matériaux et composants sélectionnés. Dans cette optique, des approches comme la conception modulaire ont gagné en popularité. La conception modulaire permet d’intégrer des sous-sections essentielles (E/S, processeur, traitement du signal analogique, etc.) sur des cartes séparées, de sorte qu’elles peuvent être réutilisées sur plusieurs produits. Cette approche réduit les risques liés à la conception et raccourcit le temps de développement. Il convient toutefois de bien réfléchir à la manière de connecter les différentes cartes modulaires.

Connecteurs simples ou multiples

Relier les cartes à l’aide d’un connecteur simple est certes facile, mais cela peut aussi entraîner des problèmes de bruit, de diaphonie et de traces trop longues. L’utilisation de plusieurs connecteurs à pas fin permet d’améliorer la séparation des signaux et de réduire la longueur des traces, mais nécessite en contrepartie un alignement extrêmement précis du PCB. Même un désalignement inférieur au millimètre (souvent induit par les tolérances de fabrication) est susceptible de mettre les connecteurs à rude épreuve et peut provoquer des dommages, une baisse du rendement de production ou une perte de fiabilité sur le terrain.

Compenser le désalignement avec des connecteurs flottants

Afin de pallier ce problème, un type spécial de connecteurs carte à carte a été créé. Ces connecteurs dits « flottants » font preuve d’une certaine élasticité. Ils doivent cette propriété d’une part à un boîtier capable de se déplacer latéralement et longitudinalement et d’autre part à une nouvelle conception des contacts reposant sur un mécanisme à ressort. Dans ce type de connecteur, le boîtier est suspendu par les contacts, lesquels sont généralement logés dans la moitié mâle du connecteur.

Figure 1 : les connecteurs flottants peuvent s’adapter au désalignement lors de la fabrication automatisée (Source : Harwin)

Cet agencement permet donc un mouvement bidirectionnel dont l’amplitude est généralement supérieure à l’éventuel désalignement d’origine. Grâce à ce système, il devient tout à fait possible de déployer des processus de montage automatisés pour des cartes à plusieurs connecteurs dans des cas où, autrement, la somme des désalignements poserait des problèmes pour un couplage à grande vitesse et de haute précision. Ainsi libérés d’une partie des exigences de fabrication, les concepteurs peuvent consacrer davantage de temps à la conception, avec entre autres la possibilité de déployer plusieurs connecteurs carte à carte flottants par paire de cartes. De même, ils peuvent désormais décider du type et du nombre de connecteurs uniquement en fonction des besoins du circuit, sans avoir à tenir compte des limites induites par les interconnexions.

Le mécanisme de « suspension » à ressort propre aux connecteurs flottants garantit en outre l’intégrité de la connexion en cours d’utilisation, ce qui s’avère particulièrement intéressant lorsque le produit final est exposé à des vibrations ou encourt un risque de chocs, par exemple un téléphone portable, un véhicule ou un système d’automatisation d’usine. Par ailleurs, les connecteurs flottants atténuent le risque de perte de performances ou de défaillance induit par l’oxydation par frottement ou « fretting ». Ce phénomène apparaît lorsque les vibrations finissent par provoquer l’usure du placage des broches de couplage rigides, ce qui a pour effet d’exposer l’alliage sous-jacent à l’oxydation.

Figure 2 : la conception innovante des contacts bénéficie aussi aux connecteurs flottants (Source : Harwin)

Bien que les connecteurs flottants soient à usage universel, les connecteurs carte à carte classiques suffisent amplement à de nombreuses applications. Pour évaluer quelle technologie est la plus appropriée pour une application particulière, les concepteurs doivent tenir compte des éléments suivants :

• Plusieurs connecteurs par paire de cartes apporteraient-ils un quelconque bénéfice à la conception ?
• Quelle est la précision mécanique du processus de fabrication automatisé ?
• Dans quelle mesure le produit final sera-t-il exposé aux vibrations et encourra-t-il des risques de chocs durant son utilisation normale ?
• À quelle fréquence les cartes seront-elles séparées et remplacées pendant la durée de vie du produit ?

Les réponses à ces questions devraient guider le concepteur vers la voie à suivre.

Le processus de sélection du connecteur doit également prendre en compte les aspects environnementaux, en particulier les températures de fonctionnement auxquelles le connecteur peut être exposé. Ce facteur est particulièrement pertinent dans le cas de conceptions fermées pour protéger les composants électroniques sensibles et où les changements de température peuvent exercer des contraintes sur les connecteurs, en particulier si les cartes sont conçues en différents matériaux ou si elles ont une épaisseur différente.

Enfin, il convient de noter que presque toutes les applications nécessiteront que le connecteur soit fabriqué à partir de matériaux entièrement conformes à la directive RoHS et exempts de SVHC (substances extrêmement préoccupantes) au regard du règlement REACH, ainsi que de plomb, de retardateurs de flamme bromés (RFB), de phosphore rouge (PFOS/PFOA) ou d’antimoine.

Développements de connecteurs flottants

De nos jours, les concepteurs peuvent choisir parmi des familles de produits qui offrent une variété de pas de connecteurs, généralement de l’ordre submillimétrique (de 0,5 mm à 0,8 mm), et plus de 160 contacts par connecteur. Les options disponibles pour les connecteurs femelles verticaux et horizontaux permettent de connecter les cartes parallèlement les unes aux autres ou à angle droit. Grâce à un large choix de hauteurs de montage (jusqu’à 6 mm) les ingénieurs ont la possibilité de choisir des solutions qui répondent aux exigences d’espacement entre des cartes dont les facteurs de forme sont de plus en plus compacts.

Harwin a élargi sa famille de connecteurs flottants Flecto, lesquels sont parfaitement adaptés aux applications hautes performances avec interconnexions multiples à micro-pas. Ainsi, la zone de couplage du connecteur mâle peut être déplacée sur une amplitude maximale ± 0,8 mm par rapport à l’axe central.

Parmi les dernières avancées, on peut citer le lancement de connecteurs capables d’offrir un débit maximal de 12 Gbit/s, soit un niveau de performance compatible à des normes telles que le SAS (Serial Attached SCSI), laquelle est très utilisée dans des serveurs et des systèmes de stockage pour entreprises. Par ailleurs, les technologies qui transmettent signaux et électricité à travers un même connecteur prendront en charge les applications où les tracés doivent transporter des courants plus lourds.

Outre leur structure à ressort inhérente, de nombreux connecteurs flottants parmi les plus récents garantissent un alignement précis et des interconnexions robustes grâce à des chevilles de positionnement (qui éliminent le mouvement pendant la refusion de la soudure) et des languettes de retenue (qui offrent une résistance mécanique supplémentaire).

Figure 3 : les languettes de retenue et les broches traversantes améliorent la rigidité mécanique des connecteurs flottants (Source : Harwin)

Conclusion

Dès le début d’une conception, il est essentiel de réfléchir aux méthodes de connexion des paires de circuits imprimés. Choisir l’interconnexion la plus appropriée garantit un produit optimisé et compatible avec les processus de production modernes qui renforcent la fiabilité opérationnelle du produit tout au long de sa durée de vie. Les connecteurs flottants, capables de s’adapter et de remédier aux désalignements et au léger jeu présent dans plusieurs axes, sont de plus en plus couramment utilisés dans diverses applications : automatisation industrielle, véhicules électriques, systèmes de sécurité, appareils IoT, etc.

À propos de l’auteur

En sa qualité de vice-président Produits chez Harwin, Ryan Smart stimule l’innovation et dirige le développement des nouveaux produits. Fort de plus de dix ans d’expérience en composants électroniques, il supervise les produits de leur conception jusqu’à leur commercialisation afin d’offrir aux ingénieurs des solutions de connectivité de pointe.