Elastomeric connectors for PCB connection and test supports - Connecteurs élastomériques pour les connexion entre PCB et les supports de test - compelma

Le quoi, pourquoi et comment des connecteurs élastomériques pour la connexion des circuits imprimés (PCB) et les supports de tests de cartes électroniques

Les assemblages en micro-électronique nécessitent toujours plus de densité de connexion sur des espaces de plus en plus réduits.
Les connexions électroniques se font donc par des connecteurs de plus en plus petits et denses. C’est pour ces assemblages que les connecteurs élastomériques ont été conçus.
Ces connecteurs élastomériques assurent des connexions haute densité et s’assemblent par compression.

Elastomeric Connector - Connecteur Elastomériques - COMPELMA

Qu’est-ce qu’un connecteur élastomériques ?

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 :

De silicone chargé : Carbone/Graphite ou Argent (beaucoup plus rare)

Représentation d'un connecteur élastomérique chargé carbone (Type ZEBRA)
Side view of an elastomeric connector (silicone) - Vue partielle d'un connecteur élastomérique - Compelma
Dimensions standards des connecteurs élastomériques (Silicone chargé Ni/C ou Argent)
Specification of elastomeric connector with silicone - Spécification d'un connecteur élastomérique en silicone - Compelma

De fils en Cuivre Béryllium, qui peuvent être dorés en surface (la conductivité électrique est meilleure avec ces connecteurs élastomériques).

Plan d'un connecteur élastomérique avec les fils de Cuivre Béryllium (CuBe)
Representation of an elastomeric connector - Représentation d'un connecteur élastomérique - Compelma
Dimensions standards des connecteurs élastomériques (Cuivre Béryllium)
Dimensions of elastomeric connector - Dimesnions d'un connecteur élastomérique - Compelma
Spécifications techniques standards des connecteurs élastomériques (Cuivre Béryllium)
Dimensions of elastomeric connector - Dimesnions d'un connecteur élastomérique - Compelma


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.

Plan d'un connecteur élastomérique avec les fils de Cuivre Béryllium (CuBe) latéraux
Representation of an elastomeric connector with beryllium copper wires - Représentation d'un connecteur élastomérique avec des fils en cuivre béryllium - Compelma
Dimensions standards des connecteurs élastomériques (Cuivre Béryllium) latéraux
Specification of elastomeric connector - Spécification d'un connecteur élastomérique - Compelma
Spécifications standards des connecteurs élastomériques (Cuivre Béryllium) latéraux
Specification of elastomeric connector - Spécification d'un connecteur élastomérique - Compelma


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.

Insulation of an elastomeric connector - isolation d'un connecteur élastomérique - Compelma


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.

Representation of a matrix elastomeric connector - Schéma d'un connecteur élastomérique matriciel - CompelmaElastomeric connector with matrix - Connecteur élastomérique matriciel - Compelma


Dans ces deux configurations, les matériaux utilisés sont les mêmes (silicone neutre, et silicone chargé et/ou fils en cuivre béryllium).

Comment utiliser les connecteurs élastomériques ?

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.

Compression of an elastomeric connector - Compression d'un connecteur élastomérique - Compelma

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.

Comment intégrer un connecteur élastomériques dans votre assemblage électronique ?

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.

Mechanical holder for elastomeric connector - Structure mécanique pour l'assemblage de connecteurs élastomériques - CompelmaAssembly of an elastomeric connector between 2 PCB - assemblage d'un connecteur élastomérique entre 2 PCB - Compelma

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.

Pourquoi est-ce que les connecteurs élastomériques sont utilisés ?

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).

Custom integration of an elastomeric connector - intégration d'un connecteur élastomérique - Compelma

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.

Elastomeric connector assembled - mixed signal - connecteur élastomérique - signaux mixtes - Compelma


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.

Quelques exemples d’applications de connecteurs élastomériques

Connecteurs élastomériques dans les terminaux de paiement

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).

Elastomeric conector on a terminal paiement - connecteur élastomérique dans un terminal de paiement - compelma

Connecteurs élastomériques sur des supports de test :

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.

test connector - elastomeric connector - Connecteur de test - connecteur élastomérique - CompelmaSupport de test électronique (PCB) - Connecteur de test - elastomeric connector for test support - Compelma

Connecteur élastomérique dans une connecteur souple custom et étanche

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.

Custom sensor with elastomeric connector - capteur custom avec un connecteur élastomérique - compelma

Pourquoi utiliser un connecteur élastomériques plutôt qu’un connecteur mécanique ?

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.

elastomeric connector - connecteur élastomérique - Compelma - Holder mécanique

Comment dimensionner et choisir le bon connecteur élastomériques ?

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.

Longueur du connecteur élastomerique

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.

Largeur du connecteur élastomerique

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.

Effort de flambement - elastomeric connector - connecteur élastomérique - compelma

La formule recommandée pour le calcul de la largeur est la suivante :

Largeur = Hauteur / 2.5 (conseillée entre 1 et 5mm).

Calcul de la résistance d’un connecteur élastomérique

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

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


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)

Une question sur l’utilisation des connecteurs élastomériques pour votre application ?


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Elastomeric connector with Beryllium Copper Wires - connecteur élastomérique avec fils en cuivre béryllium - compelmaMatrix elastomeric connector - connecteur élastomérique matriciel - CompelmaElastomeric connectors with silicone loaded (Ni/C) - Connecteurs élastomériques avec silicone chargé - Compelma

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