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초소형 설계에서 전선 기판 간 커넥터의 이점을 활용하는 방법

작성자: Steven Keeping

Digi-Key 북미 편집자 제공

기판 실장 헤더에 연결되는 리셉터클 하우징에 삽입되는 전선으로 구성된 유선 연결이 널리 사용됩니다. 유선 연결은 자동차, 산업, 조명 및 통신 응용 분야에 사용되는 제품에서 개별 pc 기판 간의 통신 및 전력을 라우팅하기 위해 간단하면서도 강력한 저비용 솔루션을 제공합니다.

하지만 이러한 전선 기판 간 연결은 몇 가지 단점이 있습니다. 예를 들어 기존 커넥터는 크고 높이가 높아서 콤팩트 설계에 실용적이지 않습니다. 또한 커넥터와 케이블을 조립하는 것이 까다로워 대량 생산 공정이 느려질 수 있습니다.

높이가 1.4mm로 작고 자동화된 표면 실장 조립품과 간소화된 케이블 구성과 호환되도록 설계된 초소형 커넥터의 도입으로 이제 이 문제가 해결되었습니다. 이러한 커넥터는 작지만 금도금 접점, 스트레인 완화 기능, 필요 시 간단히 분리할 수 있는 잠금 메커니즘과 같은 기능을 제공하여 안정적인 유선 링크에 대한 기계 및 전기 무결성 요구를 충족합니다.

이 기사에서는 유선 연결의 이점을 간략히 살펴보고 차세대 콤팩트 커넥터를 통해 전자 제품에서 이러한 이점을 쉽게 활용할 수 있는 방법을 알아봅니다. 그런 다음 Molex의 예제를 통해 이러한 커넥터의 구조를 살펴보고 작은 커넥터에서 높은 무결성 신호 링크를 제공하는 방법과 대규모 조립품에 적합한 커넥터 및 연결된 케이블의 특징을 알아봅니다.

유선 연결 축소

커넥터와 케이블은 단일 제품에 실장된 여러 인쇄 회로 기판(PCB) 간의 전력 송신과 신호 전송을 위한 간단하지만 안정적이고 경제적인 솔루션을 보장합니다. 하지만 이렇게 하려면 진동, 먼지 및 발열 환경에서도 우수한 신호 무결성 성능을 보장하는 강력한 연결이 필요합니다. 커넥터 제조업체인 Molex는 리셉터클 단자, 리셉터클 하우징 및 헤더로 구성된 시스템을 개발하여 검증된 솔루션을 제공합니다(그림 1).

전선 기판 간 시스템의 이미지그림 1: 전선 기판 간 시스템은 간단하지만 강력하고 무결성이 높은 연결 솔루션을 제공합니다. (이미지 출처: Molex)

Molex 전선 기판 간 시스템은 그림 2에서 확인할 수 있습니다.

전선, 리셉터클 단자, 헤더 조립품으로 구성된 Molex 전선 기판 간 시스템의 이미지그림 2: Molex 전선 기판 간 시스템은 전선, 리셉터클 하우징에 연결되는 리셉터클 단자, 하우징과 결합되는 헤더 조립품으로 구성됩니다. (이미지 출처: Molex)

이러한 유형의 기존 시스템(예: Molex의 Mini-Lock Wire-to-Board 시스템)에서는 커넥터 핀 간격을 위해 2.5mm 피치를 사용합니다. 이러한 시스템은 잘 작동하지만 상대적으로 넓은 피치로 인해 리셉터클과 헤더의 전체 크기가 매우 커지는 경향이 있습니다. 예를 들어 기판 실장형 0534260610 6위치 헤더의 크기는 17.4mm 폭 x 11.5mm 깊이 x 6.7mm 높이(부피 1340mm3)입니다. 결합 리셉터클 하우징(0511020600)의 크기는 15.5mm 폭 x 9.5mm 깊이 x 5.8mm 높이(부피 850mm3)입니다.

최근에 Molex는 피치가 더 좁은 전선 기판 간 시스템을 도입했습니다. 그런 제품에는 2A 전류 용량, 1.5mm(5040500691) 및 1.0mm(5037630691) Pico-Lock System과 1.2mm(0781715006) Pico-EZmate System이 있습니다. 좁은 피치 핀의 영향으로 전체 커넥터 크기가 현저하게 감소했습니다(표 1).

Mini-Lock 2.5mm Hdr Pico-Lock 1.5mm Hdr Pico-Lock 1.0mm Hdr Pico-EZMate 1.2mm Hdr
폭(mm) 17.4 12.75 9.8 9.0
깊이(mm) 11.5 6.1 4.85 4.5
높이(mm) 6.7 2.0 1.5 1.4
부피(mm3) 1340 156 71 57
부품 번호 WM3425-ND WM10143CT-ND WM25688CT-ND WM5408CT-ND

표 1: Mini-Lock(0534260610), Pico-Lock(5040500691 및 5037630691), Pico-EZmate 계열(0781715006)의 6위치 헤더 크기 (표 출처: Digi-Key Electronics)

커넥터 시스템이 작은 기판 영역을 차지하고 높이가 낮으므로(그림 3) 엔지니어가 이전에는 너무 작아서 기술을 수용하지 못했던 제품에서 안정적이고 경제적인 전선 기판 간 연결을 활용할 수 있게 되었습니다.

Molex의 표면 실장 Pico-Lock 헤더 구성도그림 3: 표면 실장 Pico-Lock 헤더는 프로파일이 1.5mm로 콤팩트 최종 제품에서 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Molex)

전선 기판 간 커넥터의 주요 요소

Molex 커넥터 시스템을 간소화해주는 주요 요소는 리셉터클 단자입니다. 이 단자는 먼저 전선 끝에 크림핑된 다음 리셉터클 하우징에 삽입되는 부품입니다. Molex는 24개 ~ 28개 AWG 전선 및 Pico-Lock 커넥터에 사용하기 위한 금도금(5040520098)과 28개 ~ 30개 AWG 전선 및 Pico-EZmate 시스템에 사용하기 위한 0781720411을 비롯한 다양한 리셉터클 단자를 제공합니다. 0638275700 크림퍼, 자동 크림핑 시스템과 같은 수공구를 사용하여 크림핑된 연결을 생성합니다.

크림핑된 리셉터클 단자를 통한 연결(그림 4)은 다음과 같은 몇 가지 주요 부품으로 구성됩니다.

  • 벨 마우스: 컨덕터 크림프의 가장자리에 형성되어 전선 가닥을 위한 깔때기 역할을 하는 플레어입니다. 이 부품은 리셉터클 단자의 뾰족한 모서리로 인해 전선 가닥이 잘리거나 자국이 남을 가능성을 줄여주므로 중요합니다.
  • 컨덕터 크림프: 가장 중요한 연결 부품이며 전선 커넥터 주위의 단자를 기계적으로 압축하여 형성되며, 추가적인 납땜 작업 없이 낮은 저항에 높은 전류가 흐르는 기능으로 일반 전기 경로를 구축합니다.
  • 컨덕터 브러시: 단자의 접촉면에서 크림프를 통과하여 확장되지만 크림핑된 연결의 결합 영역을 침입하지 않는 전선 가닥을 말합니다. 이 확장은 크림핑 공정 중에 가해지는 기계적 압축이 전선 컨덕터의 최대 면적에 걸쳐 적용되도록 보장해주므로 중요합니다.
  • 절연 크림프: 하우징 및 스트레인 완화 장치에 삽입하기 위해 전선을 지지하는 단자의 일부이며, 컨덕터를 통과하여 절단하지 않고 전선을 최대한 단단히 고정하는 데 필요합니다.

Molex 리셉터클 단자로 형성된 크림핑된 연결의 구성도그림 4: Molex 리셉터클 단자와 공구로 형성한 크림핑된 연결 부분 (이미지 출처: Molex)

잘 만들어진 크림핑된 연결은 다음과 같은 특징을 가집니다(그림 5).

  • 피어싱 없이 절연부를 압축하는 절연 크림프
  • 컨덕터 크림프 섹션의 전면에서 전선 컨덕터의 지름만큼 돌출된 컨덕터 브러시
  • 절연부와 컨덕터 크림프 섹션 사이의 영역에 표시되는 절연 및 컨덕터
  • 앞쪽 끝과 뒤쪽 끝에 벨 마우스 모양이 표시된 컨덕터 크림프 섹션
  • 크림핑 공정의 영향을 받지 않는 전이 및 결합 섹션

잘 만들어진 크림핑된 연결의 특성 구성도그림 5: 잘 만들어진 크림핑된 연결은 피어싱 없이 절연부를 압축하는 절연 크림프와 보이는 벨 마우스가 있다는 특징이 있습니다. (이미지 출처: Molex)

크림프 높이 측정은 전선 컨덕터 주변 크림프의 기계적 압축을 확인하는 빠르고 비파괴적인 방법입니다. 크림프 높이는 형성된 크림프의 상단 표면에서 하단 방사형 표면까지의 거리로 정의됩니다. 펀치와 모루 공구 사이의 공간거리로 인해 컨덕터 크림프의 하단에 형성되는 압출품(또는 소형 플레어)은 크림프의 품질을 더 잘 보여줍니다. 모루가 마모되거나 단자가 초과 크림핑된 경우 과도한 압출이 발생합니다. 펀치와 모루가 오정렬되거나 피드 조정이 잘못된 경우 고르지 않은 압출이 발생할 수도 있습니다.

또한 조립 후 크림핑된 리셉터클 단자를 기계적으로 정렬해야 합니다. 꼬임이나 굽힘이 발생하여 크림핑된 섹션과 결합 섹션이 오정렬된 경우 소켓 커넥터를 커넥터 헤더에 삽입할 수 없습니다.

성공적으로 형성되면, 크림핑된 리셉터클 단자가 리셉터클 하우징에 삽입됩니다. 크림핑된 리셉터클 단자가 기계적으로 정렬된 경우 이는 어렵지 않지만 단자가 헤더에 올바르게 결합하는지 확인해야 합니다. 일반적으로 하우징에는 연결된 전선이 스트레인 상태에서 제자리에 클림핑되면 단자가 분리되지 않도록 하는 잠금 메커니즘이 포함되어 있습니다. 예를 들어 Pico-Lock 계열 단자용 Molex 5037640601 6위치 리셉터클 하우징에는 리셉터클 단자의 금속 랜스에 결합하고 리셉터클이 하우징에서 빠지지 않도록 해주는 성형 랜스가 있습니다(그림 6).

Molex의 Pico-Lock 계열 이미지그림 6: Molex의 Pico-Lock 계열에서 리셉터클 단자의 랜스는 리셉터클 하우징과 결합되어 리셉터클을 제자리에 고정합니다. (이미지 출처: Molex)

리셉터클 단자를 리셉터클 하우징에 삽입한 후 완성된 케이블 조립품을 기판 실장 헤더에 삽입할 수 있습니다. 하우징과 헤더가 기계적으로 정렬된 경우 커넥터 시스템의 설계로 인해 상대적으로 간단히 삽입되지만 커넥터가 매우 작으므로 주의해야 합니다. 리셉터클 단자를 느슨해지지 않도록 리셉터클 하우징에 고정할 때와 동일한 방식으로 헤더를 삽입한 후 헤더가 쉽게 분리되지 않도록 해주는 메커니즘이 하우징 및 헤더에도 포함되어 있습니다. 예를 들어 Pico-Lock 계열을 위한 6위치 리셉터클 하우징에는 하우징을 헤더에 연결하면 결합되는 포지티브 잠금 2개와 마찰 잠금이 포함되어 있습니다(그림 7).

포지티브 잠금 2개와 마찰 잠금이 포함된 Molex의 Pico-Lock 헤더 구성도그림 7: Pico-Lock 헤더에는 강력한 결합을 보장해 주는 포지티브 잠금 2개와 마찰 잠금이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Molex)

자동 조립용으로 제작

기존 헤더는 프로파일이 불편하고 일반적으로 스루홀 연결을 사용하여 pc 기판에 실장되므로 대규모 제품 제조업체의 입장에서 전선 기판 간 시스템은 까다로운 문제가 될 수 있습니다. 예를 들어 Molex Mini-Lock 0534260610은 스루홀 기술을 제공합니다. 이 특징으로 인해 자동 배치 장비를 사용하여 기판에서 커넥터를 조립할 수 없으므로 제조업체에서 수동 공정을 라인에 추가하느라 생산이 느려집니다.

이 문제를 해결하기 위해 Molex의 Pico-EZMate 및 Pico-Lock(기판 실장) 헤더는 표면에 실장하도록 고안되었습니다. 이 장치는 스루홀 연결 대신 납땜 패드를 제공하며 자동 배치 기계에 사용되는 릴에 직접 포장되도록 설계되었습니다. 또한 헤더에는 배치 기계 진공 노즐을 통한 흡착을 지원하기 위한 평평한 표면이 있습니다(그림 8, 9, 10).

Molex의 Pico-Lock 및 Pico-EZmate 커넥터 구성도그림 8: Molex Pico-Lock 및 Pico-EZmate 커넥터는 표면 실장용으로 설계되었습니다. 여기에는 Pico-Lock 헤더용 납땜 패드 패턴이 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Molex)

Molex의 Pico-Lock 및 Pico-EZmate 커넥터 구성도그림 9: Molex의 Pico-Lock 및 Pico-EZmate 커넥터는 자동 배치 기계에 적합한 릴에 공급될 수 있습니다. 여기에는 Pico-Lock 헤더용 릴 포장이 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Molex)

크고 평평한 표면이 있는 Molex의 Pico-Lock 및 Pico-EZmate 커넥터 구성도그림 10: Molex의 Pico-Lock 및 Pico-EZmate 커넥터에는 자동 배치 기계 진공 흡착 도구를 위한 크고 평평한 표면이 있습니다. 여기에는 Pico-Lock 헤더의 흡착 표면이 표시되어 있습니다. 6위치 헤더의 크기 ‘A’는 9.8mm입니다. (이미지 출처: Molex)

결론

전선 기판 간 커넥터 시스템은 자동차, 산업, 조명 및 통신 제품에서 pc 기판 간에 전력 및 신호 라우팅을 위한 검증되고 경제적인 방법을 제공합니다. 하지만 기존 설계는 상대적으로 큰 치수로 인해 더 작은 최종 제품에서 사용할 수 없습니다.

이제 엔지니어는 차세대 콤팩트 전선 기판 간 시스템을 사용하여 이러한 제품의 이점을 훨씬 더 작은 장치로 확장할 수 있습니다. 제조업체의 사양에 따라 제품을 조립할 경우 이 커넥터 시스템은 장기적으로 안정적인 서비스를 제공하고 가장 정교한 핀 피치를 가진 커넥터에도 최대 2A의 전류를 공급할 수 있습니다.

이러한 시스템의 일부로 포함되는 기판 실장 헤더는 대규모 조립품 환경에 공통적인 자동 배치 기계에 사용하도록 설계되었습니다.

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Steven Keeping

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Digi-Key 북미 편집자