직접 플러그인 절연 변위 커넥터를 사용하여 조립품 및 BOM 간소화

엔지니어가 다접점 상호 연결을 위해 절연 변위 커넥터(IDC)와 그에 연결되는 리본 케이블을 사용하는 경우가 종종 있는데, 이는 접점 밀도가 높고, 한 번에 대량 종단이 가능하며, 피복을 벗길 필요 없다는 장점때문입니다. IDC 사용자는 일반적으로 수 핀과 암 리셉터클 반쪽을 결합하여 2부품 커넥터 배열을 구성한다고 가정합니다. 이러한 IDC는 다양한 스타일(예: 기판 실장, 자유 장착)로 제공되며 최소 8개 접점에서 최대 50개(일반적) 접점으로 제공되며 멀티컨덕터 플랫 리본 케이블과 함께 사용됩니다.

IDC는 많은 이점을 제공하지만 설계자는 직접 부품 비용을 절감하고, 부품 명세서(BOM)상의 품목 수를 줄이며, 구매 및 조달 과정을 간소화하고, 생산 환경에서 조립 공정을 효율화할 수 있는 방법을 항상 강구합니다. 단일 IDC 커넥터를 사용하여 플랫 케이블을 종단하면 보완적인 결합 커넥터가 필요 없을 뿐 아니라 이러한 모든 목표를 한 번에 실현할 수 있습니다.

IDC 커넥터에 대한 “통념”에 반하는 이 혁신이 Würth Elektronik의 WR-WST REDFIT IDC SKEDD 플랫 케이블 IDC 커넥터에 사용됩니다. 이 커넥터는 pc 기판을 결합 접점으로 사용하여 성능 저하 없이, 비용도 절감하고, 조립 과정도 간소화하고, BOM에 필요한 항목 수도 줄여줍니다. 이 기사에서는 그런 IDC 커넥터 혁신의 이면에 있는 촉진 요소를 살펴본 다음 WR-WST 커넥터를 소개하고 그 활용 방법을 알아봅니다.

IDC란 무엇이고 왜 필요한가?

IDC는 많은 신호 및 전력 전선을 쉽고 빠르게 종단하고 연결 경로를 쉽고 빠르게 생성 및 차단하여 다양한 문제를 해결합니다(그림 1). IDC 기반 케이블 조립품은 많은 응용 분야(예: 인접한 pc 기판 사이, 공정 pc 기판과 상대적 원격 사용자 디스플레이/키패드 조립품 사이)에서 널리 사용됩니다. 일부 설계에서는 플랫 케이블이 다른 pc 기판을 공통 경로에 연결할 수 있도록 가요성 케이블을 따라 배치되는 커넥터와 케이블 종단 연결을 모두 지지하는 가요성 “버스”로 사용되기도 합니다.

그림 1: IDC 케이블 조립품에서는 대량 종단 크림프온 암/수 결합 커넥터를 다선 플랫 리본 케이블(예: 이 16전선 조립품)과 함께 사용합니다. 리본 케이블은 예에 보이는 무지개색이 아니라 단색일 수도 있습니다. (이미지 출처: eBay)

IDC 기술은 50년 전에 개발되었습니다. IDC 기술은 채택된 이후 폭넓게 사용되고 있으며, 사용 가능한 버전, 접점 밀도, 커넥터당 접점 수 등의 측면에서 많은 발전을 이루어 왔습니다. 이름에서 알 수 있듯이 IDC 기술은 케이블 커넥터(전선) 주위의 일부 절연을 변위 또는 푸시하고 구리에 전기적으로 직접 연결하는 원칙에 기반합니다(그림 2). 접점의 날카로운 금속 모서리가 절연부를 관통하여 기밀 연결을 생성하므로 전선에서 절연 피복을 벗길 필요가 없습니다.

그림 2(상단)

그림 2(하단)

그림 2: IDC 커넥터에서 접점을 동시에 크림핑하고 케이블(상단)에서 모든 전선의 절연체를 관통하도록 커넥터 상단이 눌려 있습니다. 커넥터 상단을 제거한 조립품 보기(하단)에는 접점이 전선 절연체를 관통하여 돌출되어 있습니다. (이미지 출처: Jaycar Electronics Reference Data Sheet)

깔끔하게 잘리지만 피어싱 영역 밖으로 분할되지 않는 절연 소재의 개발은 실질적으로 IDC의 대량 사용에 기여한 많은 개선 사항 중 하나입니다. 전선은 플랫 리본 배열의 많은 항목 중 하나이므로 그러한 종단을 동시에 여러 개 만들 수 있습니다. 따라서 IDC 케이블을 “대량 종단” 커넥터라고도 합니다. IDC가 처음에는 안정적인 연결을 위해 단선으로 제한되었지만 기술적인 발전으로 인해 곧 연선으로도 확장되었습니다.

많은 표준 버전의 암/수 결합 페어링을 사용할 수 있습니다. 여기에는 pc 기판에 납땜되는 커넥터와 자유 장착되고 케이블의 끝을 종단하는 커넥터가 포함됩니다. 이러한 방식으로 IDC 케이블 조립품을 기판 실장 커넥터 또는 다른 IDC 케이블에 연결할 수 있습니다.

예를 들어 Würth 61201023021은 케이블에 크림핑되는 2열, 10접점, 2.54mm 피치, 직사각형 IDC 리셉터클(암) 커넥터입니다(그림 3). 케이블에 핀 커넥터(수)가 필요한 경우 Würth 61201025821 IDC 헤더 커넥터를 사용할 수 있습니다(그림 4). 수 커넥터 또는 암 커넥터의 경우 케이블-기판 경로가 완성될 수 있도록 두 커넥터에 연결될 커넥터가 pc 기판에 실장됩니다. 이들 커넥터는 10접점 커넥터이지만 Würth WR-BHD 박스 헤더 및 IDC 커넥터 제품군에는 60접점 커넥터까지 제공됩니다.

그림 3: Würth Elektronik의 61201023021 IDC는 2.54mm 피치의 2열, 10접점 직사각형 리셉터클(암) 커넥터이며, 자유 장착 플랫 리본 케이블에 크림핑되도록 설계되었습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

그림 4: 수 핀이 탑재된 Würth 61201025821 IDC 헤더 커넥터는 Wurth 61201023021 IDC를 보완해 줍니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

IDC 및 플랫 리본 케이블은 다양한 접점 및 옵션으로 제공됩니다. 예를 들면 핀 수뿐만 아니라 0.050인치(1.27mm) 또는 0.10인치(2.54mm) 핀 간격(피치)의 옵션이 제공됩니다. 최대 정격 전류 정전 용량은 사용 가능한 전선 게이지 범위(가는 30AWG ~ 두꺼운 22AWG)를 기준으로 일반적으로 1A ~ 3A입니다. 한때 널리 사용되었던 DB-25, DB-15 및 DB-9 크기(일반적으로 RS-232 인터페이스 사용)의 DB-xx 연결에 사용 가능한 IDC도 있습니다.

다른 제조업체의 연결된 장치를 교환하여 사용할 수 있도록 일부 산업 분야에서는 특정 IDC 유형을 설정했습니다. 예를 들어 개인용 컴퓨터 영역의 공통 표준은 다음과 같습니다.

• 3.5인치 IDE 데스크톱 컴퓨터 하드 디스크 드라이브: 2.54mm 피치, 40핀, 2 × 20(2열 20핀)
• 2.5인치 IDE 노트북 컴퓨터 하드 디스크 드라이브: 2.00mm 피치, 44핀, 2 × 20(2열 22핀)
• SCSI 8비트: 2.54mm 피치, 50핀, 2 × 25
• SCSI 16비트: 1.27mm 피치, 68핀, 2 × 34

위의 모든 커넥터에 대해 컴퓨터 제조업체에서는 일반적으로 컴퓨터 마더보드의 정합 수 박스 헤더 또는 핀 헤더를 사용하여 암 IDC 커넥터를 리본 케이블의 한쪽 끝에 연결합니다. 또한 전화 배선의 “펀치 다운” 블록에서 단일 전선과 함께 사용되는 단일 접점 배열도 있습니다. 기술자는 현장에서 특수 공구를 사용하여 원하는 단일 접점 위치의 뾰족한 포크 단자 사이의 절연된 전선을 밀어서 연결할 수 있습니다.

1-피스 IDC 결합으로 이동

다중 접점 IDC 케이블 조립품에는 결합 커넥터가 필요하며 이는 이전에도 그랬으며 당연하고 피할 수 없는 것처럼 보일 수도 있습니다. 하지만 암 (리셉터클) 정합 반쪽이 필요하지 않고 대신 pc 기판을 결합 커넥터로 사용하는 새로운 접근 방식이 있습니다(그림 5).

그림 5: Würth Elektronik의 REDFIT IDC SKEDD 커넥터 플랫 케이블 IDC 제품군은 pc 기판에 있는 적절한 크기의 플레이트 바이어스에 직접 연결되므로 정합 암 IDC가 필요하지 않습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

이는 Würth Elektronik REDFIT IDC SKEDD 커넥터 플랫 케이블 IDC 제품군의 원리입니다. 이 커넥터는 IDC 케이블과 마찬가지로 플랫 리본 케이블에 연결되지만, pc 기판에 있는 적절한 크기의 플레이트 구멍 또는 바이어스(“Vrtical Interconnect Access”에서 파생된 용어)에 직접 연결됩니다. 그러면 필요한 접점 수와 조립 단계가 줄어 더 저렴하게 안정적으로 연결할 수 있습니다.

이 커넥터는 무납땜, 수동 플러그형, 분리 가능 커넥터입니다. 즉, 특별한 공구를 사용하거나 사용자가 비틀지 않고는 분리할 수 없는 일부 압입식 또는 스냅인 커넥터와 달리 특별한 공구 없이 분리할 수 있습니다(그림 6). 이 커넥터는 1.27mm 피치(“반피치”라고도 함)를 기반으로 하며 커넥터당 4개 ~ 20개(짝수)의 접점이 제공됩니다. 10핀 Würth 490107671012 버전이 대표적인 사양을 나타냅니다.

그림 6: REDFIT IDC SKEDD 커넥터는 무납땜, 수동 플러그형, 분리 가능 IDC입니다. 즉, 특별한 공구 없이 커넥터를 연결 및 분리할 수 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

REDFIT IDC SKEDD 커넥터는 소비자 가전, 태양광 전력 시스템 설치, 산업용 전자 기기, 배선이 필요한 기계식 엔지니어링 프로젝트와 같은 응용 분야를 대상으로 합니다. 벤더는 현장에서 최소 10회의 결합 주기에 대한 성능을 보장하고, 환경 조건이 더 양호한 프로토타입 벤치에서는 25회의 결합 주기에 대한 성능을 보장합니다.

이 등급은 일회성 수리 또는 업그레이드가 필요한 경우를 제외하고 분리되지 않는 많은 제품에 적합합니다. 전체 시스템의 접점 저항은 최대 정격 전류 용량 및 전압이 각각 1A 및 100V일 때 10mΩ으로 지정됩니다. 28AWG(1.27mm) 케이블은 필요에 따라 외부 또는 공장에서 제조될 수 있습니다.

재료 과학의 성과

REDFIT IDC SKEDD 접점의 경우, 결합 “상대”가 반드시 서로 맞아야 일부 접점 설계에서 발생하는 금속의 영구적인 변형을 막을 수 있어, 처음 그리고 반복적인 결합 주기가 가능해집니다. 반면에 SKEDD 접점의 경우, 두 개의 암으로 구성되었고 윗부분이 연결되었으며, 그중 가요성 포크형 암은 삽입 후 연결된 상태에서도 탄력적인 상태를 유지하므로 변형 없이 반복적인 결합과 분리가 가능합니다(그림 7).

그림 7: SKEDD 접점의 두 암은 삽입 도중 및 이후에 탄력적인 상태를 유지합니다. 이는 연결력을 유지하고 분리 후 재삽입이 가능하도록 하는 데 핵심적인 요소입니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

삽입 공정을 마치면 가요성 SKEDD 접점의 스프링 강성값이 최고치에 도달합니다. 이 상태에서 접점의 연결력은 충분히 높으므로 기계적 응력으로 인해 1µs를 초과하는 신호 중단이 발생하지 않습니다.

SKEDD 접점 및 기술이 오래 사용된 압입식 조립 기술을 정교하게 확장하는 것처럼 보일 수도 있지만, 항상 그런 것은 아닙니다. 압입식 조립 방법에서는 솔리드 핀을 플레이트 스루홀 안으로 밀어 넣습니다. 핀과 구멍 사이의 높은 마찰력으로 인해 표면 사이에 균질적인 냉각 용접부가 생성되어 전기적 및 기계적 무결성이 보장됩니다. 하지만 플레이트 스루홀은 압입식 조립 공정 중에 변형되며, 솔리드 핀을 제거하면 이 연결이 끊어집니다.

압입식 조립 기술을 솔리드 핀 대신 가요성 핀과 함께 사용할 경우 플레이트 스루홀은 그대로 유지되지만 핀 소재가 자체적으로 변형됩니다. 기계적 연결이 강하지 않아 가요성 핀도 솔리드 핀처럼 제거할 수 있지만, 핀 자체가 손상되었으므로 핀을 두 번 사용할 수 없습니다.

반면에 SKEDD 접근 방식의 플레이트 스루 바이어와 접점을 탄력적으로 결합하면 플라스틱 변형이 발생하지 않으므로 성능 저하 없이 결합 쌍을 다시 연결할 수 있을 뿐 아니라 4방향 접점으로 인해 신뢰성이 향상됩니다(그림 8).

그림 8: 삽입 시 각각 바이어 또는 핀이 변형되는 솔리드 또는 가요성 핀을 사용하는 압입식 조립 기술과 달리 SKEDD 접점의 경우 접점 자체나 바이어가 변형되지 않습니다. 이는 커넥터와 접점의 재삽입 가능성을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

상호 연결 이점 및 기회

기존 IDC 케이블이 사용되는 일반 응용 분야에서 양쪽 끝에 커넥터가 있는 케이블을 해당 기판 실장 커넥터와 결합하여 인접한 pc 기판을 연결합니다. 설계자가 REDFIT IDC SKEDD 커넥터를 사용하면 다음과 같은 다양한 이점이 있습니다.

• 결합 기판 커넥터가 필요하지 않으므로 REDFIT IDC SKEDD 커넥터를 양쪽 끝에 사용할 경우 두 부품이 절약됩니다.
• REDFIT IDC SKEDD 커넥터를 기판의 상단 또는 하단에 삽입할 수 있으므로 플랫 리본 케이블 배선과 상대적 기판 간격 및 방향을 더 유연하게 설정할 수 있으며, 직접적이고 더 짧은 연결이 가능합니다(그림 9).
• 마지막으로 무게를 줄이고 재료를 절약할 수 있습니다. 이는 설계에 따라 중요하지 않을 수도 있지만 대부분의 설계에서는 중요한 요소입니다.

그림 9: REDFIT IDC SKEDD 커넥터를 pc 기판의 한쪽에 삽입할 수 있으므로 연결된 기판의 배치 및 케이블 배선을 위한 다양한 옵션을 제공합니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

REDFIT IDC SKEDD 커넥터의 플라스틱 하우징은 커넥터 성능의 중요한 부분입니다. 조립품에서 올바른 결합 방향을 보장하고 역극성 오류를 방지하기 위해 하우징에는 지름이 약간 차이 나는 두 개의 가이드 핀이 마주 보고 있습니다(그림 10). 하우징은 고온(정격 -25⁰C ~ +105⁰C)에 대한 내성이 있고, UL94 V-0 인화성 표준을 충족하고, 내화학성이 우수하며, 열 팽창 계수가 낮아서 열 순환으로 인한 고장을 최소화할 수 있는 플라스틱 소재로 되어 있습니다.

그림 10: 커넥터가 반대 위치에 삽입되지 않도록 커넥터에는 지름이 약간 차이 나는 두 가이드 핀이 마주 보고 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

진동으로 인해 간헐적으로 접촉하는 것을 방지하기 위해 각 핀을 가리키는 네 접점 외에도 각 플라스틱 기판 가이드에는 수동 잠금 시스템 역할을 하는 두 개의 작은 마찰 잠금이 있습니다. 따라서 종단 공구가 필요하지 않고 삽입하면 자동으로 잠겨서 손으로 분리할 때까지 연결 상태가 유지됩니다.

기판 제조 사양은 완전히 정의되어 있으며 쉽게 충족됩니다.

REDFIT IDC SKEDD 커넥터를 성공적이고 효과적으로 활용하려면 pc 기판 바이어스를 적절히 제조해야 합니다. 하지만 중요 요구 사항이 최신 표준 pc 기판 사양에 상응하므로 이는 문제가 되지 않습니다. 바이어를 제조하는 데 일반적으로 필요한 것 이상으로 정밀한 추가적인 pc 기판 허용 오차 범위 또는 특별한 단계가 필요하지 않습니다.

축적 도면에서는 전체 커넥터에 대한 pc 기판 레이아웃과 드릴 구멍 크기, 생산 기판의 완성된 바이어스 관련 허용 오차 범위를 지정합니다(그림 11). 더 많은 삽입/제거 주기가 필요한 프로토타입 테스트 및 디버깅의 경우 허용 오차 범위가 더 넓은 드릴 패턴이 제공됩니다.

그림 11: REDFIT IDC SKEDD 커넥터에 맞게 조정된 크기와 생산 pc 기판 구멍 레이아웃에 대해 지정된 크기 및 허용 오차 범위는 최신 기판 제조 표준(왼쪽)에 상응하고, 디버깅 응용 분야에 맞게 수정된 드릴 패턴은 허용 오차 범위가 약간 더 느슨하여 더 많은 삽입/제거 주기를 지원합니다(오른쪽). (이미지 출처: Würth Elektronik)

결론

2-피스 IDC 케이블 조립품 및 시스템은 수년 동안 사용되고 있으며, 널리 사용되는 중요한 다선식 상호 연결 방식임은 입증된 사실입니다. 이제 Würth Elektronik의 1-피스 REDFIT IDC SKEDD 커넥터 플랫 케이블 IDC 제품군은 결합 IDC 리셉터클(암)이 필요하지 않은 대안을 제시합니다. 대신 손으로 삽입/제거 가능한 핀 커넥터(수)를 pc 기판에 직접 연결합니다. 그러면 비용을 절감하고 BOM상의 항목 수를 줄이며 간헐적 접촉의 문제를 일으킬 수 있는 원인을 제거할 수 있을 뿐 아니라 케이블 배선 및 기판 배열에 있어 더 많은 옵션도 이용할 수 있습니다.

관련 Digi-Key 동영상 및 교육 모듈

Würth Elektronik, REDFIT IDC SKEDD Connector Solutions

Würth Elektronik, REDFIT IDC–SKEDD Connector from Würth Elektronik eiSos

참고 자료:

1. “Jaycar Electronics Reference Data Sheet” (Internet Archive Wayback Machine)
2. “Insulation-displacement connector” (Wikipedia)