Un connecteur élastomériques est un connecteur fabriqué à base de silicone, avec une alternance de couches conductrices et isolantes électriquement. Les connecteurs élastomériques sont assemblés mécaniquement, par compression, sans soudures.
Ces connecteurs élastomériques sont aussi appelés connecteurs ZEBRA. Ce nom fait référence à l’alternance de bandes noires et blanches, rappelant l’animal. Il s’agit d’une marque déposée par Fujipoly (dont Compelma est représentant en France).
Les zones non conductrices des connecteurs élastomériques sont composées de silicone neutre (non chargé). Le silicone est le matériau de base de par ses excellentes propriétés de vieillissement, sa stabilité chimique, sa fiabilité électrique et son comportement mécanique vis-à-vis des chocs et des vibrations.
Les zones conductrices peuvent-être composées :
Il existe également une déclinaison avec une connexion latérale, particulièrement adaptée pour les connexions d’écrans LCD au PCB ou de PCB à PCB pour des courants plus élevés.
Cette alternance se fait dans l’axe Z, dans le cas des connecteurs élastomériques en ligne. Il est possible d’ajouter des couches de silicone isolant de part et d’autre du connecteur, pour augmenter sa rigidité et/ou l’isoler des composants ou des pistes électriques environnantes. Cette épaisseur de silicone isolant sur le côté du connecteur élastomériques est de 0.05mm minimum jusqu’à 1.5mm. La dureté de ce silicone peut être ajustée suivant les applications.
Pour ce type de connecteur élastomérique dans l’axe, le ratio entre la hauteur et la largeur doit être d’au moins 1.5mm afin de garantir la tenue mécanique du connecteur.
L’alternance de bandes conductrices/non conductrice peut également se faire dans le plan XY, dans le cas des connecteurs matriciels. Il s’agit alors de points de contacts équidistants avec les mêmes métriques (pas de 0.05mm et diamètre de 0.03mm minimum) qu’un connecteur élastomériques dans l’axe Z.
Dans ces deux configurations, les matériaux utilisés sont les mêmes (silicone neutre, et silicone chargé et/ou fils en cuivre béryllium).
La densité de l’alternance des zones de contact sur ce type de connecteur est très élevée (pas de 0.1 ou 0.05mm en standard). Cette densité est beaucoup plus élevée que celle des pistes de connexion sur les PCB ou sur une connexion LCD par exemple.
Par conséquence chaque piste sur le PCB sera en contact avec au moins une zone conductrice du connecteur élastomérique, et il y aura au moins une couche isolante entre deux pistes du PCB. Ainsi le risque de court-circuit est nul.
L’assemblage d’un connecteur élastomériques se fait par compression mécanique.
Les particules métalliques mélangées avec le silicone le rendent conducteur et créent des milliers de passages qui conduisent l’électricité. Ce phénomène est renforcé par la légère compression du connecteur. Les zones isolantes en silicone non conducteur isolent quant à elles les différents points de contacts pour éviter les courts circuits sur le PCB.
Les connecteurs élastomériques doivent-être assemblés par un holster mécanique afin de garantir le positionnement des zones conductrices avec les pistes des PCB ou des capteurs.
Sans ce type de structure de positionnement, le connecteur risque de ne pas être en contact avec les pistes électriques pour cause de flambement du connecteur ou de déplacement sur le PCB.
Le connecteur doit ensuite être comprimé pour assurer le contact. Les connecteurs élastomériques en silicone chargé peuvent être davantage comprimé que les connecteur élastomériques à fils. La compression recommandée est de 5% à 25% maximum.
Attention, les connecteurs élastomériques à fils risquent de se dégrader mécaniquement si la compression est trop forte. Pour ces connecteurs élastomériques, ils vaut mieux approcher les 10% maximum.
Nous verrons plus bas comment dimensionner correctement un connecteur élastomérique.
Les connecteurs élastomériques sont fabriqués à partir de matériaux non abrasifs (silicones neutres et conducteurs). Ces matériaux n’endommagent pas les zones de contacts sur les PCB ou sur des écrans LCD par exemple.
La résilience naturelle du silicone assure de nombreux cycles de compression(assemblage) et décompression (désassemblage) sans risque d’altérer la mécanique du connecteur élastomériques.
Ces connecteurs élastomériques sont ainsi largement utilisés pour des connexions en haute densité entre deux PCB parallèles, ou encore pour connecter des capteurs ou des interfaces (microphone, haut-parleur, écran LCD).
Un des avantages de la haute densité de points de contacts sur les connecteurs élastomériques, est la possibilité de faire passer des signaux mixtes avec un même connecteur élastomériques.
La fiabilité et le processus de fabrication de ces connecteurs élastomériques font qu’ils sont largement utilisés dans de nombreux domaines. Ainsi ces connecteurs sont largement utilisés autant pour des applications consumer (économiques et à bas coûts) que pour des calculateurs de vol embarqués à forte valeur ajoutée.
Nos principaux clients utilisent ces connecteurs élastomériques pour assurer des connections électriques dans les terminaux de paiement. Dans ces assemblages les connecteurs élastomériques sont intégrés dans le châssis en plastique de l’équipement. Ils garantissent ainsi le contact électrique dans un environnement soumis aux chocs et aux vibrations (ex d’un terminal de paiement pour carte bancaire).
La forte densité de connexion sur les connecteurs élastomériques en font une solution technique de choix pour les supports de test de PCB. Notamment les connecteurs élastomériques matriciels. Les pas de 0.1 ou 0.05mm dans le plan offrent de larges possibilités de points de contact accessibles simultanément en permanence sans risque de court-circuit. Contrairement à des pointes de touche mécanique qui doivent être réglées, ciblées et qui sont très localisées.
La composition du connecteur élastomérique, majoritairement à base de silicone lui permet d’encaisser plusieurs milliers de cycles de compression/décompression sans se dégrader et sans imposer de contraintes mécaniques fortes sur les points de contact du PCB.
Les connecteurs élastomériques offrent de larges possibilités de customisation sur des connecteurs. Ils peuvent être intégrés dans un châssis pour faire une fiche avec une forte densité de points de contact. Leur base silicone assure également un niveau d’étanchéité IP (aux fluides et particules) que l’on ne retrouve pas avec des connecteurs mécaniques. Cette fonctionnalité en fait un choix stratégique, surtout sur des connecteurs pour des applications médicales.
Dans les assemblages électroniques de plus en plus denses, les connecteurs électroniques mécaniques et autres points de contact montrent vite leurs limites. En effet ces connecteurs mécaniques (souvent des systèmes de broche ou à pointe), ne permettent pas d’atteindre des densités et une précision de connexion aussi élevée qu’avec les connecteurs élastomériques.
Les connecteurs élastomériques permettent également de simplifier les assemblages électroniques (de par les limites de tolérances plus faibles), tout en réduisant les coûts (pas de coûts d’outillages) et les délais (pas de conception de pointe ou de broche customs).
Les connecteurs élastomériques, fabriqués à base de silicone ont également une tenue mécanique très supérieure à la vibration et aux chocs comparé à des connecteurs en métal pur.
En terme de coût, contrairement aux connecteurs mécaniques, aucun outillage n’est nécessaire pour la fabrication des connecteurs élastomériques. Ainsi plus le pas et l’encombrement sont petits, plus les connecteurs élastomériques seront une solution pertinente techniquement et économiquement à des connecteurs mécaniques.
Les connecteurs élastomériques sont fabriqués à la demande suivant les dimensions propres à chaque application et configuration. Ce procédé de fabrication laisse plus de marge de manœuvre pour l’intégration de ces composants dans l’assemblage électronique.
Les dimensions maximales sont toutefois limitées. Autour de 120-150mm de long, 5mm de large et 10-20mm de haut. Ces limites sont toutefois rarement atteintes sur des assemblages électroniques.
Le connecteur élastomérique doit être légèrement plus large que l’espace entre la première piste de contact jusqu’à la plus éloignée.
Nous conseillons de la faire dépasser de 0.5 voir 1mm de plus de part et d’autre pour assurer surement le contact électrique.
La largeur du connecteur élastomérique doit être déterminée par 3 paramètres :
- Fiabilité :La plage de contact doit être suffisante
- Force :Plus le connecteur élastomérique est large, plus la force de compression devra être importante. Attention donc à ne pas sur-dimensionner le connecteur.
- Stabilité :Vous devez trouver le compromis pour éviter que le connecteur ne flambe(fléchisse) lors du montage en compression et pour éviter des forces de compression et un encombrement trop important.
La formule recommandée pour le calcul de la largeur est la suivante :
Largeur = Hauteur / 2.5 (conseillée entre 1 et 5mm).
La largeur des pistes et donc la longueur globale du connecteur élastomériques peut également être déterminé par la résistance du connecteur (dépendante de la taille de la zone de contact).
Pour un connecteur élastomérique en silicone chargé carbone, le calcul de la résistance est le suivant :
R = ( 60 x H ) x (Ew x W)
Avec :
W = Largeur du connecteur élastomériques
Ew = Largeur de la zone de contact conducteur (silicone conducteur uniquement)
H = Hauteur du connecteur élastomériques
Les connecteurs élastomériques doivent être légèrement comprimés pour assurer le contact électrique, limiter les jeux dans les assemblages et supporter les vibrations.
Pour les connecteurs élastomériques composés exclusivement de silicone, la compression recommandée va de 5% à 25% (la hauteur globale du connecteur joue également sur le taux de compression). La hauteur dépend donc indirectement de la force de compression qui sera nécessaire pour comprimer le connecteur élastomérique.
Pour calculer la force de compression nécessaire pour les connecteurs élastomériques en silicone chargé, vous pouvez utiliser la formule suivante :
F = 9 x D x W x L x 9.8×10-3
Où
F = Force (N)
D = H – H1
Avec
H1 = Hauteur du connecteur élastomérique comprimé (mm)
H = Hauteur du connecteur élastomérique non comprimé(mm)
W = Largeur du connecteur élastomérique(mm)
L = Longueur du connecteur élastomérique (mm)
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