Heureusement, il existe une méthode éprouvée et quasi infaillible pour prédire la fiabilité d'un connecteur : la contrainte de contact en hertz. Les concepteurs de systèmes électroniques peuvent consulter cet indicateur, qui prend en compte les principaux facteurs générant le courant et la résistance, afin de s'assurer que les connecteurs choisis ne les décevront pas, ni leurs utilisateurs finaux.
La fiabilité des connecteurs ne peut être laissée au hasard, et il n'y a aucune raison de le faire. Il y a quinze ans, une analyse d'IBM a démontré qu'un seul indicateur – une contrainte de contact en hertz élevée – garantit pratiquement les bonnes performances d'un connecteur.
Il est surprenant que cette information soit encore méconnue de nombreux concepteurs de systèmes électroniques et fabricants de produits dont le fonctionnement repose sur les connecteurs. Ces derniers sont considérés comme des composants interchangeables, c'est-à-dire qu'ils sont tous équivalents. Cette idée fausse engendre des pannes et des interventions correctives coûteuses et fastidieuses, qui pourraient être évitées simplement en utilisant des connecteurs conçus pour résister à une contrainte de contact en hertz élevée.
Les défaillances de connecteurs passent souvent inaperçues jusqu'à leur utilisation.
Malgré les nombreuses innovations et avancées significatives du secteur, les clients rencontrent encore trop de problèmes dus à des défaillances de composants. Bien souvent, ces problèmes n'apparaissent que lors de l'utilisation des produits finis sur le terrain. Dans toute application, des dispositifs médicaux aux radios militaires, si les utilisateurs finaux découvrent des problèmes et des erreurs, cela peut avoir de graves conséquences pour les fabricants et les fournisseurs des systèmes électroniques défectueux intégrant ces connecteurs.
Les entreprises qui achètent des connecteurs pour leurs équipements ne souhaitent pas faire de leurs clients des testeurs, mais elles se sentent contraintes de faire face à cette situation, faute de méthodes de test proactives et prédictives permettant de garantir le bon fonctionnement d'un connecteur en toutes circonstances. En bref, elles ignorent que l'utilisation de l'effort de contact en hertz comme paramètre de spécification pour les connecteurs peut prévenir la plupart des défaillances et éviter des dépenses considérables en actions correctives.
Contact universel ITT. Zone de connexion du contact universel ITT. Source : ITT Cannon
La contrainte de contact de Hertz comme indicateur de performance prédictif.
Il existe une méthode infaillible pour prédire la fiabilité d'un connecteur : la contrainte de contact de Hertz. Ce paramètre, également appelé force de Hertz, correspond au calcul de la contrainte créée lorsque deux surfaces courbes entrent en contact et se déforment légèrement sous l'effet de charges appliquées. Dans ce cas, un niveau de contrainte élevé est un avantage, car il indique une plus grande quantité de matériau de contact, gage d'un contact solide et fiable, et donc de la performance du connecteur. Ce principe a été démontré de manière concluante il y a plusieurs décennies par des ingénieurs d'IBM qui ont analysé différentes conceptions de contacts afin de déterminer s'il existait un dénominateur commun permettant de prédire la réussite ou l'échec d'un connecteur.
L'analyse a révélé que « les conceptions de contacts des connecteurs défaillants étaient toujours caractérisées par une faible contrainte de contact de Hertz, tandis que celles des connecteurs performants présentaient une contrainte de contact de Hertz dix fois supérieure ». Cette conclusion a été confirmée au fil des ans et est devenue un indicateur de plus en plus important à mesure que la conception des connecteurs a évolué pour intégrer des connecteurs plus petits et plus légers, des contacts plus discrets et des modèles capables de résister à des environnements difficiles tels que les vibrations et les chocs. L'indicateur de contrainte de contact Hertz est le meilleur moyen pour les concepteurs de systèmes électroniques de s'assurer qu'ils intègrent des connecteurs haute performance dans leurs produits.
Principes physiques :
Pour comprendre pourquoi une contrainte de contact à haute fréquence (Hertz) garantit quasiment un bon fonctionnement, il est essentiel de comprendre les principes physiques qui sous-tendent le fonctionnement des connecteurs. Toutes les connexions électriques métalliques sont réalisées par l’assemblage de structures métalliques déformables qui créent des points de contact ou aspérités métalliques microscopiques (appelés « points A ») par lesquels circule le courant. Le nombre et l’emplacement de ces points A sont déterminés par l’état de surface, la géométrie du contact, la résistance du matériau et la force appliquée lors de l’assemblage des deux pièces.
Une fois ces ponts métalliques formés, l'objectif est de réduire et/ou de stabiliser les facteurs susceptibles de diminuer le courant entre les points A. La résistance de contact totale est la somme de trois types de résistance :
Rt = Rb + Rc + Rf,
où :
Rt = résistance de contact totale ;
Rb = résistance brute (due à la métallurgie des éléments de contact) ;
Rc = résistance de retrait (due à la taille, au nombre et à la répartition des points A) ;
Rf = résistance de peau (due à la formation d'oxydes, à la vapeur d'eau et à d'autres films barrières).
Figure 1 : Diagramme de résistance de contact. Source : ITT Cannon
L'épaisseur du film conducteur est la variable résistive la plus pertinente. Tous les métaux possèdent un film conducteur, dont l'épaisseur peut être « mince » ou « normale » pour des métaux comme le cuivre, l'aluminium, le fer et le nickel, et « épaisse » pour les métaux vieillis. Plus le film est épais, plus la résistance au courant est élevée et plus les niveaux de contrainte de contact de Hertz sont faibles et instables. La solution ne consiste pas simplement à augmenter la force de liaison entre les deux pièces métalliques, ce qui peut entraîner une fatigue du matériau et une défaillance du connecteur, mais plutôt à améliorer la conception du contact. Pour obtenir des niveaux de contrainte de contact de Hertz optimaux et stables, ainsi que de bonnes performances du connecteur, le connecteur idéal est conçu avec des surfaces convexes et non planes. Le schéma ci-dessous illustre la différence typique entre deux conceptions de contact. Lorsqu'une force normale (c'est-à-dire la force qui presse les deux pièces métalliques l'une contre l'autre dans des directions opposées) est appliquée à ces deux connecteurs, la contrainte de contact de Hertz est plus élevée dans le connecteur de droite. Ce schéma démontre que la pratique courante consistant à se fier à la force normale pour estimer les performances du contact est erronée. Le connecteur convexe de droite offre une meilleure fiabilité car les forces normales sont canalisées sur une surface plus petite. Cela signifie qu'une force plus importante par unité de surface est disponible pour pénétrer l'obstacle que représente une résistance de contact stable : les films de contact.
Cependant, si le film est trop épais, comme c'est le cas pour les métaux vieillis, aucune force appliquée à deux pièces métalliques statiques ne permettra la formation de points de contact A et le passage du courant. Dans ces cas, la solution consiste en un « glissement » du contact, introduisant ainsi un mouvement dans l'équation.
Ce « glissement » est défini comme l'action d'un contact mobile par rapport à un contact statique, visant à éliminer les films et les débris jusqu'à l'obtention d'une résistance de contact stable. Cette opération est délicate. Si le mouvement ou la force est insuffisant, il sera impossible de pénétrer le film. À l'inverse, si le mouvement du contact qui tire sur le film est excessif, il crée de nouveaux débris qui augmentent la résistance de contact.
Figure 2 : L’utilisation de la force normale comme indicateur de performance de contact, pratique courante, est incorrecte. Source : ITT Cannon
L'étude d'IBM souligne : « Les géométries qui maximisent l'effort de contact sont également celles qui offrent la plus petite surface de contact. Si la force par unité de surface est suffisamment importante pour traverser le film et éliminer les débris, le contact ne remontera pas sur le film et la résistance de contact sera maintenue. L'élément clé réside, une fois encore, dans l'effort de contact de Hertz, qui détermine la formation d'aspérités en fin de course et la capacité du contact à se maintenir pendant son déplacement. »
Cette étude d'IBM, qui démontre l'importance capitale de l'effort de contact de Hertz, a été menée en collaboration avec les ingénieurs d'ITT spécialisés dans les connecteurs. Forts de ces résultats, les ingénieurs d'ITT ont repensé de nombreuses gammes de connecteurs afin d'atteindre des niveaux élevés d'effort de contact de Hertz. La gamme de produits actuelle d'ITT comprend les connecteurs de marque ITT Cannon, qui ont prouvé leur capacité à fournir un effort de contact de Hertz élevé dans une vaste gamme d'applications. La plupart de ces connecteurs ITT Cannon sont disponibles chez Powell Electronics en Europe. Ces connecteurs sont basés sur le contact universel ITT Cannon, dont la surface de contact répond aux spécifications de conception idéales pour obtenir une force de contact de Hertz élevée. La conception convexe offre de nombreux autres avantages, tels qu'une force de 0,3 N avec seulement 0,1 mm de déviation et un mouvement XYZ, assurant une connexion robuste entre le contact et le composant.
De nombreux clients, issus de marchés variés tels que les dispositifs médicaux portables, les smartphones, les détecteurs de fumée, les systèmes d'alarme, les radios militaires, les cartes mémoire et les GPS, font confiance au connecteur universel ITT Cannon pour répondre à leurs besoins fonctionnels, grâce à sa force de contact élevée garantissant une performance fiable.
ITT propose d'autres connecteurs conçus pour fournir une force de contact élevée, comme la gamme ITT Cannon QLC (Quad Lock Connect), qui répond à divers besoins dans les applications médicales, industrielles et d'instrumentation, notamment les échographes portables, les systèmes de surveillance des patients, les endoscopes et les équipements de test, et même les équipements de fabrication de semi-conducteurs.
À l'instar des connecteurs de la série DL, le connecteur QLC est extrêmement fiable et dispose d'un grand nombre de broches : jusqu'à 260 contacts pour le montage sur circuit imprimé. Grâce aux progrès technologiques appliqués aux petits équipements d'imagerie portables, ITT a réduit l'espacement standard DL à 0,8 mm, diminuant ainsi la taille globale de plus de 60 % tout en conservant le même nombre de broches.
Ce grand nombre de broches permet aux ingénieurs d'utiliser différentes méthodes de mise à la terre pour préserver l'intégrité du signal. L'interface du connecteur QLC utilise des ressorts EMI et un mécanisme de verrouillage de blindage pour garantir une pression de contact uniforme sur tout le périmètre du connecteur, assurant ainsi un blindage efficace contre les interférences électromagnétiques (EMI/RFI). La force de contact élevée (en hertz) est obtenue grâce à un système de cames performant qui adapte le système de contact à sa position d'accouplement. En faisant de la force de contact (en hertz) un paramètre de conception fondamental, les ingénieurs et concepteurs de produits d'ITT garantissent que la fiabilité du connecteur est à la hauteur de sa fonctionnalité. Les connecteurs ITT sont conçus pour offrir des performances optimales aux clients, garantissant ainsi leur fiabilité.
La force de contact (en hertz) est le meilleur indicateur des performances futures d'un connecteur. Les entreprises qui utilisent, développent ou commercialisent des dispositifs à base de connecteurs doivent évaluer la capacité de ces composants à fournir une force de contact (en hertz) optimale et constante.
https://powell-europe.com/about-us
Auteur : David Camison Tornavacas est le représentant de Powell Electronics en Espagne - https://powell-europe.com/
