Comment garantir que les connecteurs carte-à-carte répondent aux exigences d'assemblage haute vitesse et d'utilisation dans l'industrie automobile

Les concepteurs de systèmes automobiles doivent sélectionner et appliquer avec soin les connecteurs pour qu'ils fonctionnent de manière fiable, tant physiquement qu'électriquement, dans les environnements où ils sont exposés à des températures et à une humidité extrêmes, à la contamination et aux vibrations. Il est de plus en plus difficile de satisfaire et de maintenir les exigences de performances et de fiabilité automobiles, car les véhicules deviennent de puissants « ordinateurs sur roues ». Les connecteurs doivent être capables de gérer un plus grand nombre de lignes de transmission dans des espaces plus restreints avec des vitesses de communication de plusieurs gigabits par seconde, nécessaires pour s'adapter à des normes telles que 10GBASE-T1 et PCI Express version 3 (PCIe 3.0).

Pour compliquer davantage les choses, les constructeurs automobiles exigent des volumes de production très élevés. Les entreprises d'assemblage électronique doivent donc se tourner vers des machines d'assemblage haute vitesse pour suivre le rythme. Cependant, il est difficile de maintenir des taux de production et des rendements élevés tout en plaçant avec précision les connecteurs de manière à ce qu'ils puissent être facilement raccordés par la suite.

Ces défis peuvent être relevés en utilisant des connecteurs à contact flottant, physiquement et électriquement robustes, qui absorbent les décalages ou désalignements de position rencontrés lors de l'assemblage automatisé.

Cet article décrit les exigences des connecteurs automobiles en matière de signaux électriques, d'application physique et de fabrication. Il présente ensuite des connecteurs flottants de JAE Electronics que les concepteurs peuvent utiliser pour répondre à ces exigences. Des informations spécifiques sur les normes de communications haute vitesse ainsi que sur la sélection et l'application des connecteurs appropriés sont incluses, de même que des conseils sur la manière de sélectionner des connecteurs pour les protocoles de communications automobiles haute vitesse tels que 10GBASE-T1 et PCI Express version 3 (PCIe 3.0).

Les protocoles de communications haute vitesse en bref

10GBASE-T1 fait partie d'une famille de normes 10 gigabit Ethernet (10 GbE) qui permet la transmission de trames Ethernet à un débit de 10 gigabits par seconde (Gbps). 10GBASE-T1 est une solution Ethernet automobile qui fonctionne avec des câbles à paire torsadée sur des distances jusqu'à 15 mètres (m). Le débit de données de 10 Gbps est la norme de communication automobile la plus rapide, et il peut prendre en charge des applications telles que la conduite autonome.

PCIe 3.0 est une autre norme de bus d'extension informatique série haute vitesse. Il permet de réaliser jusqu'à 8 gigatransferts par seconde (GTps). Dans une implémentation haut de gamme « x16 voies », la valeur 8 GTps correspond à un taux de transfert de données agrégé de 126 Gbps.

Traditionnellement utilisée comme bus haute vitesse dans les PC, cette technologie est désormais destinée aux applications automobiles pour le véhicule du futur, car la conception matérielle garantit que les paquets de données transmis arrivent à destination. Il s'agit donc d'un système hautement fiable, adapté à la conduite autonome.

Connecteurs pour les communications automobiles haute vitesse

Les protocoles de communications haute vitesse exigent des connecteurs de haute qualité. Non seulement ils doivent fournir une connexion robuste et fiable pour garantir une excellente intégrité des signaux, mais ils doivent également être relativement faciles à déconnecter et à reconnecter au cours des nombreuses années de service. Ils doivent également être capables d'accueillir un grand nombre de broches et de prises sur un petit pas afin de garantir un format compact avec une connectivité multivoie.

La série MA01 de JAE Electronics est un exemple de gamme de connecteurs modernes pour les protocoles de communications haute vitesse tels que 10GBASE-T1 et PCIe 3.0. Ces connecteurs présentent des fonctionnalités telles que des contacts à surface laminée et des structures de contact à deux points pour garantir des connexions mécaniques et électriques sûres, même en cas de vibrations, de chocs et de températures extrêmes typiques des applications automobiles (Figure 1).

Figure 1 : La série MA01 présente des connecteurs à contacts à deux points permettant de maintenir la continuité électrique en cas de chocs et de vibrations. (Source de l'image : JAE Electronics)

Proposés en plusieurs hauteurs d'empilage comprises entre 8 millimètres (mm) et 30 mm (Figure 2) et capables de transmettre les vitesses de 8 Gbps exigées par les normes 10GBASE-T1 et PCIe 3.0, les connecteurs série MA01 conviennent parfaitement aux applications telles que les unités de commande numérique carte-à-carte automobiles. Les connecteurs se caractérisent par de faibles forces d'insertion et de retrait et comportent un détrompage pour éviter toute erreur de raccordement. Ces connecteurs présentent une vaste plage de températures de fonctionnement de -40°C à +125°C.

Figure 2 : Les connecteurs série MA01 sont disponibles dans des hauteurs d'empilage de 8 mm à 30 mm. (Source de l'image : JAE Electronics)

Un exemple de connecteur dans cette gamme est le MA01F030VABBR300. Ce connecteur est un connecteur carte-à-carte de grade automobile, à transmission haute vitesse. Il présente 30 positions sur un pas de 0,635 mm dans un corps mesurant 20,925 mm x 8,8 mm x 12,3 mm. Les contacts sont en alliage de cuivre avec une couche de placage or de 0,1 micromètre (µm) (min.). La spécification électrique du connecteur est de 0,5 ampère (A) de courant nominal et de 50 volts (V) CA de tension nominale. Il est conçu pour jusqu'à 100 cycles de raccordement.

Le MA01F030VABBR300 est conçu pour se raccorder au MA01R030VABBR600 pour former des connexions carte-à-carte pour les applications automobiles haute vitesse (Figure 3).

Figure 3 : Le MA01F030VABBR300 (en bas) offre 30 positions et se raccorde au MA01R030VABBR600 pour une connexion carte-à-carte haute vitesse robuste et fiable. (Source de l'image : JAE Electronics)

Relever les défis de l'assemblage

La fabrication électronique à haut volume exige l'utilisation de la technologie d'assemblage par robot. Cependant, les machines de placement automatique utilisées pour ce travail ont des limites mécaniques. Cela peut entraîner des tolérances dans le positionnement des composants. Si de légères erreurs de positionnement sont typiques et ne posent pas de problème pour les composants actifs et passifs, elles peuvent poser des problèmes lors du raccordement des connecteurs multi-positions à pas fin. Le problème est aggravé par le fait qu'un connecteur typique n'offre pas de surface plane sur laquelle la buse d'aspiration de la machine de placement peut s'appuyer correctement.

Avec des pas broche-à-broche typiques de moins d'un millimètre, un faible désalignement lors du raccordement des connecteurs peut suffire pour endommager les contacts.

Pour y remédier, le MA01F030VABBR300 de JAE est doté d'une technologie de contact flottant qui permet un mouvement de ±0,5 mm dans les deux directions X et Y. Ce flottement corrige les décalages de position ou les désalignements causés lors du montage par des machines automatisées. Les connecteurs sont dotés d'un capot amovible qui offre un appui sûr pour les buses d'aspiration des machines de placement. Le capot évite également que de grands débris ne pénètrent dans la zone de raccordement avant le montage du connecteur (Figures 4 et 5).

Figure 4 : Le MA01F030VABBR300 correspond à la moitié inférieure de cette connexion MA01. Il est doté de la technologie à contact flottant, permettant un mouvement de ±0,5 mm dans les directions X et Y. Cela permet de corriger les désalignements ou les décalages de position pendant l'assemblage. (Source de l'image : JAE Electronics)

Figure 5 : La série MA01 est fournie avec un capot amovible qui offre un appui sûr à la buse d'aspiration de la machine de placement. (Source de l'image : JAE Electronics)

Le côté femelle du connecteur carte-à-carte, le MA01R030VABBR600, est un connecteur rigide car seul un côté de la connexion doit flotter pour s'adapter aux tolérances de positionnement.

Une autre fonction des connecteurs série MA01 qui facilite le processus d'assemblage est une vue claire des joints de soudure, là où le connecteur est relié à la carte à circuit imprimé. Les connecteurs conventionnels dissimulent généralement ces joints de soudure, ce qui rend l'inspection difficile et risque de provoquer des défaillances en service (Figure 6).

Figure 6 : Un connecteur à montage latéral de la série MA01 montre comment la conception facilite l'inspection de la qualité des joints de soudure à l'endroit où le connecteur est fixé à la carte à circuit imprimé. (Source de l'image : JAE Electronics)

Garantir un raccordement sans problème

La technologie de connecteurs flottants de la série MA01 est utile pour compenser les erreurs de positionnement, mais un désalignement plus important peut se produire lorsque les connecteurs sont assemblés manuellement. Un tel désalignement peut souvent se produire lorsque les circuits imprimés supérieur et inférieur qui maintiennent les deux moitiés du connecteur sont assemblées « à l'aveugle », entraînant trop facilement un mauvais alignement des contacts sensibles. Pire encore, le connecteur peut donner l'impression d'avoir été correctement raccordé même si les contacts ont été endommagés pendant le processus. Un tel désalignement peut se produire dans les deux directions horizontales X et Y.

Les connecteurs JAE sont dotés de tiges de guidage qui empêchent une connexion incorrecte, même si les connecteurs sont considérablement désalignés dans l'une ou l'autre des directions X et Y, ou dans les deux, pendant le processus de raccordement. La tige de guidage est moulée dans le corps du connecteur et dirige les deux moitiés du connecteur dans la position d'engagement correcte (Figures 7, 8 et 9).

Figure 7 : En cas de désalignement dans la direction X, la tige de guidage de la série MA01 de JAE Electronics guide la moitié supérieure du connecteur dans une orientation verticale. (Source de l'image : JAE Electronics)

Figure 8 : Dans la direction Y, les tiges de guidage empêchent un désalignement excessif qui, sinon, endommagerait les contacts. (Source de l'image : JAE Electronics)

Figure 9 : Lorsque deux cartes sont réunies pour l'insertion d'un connecteur à l'aveugle, les tiges de guidage compensent jusqu'à 1 mm de désalignement horizontal. (Source de l'image : JAE Electronics)

Une fois raccordé, le contact flottant du connecteur lui permet d'absorber les chocs et les vibrations typiques des applications automobiles sans risque de détérioration des contacts.

Sélectionner des connecteurs haute vitesse

La conception de systèmes de communications haute vitesse est délicate. Avant même que le concepteur ne commence à considérer l'intégrité des signaux d'un connecteur donné, la configuration du circuit imprimé associé doit tenir compte de facteurs tels que les impédances cibles et le routage des canaux de signaux différentiels haute vitesse pour limiter la diaphonie et les pertes. Toutefois, si le concepteur a tenu compte de ces facteurs et d'autres facteurs de conception clés, le connecteur peut jouer un rôle majeur dans la largeur de bande finale, le débit de données brutes et l'intégrité des signaux du système.

La première chose à vérifier lors de la sélection d'un connecteur haute vitesse est la bande passante maximum pour le protocole de communication souhaité. Il ne sert à rien de concevoir un système capable de fonctionner à haute vitesse si le connecteur n'est pas capable de gérer la fréquence opérationnelle du protocole. Un moyen simple d'y parvenir consiste à choisir des connecteurs certifiés conformes à la norme du protocole concerné. Ainsi, le concepteur peut être sûr que le connecteur a été spécialement conçu pour garantir un débit et une largeur de bande maximum.

Un connecteur conforme présentera également l'impédance cible pour le protocole haute vitesse pertinent (généralement 50 ohms (Ω)). D'autres facteurs de sélection tels que le matériau dans lequel le connecteur est fabriqué, le style de montage sur la carte et les dimensions sont importants, mais ont moins d'impact sur l'intégrité des signaux.

Bien que la certification de conformité donne au concepteur l'assurance que le connecteur peut convenir, il est important de tester le connecteur présélectionné sur un circuit imprimé de test dont la configuration est similaire ou identique à celle de l'article de production. La fiche technique ou le test du connecteur de manière isolée peut ne pas montrer les problèmes d'intégrité des signaux pouvant survenir dans la pratique. Les tests sur un assemblage prototype donneront une indication claire des problèmes de distorsion et/ou de réflexion des signaux.

Les mesures clés pour déterminer l'intégrité des signaux du connecteur sont les paramètres S et le diagramme en œil. Les paramètres S indiquent les pertes d'insertion et par réflexion du signal dans le domaine fréquentiel. Ils doivent être mesurés pour le circuit de travail avec le connecteur en place, puis comparés aux résultats avec le connecteur retiré pour évaluer son impact sur l'intégrité du signal.

Un diagramme en œil généré par un oscilloscope est une visualisation des performances du circuit dans le domaine numérique. Il s'agit de la méthode standard pour visualiser les pertes, la diaphonie, l'interférence intersymbole (ISI) et les taux d'erreur sur les bits. Là encore, les tests doivent être réalisés avec et sans le connecteur pour établir son impact sur l'intégrité du signal.

Conclusion

Il est difficile pour les concepteurs de répondre aux exigences de performances physiques et électriques des connecteurs carte-à-carte automobiles, tout en évitant également les dommages causés aux connecteurs en raison d'une tolérance de désalignement et de positionnement médiocre lors de l'assemblage automatisé haute vitesse. Les concepteurs peuvent relever ces défis grâce aux connecteurs de la série MA01 de JAE Electronics.

Comme illustré, les connecteurs MA01 sont conformes aux protocoles de communications multi-gigabit et offrent une solution robuste et fiable avec une insertion et une déconnexion à faible résistance. De plus, les connecteurs ont également été conçus dans l'optique d'un assemblage rapide. Des fonctionnalités telles que les capots amovibles, les connecteurs flottants et les tiges de guidage permettent de plus grandes tolérances lors du montage des cartes et de la connexion carte-à-carte à l'aveugle, sans risque de désalignement et de dommages causés aux contacts.