Integrità di segnale e miniaturizzazione

SISTEMI DI CONNESSIONE –

L’evoluzione tecnologica dei connettori è ancora in atto: i requisiti di integrità dei segnali e le esigenze di miniaturizzazione pongono infatti all’industria sfide sempre più difficili ai dispositivi di interconnessione. L’industria sta rispondendo con soluzioni innovative a tutti i livelli.

Nonostante l’aumento dei livelli di integrazione e la diffusione delle comunicazioni wireless, i connettori continuano a rivestire un ruolo fondamentale nella realizzazione dei sistemi elettronici; le loro prestazioni, pertanto, devono mantenere il passo con i progressi delle tecnologie basate sul silicio. L’evoluzione è legata a tre principali fattori: l’aumento della velocità dei segnali digitali, l’innalzamento dei valori di corrente assorbita dai grossi apparati, la miniaturizzazione dei sistemi. Quest’ultimo aspetto (che non riguarda solo i prodotti portatili ma anche i grandi sistemi fissi, sempre più densi) rende ancora più difficili le sfide poste dai primi due: un connettore di piccole dimensioni, infatti, è più soggetto a problemi di crosstalk e ha maggiori limitazioni nella conduzione di corrente. Un quarto fattore evolutivo è costituito dalle norme che progressivamente impongono la messa al bando di materiali dannosi per l’ambiente, costringendo l’industria ad abbandonare soluzioni ben collaudate.

Una definizione di connettore
Un connettore può essere definito come un componente meccanico che, accoppiato a un altro dispositivo dello stesso tipo, consente di stabilire una connessione elettrica separabile tra due circuiti. In elettronica si identificano normalmente sei diversi livelli di interconnessione:

  1. tra il “die” di silicio e i piedini del contenitore in cui esso è collocato;
  2. tra i piedini del contenitore e la scheda a circuito stampato;
  3. tra diverse schede Pcb all’interno di uno stesso sottosistema;
  4. tra sottosistemi diversi all’interno di uno stesso sistema;
  5. tra il sistema e elettronico e la sua interfaccia di input-output, cioè la porta installata sull’involucro esterno;
  6. tra sistemi diversi. Le connessioni hanno sempre natura permanente al primo livello e sono prevalentemente permanenti al secondo livello (salvo l’uso di zoccoli); sono invece sempre separabili ai livelli 3, 4, 5 e 6. Queste ultime, pertanto, sono le applicazioni in cui vengono impiegati i “connettori” nel senso più comune del termine.


L’industria elettronica impiega una enorme varietà di connettori, che possono essere classificati in diversi modi: in funzione dell’ambito applicativo, della loro struttura meccanica ecc. Generalmente in elettronica la nascita di nuovi formati di connettori è legata alla messa a punto di nuovi standard, ad esempio bus di interconnessione tra schede all’interno dei sistemi o interfacce di input-output tra sistemi diversi. Un recente esempio di questo secondo caso è rappresentato dal connettore Hdmi (High Definition Multimedia Interface).

Struttura del tipico connettore basato su contatti a molla
Nei connettori la continuità elettrica tra due circuiti viene realizzata semplicemente premendo un conduttore contro l’altro. Nella maggior parte dei casi la necessaria forza di compressione è ottenuta utilizzando come contatto elettrico un elemento flessibile (una “molla”, in senso lato), collocato all’interno di un ricettacolo. L’inserimento dell’altro contatto nel ricettacolo provoca una flessione della molla e quindi consente di generare la forza necessaria a mantenere la connessione. In virtù di una chiara metafora genitale, questa soluzione ha dato origine alle espressioni “connettore maschio” e “connettore femmina”. (Esistono tuttavia anche soluzioni che consentono di accoppiare due componenti identici, detti “ermafroditi”). I connettori basati su contatti a molla sono estremamente pratici poiché consentono di realizzare la connessione senza ricorrere ad utensili (ad es. un cacciavite, come avviene nel caso dei morsetti) o ad operazioni aggiuntive (ad esempio il serraggio di una ghiera filettata, come avviene per i connettori della Tv satellitare ecc.). I contatti realizzati in questo modo, inoltre, sono anche – per così dire – “autopulenti”, poiché l’attrito che si genera nell’operazione di inserimento è sufficiente a rimuovere l’ossido superficiale.
Un generico connettore basato su contatti a molla è composto di quattro principali elementi:

  1. una serie di contatti elettrici verso il connettore del genere opposto;
  2. una serie corrispondente di terminazioni per il collegamento permanente con il Pcb o con il cavo;
  3. un corpo di materiale isolante che mantiene questi elementi nella giusta posizione;
  4. un involucro esterno.


Normalmente i contatti sono realizzati in una speciale lega di rame che coniuga la buona conduttività elettrica con l’elasticità necessaria per fabbricare una molla (il rame puro non è abbastanza elastico). Questo materiale, però, non è adatto a costituire l’interfaccia fisica tra le due superfici di contatto, poiché fortemente soggetto a corrosione anche in condizioni ambientali normali. Per questo motivo i contatti dei connettori sono sempre ricoperti (placcati) da un sottile strato di nichel e da un ulteriore strato superficiale di oro o stagno, metalli molto più resistenti alla corrosione. Ovviamente l’opzione migliore e più costosa è rappresentata dall’oro, mentre lo stagno costituisce un’alternativa più economica. Prima dell’entrata in vigore della norma RoHS, al posto dello stagno era utilizzata una lega stagno-piombo. Benché ampiamente utilizzato per placcare i contatti, lo stagno non ha caratteristiche ideali poiché è soggetto al fenomeno del “fretting”: l’accumulo di frammenti di ossido - dovuto ai microscopici slittamenti tra le superfici di contatto – che può determinare un aumento della resistenza elettrica.

Parametri caratteristici e qualità di un connettore
Un buon connettore deve essere il più possibile “trasparente” per le grandezze elettriche che lo attraversano e deve assicurare una connessione affidabile per un tempo sufficientemente lungo, nelle condizioni ambientali proprie di ogni specifica applicazione. Deve inoltre essere facile da installare e da utilizzare. Uno dei parametri più importanti per quanto riguarda le alterazioni delle grandezze elettriche è la resistenza di contatto. Per effetto delle microscopiche asperità presenti sulle due superfici accoppiate, l’area realmente attraversata dalla corrente è molto piccola; si viene così a creare una “strettoia” che comporta ovviamente una certa resistenza. Nel caso dei connettori utilizzati per distribuire energia, la resistenza di contatto deve essere bassa per evitare surriscaldamenti. Nel caso dei connettori utilizzati per la trasmissione di dati, questo parametro è soltanto uno degli aspetti che influiscono sull’integrità dei segnali. Per quanto riguarda l’affidabilità della connessione, uno dei parametri fondamentali è la “forza normale” che mantiene pressati insieme i due contatti elettrici, maschio e femmina; il termine “normale” è usato qui nel senso di “perpendicolare” (rispetto alla superficie di contatto). In ogni specifico connettore il valore effettivo della forza normale è il risultato di un compromesso tra esigenze opposte: da un lato la qualità del contatto elettrico e la stabilità meccanica della connessione richiedono valori di forza elevati, ma dall’altro lato ai fini della praticità di impiego sono preferibili valori bassi - soprattutto per i moderni connettori che concentrano molti contatti in uno spazio ridotto. La forza normale, infatti, si riflette sulla forza di inserzione, necessaria per inserire il maschio nella femmina. Secondo varie fonti il valore minimo della forza normale dovrebbe essere pari a cento grammi, ma il contatto elettrico può essere mantenuto anche con valori molto più piccoli. In tema di affidabilità della connessione il riferimento alle condizioni applicative è sempre fondamentale, soprattutto nel caso di sistemi sottoposti a forti vibrazioni, ad alte temperature o alla presenza di gas o liquidi (per le applicazioni speciali il mercato offre ad esempio connettori totalmente ermetici ecc.). Ai fini della durata, un parametro importante è il numero massimo di operazioni di collegamento e scollegamento che il componente può sopportare nell’arco della propria vita. Un cenno, infine, all’aspetto dell’installazione. Sul lato opposto alla connessione separabile, ogni connettore deve ovviamente essere collegato in modo permanente a un circuito stampato oppure a un cavo. Nel caso del Pcb la connessione può avvenire tramite saldatura (through-hole o Smt) oppure con la tecnica “press-fit”, ampiamente utilizzata per i backplane. In questo caso le terminazioni del connettore sono costituite da particolari piedini (compliant pin) che vengono inseriti a pressione in altrettanti fori metallizzati. Nel caso dei cavi le tecniche di connessione permanente dipendono anche dal tipo di conduttore. I cavi piatti, ad esempio, si prestano alla tecnica detta “a perforazione di isolante”, che consente di evitare la “spellatura” del cavo stesso.

Migliore integrità dei segnali
Una delle tendenze principali nell’evoluzione tecnologica dei connettori è costituita dagli accorgimenti adottati per migliorare l’integrità dei segnali, condizione indispensabile per tenere il passo con l’aumento delle velocità (decine di Gb/s) e con la diffusione della tecnologia Lvds (Low Voltage Differential Signaling). Va detto comunque che i progressi dell’elettronica, responsabili del “problema”, rendono possibile anche una parziale soluzione: grazie agli equalizzatori, infatti, i sistemi elettronici possono oggi tollerare anche segnali deteriorati, pertanto numerosi connettori sono stati recentemente “promossi” a velocità più alte di quelle per cui erano stati progettati. In alcuni casi gli equalizzatori attivi vengono incorporati direttamente nei “cable assembly” (l’insieme di uno spezzone di cavo e di due connettori).
I connettori per backplane forniscono un ottimo esempio della ricerca di nuove soluzioni volte a migliorare l’integrità dei segnali, particolarmente per quanto riguarda il crosstalk tra coppie differenziali vicine. Su questo terreno si confrontano due filosofie diverse: da un lato l’uso di schermature poste all’interno del connettore, tra una coppia e l’altra; dall’altro lato l’impiego di una particolare mappatura dell’abbinamento tra segnali e contatti, che consente l’annullamento reciproco tra campi elettromagnetici opposti. Quest’ultima soluzione, promossa soprattutto dal costruttore Fci, consente di fare a meno delle schermature. In ogni caso la tecnologia Lvds richiede che l’assegnazione dei contatti all’interno di uno stesso connettore sia determinata considerando le esigenze di integrità dei segnali, anche per quanto riguarda il rapporto numerico tra pin di segnale e pin di “terra”. Il mercato, inoltre, offre oggi connettori appositamente progettati per i segnali Lvds, con pin predisposti per svolgere funzioni diverse.
Un altro aspetto importante è la tecnologia utilizzata per la connessione permanente tra il connettore e il backplane. Negli ultimi anni in questo tipo di applicazioni si è imposta la già citata soluzione press-fit, poiché il montaggio superficiale non si presta in modo ottimale all’installazione di componenti così grossi. Purtroppo i fori metallizzati necessari per il press-fit costituiscono una significativa minaccia per l’integrità dei segnali, pertanto gli analisti prevedono che questa tecnologia sarà presto soppiantata dal montaggio superficiale. D’altra parte, in futuro le ulteriori miniaturizzazioni richiederanno fori sempre più vicini e quindi sempre più difficili da praticare.
Un altro aspetto che ha assunto importanza ai fini dell’integrità dei segnali Lvds è l’adattamento di impedenza tra il connettore e il resto del sistema, necessario per evitare riflessioni. Recentemente sono comparsi standard che adottano un’impedenza differenziale di 85 ohm, al posto dei 100 ohm precedentemente utilizzati: è il caso di Pci Express Gen 2 e del bus seriale Quick Path Interconnect di Intel. L’industria dei connettori si è adeguata mettendo a punto modelli a 85 ohm, ottenuti modificando le geometrie e scegliendo nuovi materiali. Tra le aziende che hanno presentato prodotti di questo tipo sono comprese Fci, Amphenol e Molex. Un cenno, infine, ai connettori per input-output, anch’essi interessati da un crescente impiego di schermature: è il caso, ad esempio, di Usb, Hdmi e DisplayPort.

Maggiore portata di corrente
Per quanto riguarda i connettori utilizzati per distribuire l’energia all’interno di grandi sistemi elettronici come i server, una delle tendenze in atto consiste nell’aumento delle portate di corrente. Questo miglioramento è ottenuto grazie a vari accorgimenti: nuove leghe più conduttive per la fabbricazioni dei contatti (nelle leghe normali l’elasticità necessaria per realizzare le molle viene ottenuta al prezzo di una riduzione della conducibilità), spessori metallici più elevati, aumento delle superfici di contatto, involucri con aperture che agevolano l’aerazione del connettore. Molti nuovi prodotti, inoltre, consentono di effettuare la connessione e la disconnessione anche sotto tensione. Il parametro utilizzato dai produttori per misurare l’efficienza dimensionale dei connettori di potenza è il rapporto tra la corrente massima e lo spazio occupato, espresso in “ampere per pollice lineare” (con riferimento a banchi di contatti allineati). Alcuni prodotti Molex, ad esempio, offrono una portata di 200 ampere per pollice lineare. Aumenta, inoltre, la diffusione di connettori ibridi che riuniscono nello stesso involucro contatti di potenza e di segnale. L’odierna evoluzione dei connettori di potenza è influenzata anche dagli standard messi a punto dall’associazione Server System Infrastructure.

Nuovi meccanismi di connessione
In alcune applicazioni, la tradizionale soluzione basata sui contatti a molla è stata recentemente affiancata da altre tecnologie che consentono di realizzare connessioni elettriche separabili. Tra essere è compresa la soluzione “a compressione” denominata Cin::apse, sviluppata da Cinch. Rivolta principalmente alla connessione tra schede Pcb sovrapposte, essa si basa su un elemento di interposizione dotato di fori in cui sono inseriti speciali conduttori che sporgono su entrambe le facce. La connessione viene ottenuta comprimendo l’insieme costituito dalle due schede e dall’elemento di interposizione. Un altro possibile esempio di connessione a compressione è la tecnologia Zebra sviluppata da Fujipoly, rivolta in modo particolare al collegamento tra il display Lcd e la sottostante scheda Pcb. In questo caso l’elemento di interposizione è costituito da una striscia composta da strati di elastomeri isolanti alternati a strati di materiale conduttore. Rispetto alla forma della striscia, gli strati non sono sovrapposti bensì affiancati; ogni elemento conduttore, pertanto, attraversa lo spessore della striscia da sopra a sotto. Il passo degli strati conduttivi è molto più piccolo rispetto al passo dei pad nel display e nel Pcb, pertanto l’isolamento tra pad vicini è sempre assicurato da almeno uno degli strati isolanti. La tecnologia Pariposer di Paricon Techologies impiega materiali diversi ma un principio simile: l’elemento di interposizione è conduttivo in direzione alto-basso, isolante in direzione destra-sinistra.

Nuovi materiali per i contatti
L’evoluzione tecnologica dei connettori dipende ovviamente anche dall’adozione di nuovi materiali adatti alle nuove esigenze. Per quanto riguarda la placcatura dei contatti, una delle novità allo studio è la sostituzione dell’oro con un materiale più economico denominato MaxPhase, un nanocomposito di titanio, silicio e carbonio sviluppato in Svezia. Inoltre, in vista della messa al bando dei polimeri contenenti alogeni – attualmente utilizzati per fabbricare il corpo isolante dei connettori - l’industria è alla ricerca di nuove resine altrettanto economiche e ininfiammabili.

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