Quando si progettano circuiti per applicazioni esterne o industriali, la qualità delle connessioni tra le periferiche è estremamente importante. I connettori con capacità di sigillatura ermetica sono in grado di tenere fuori polvere, liquidi e persino gas, prolungando la qualità della connessione. Questo articolo di Cinch illustra i diversi tipi di sigilli ermetici disponibili sul mercato e come scegliere quello più adatto alle proprie esigenze.
Che cosa sono i sigilli ermetici?
Secondo la mitologia greca, il primo dei sigilli ermetici fu creato dal dio greco Hermes, che inventò un processo per la creazione di tubi in vetro ermetici. Indipendentemente dalle origini della sigillatura ermetica, si tratta ancora oggi di una tecnologia importante e ampiamente utilizzata. La sigillatura ermetica è il processo di creazione di una tenuta ermetica che impedisce il passaggio di gas, liquidi e solidi. Esistono diversi tipi di sigilli ermetici e possono avere un'ampia varietà di funzioni a seconda dell'applicazione per cui vengono utilizzati.
In elettronica esistono applicazioni in cui potrebbe essere necessario isolare un alloggiamento o un contenitore dall'altro. Tuttavia, è necessario che l'alimentazione e i segnali elettrici passino dall'uno all'altro e di solito questo avviene tramite connettori. Il connettore può creare una vulnerabilità nell'isolamento tra i due involucri, consentendo la fuoriuscita di umidità e gas. Per molte applicazioni è fondamentale che i connettori siano appositamente progettati per creare una tenuta ermetica e prevenire qualsiasi perdita.
Un esempio estremo in cui sono richiesti connettori ermeticamente sigillati è nei forni per deposizione chimica da vapore (CVD). I connettori devono impedire ai gas contaminanti di penetrare attraverso l'assemblaggio. Ciò consente ai sistemi di funzionare nelle condizioni ambientali controllate richieste per l'elaborazione in batch. Inoltre, i connettori devono essere in grado di resistere a variazioni estreme di temperatura, a vibrazioni intense e ad altri fattori fisici che possono essere associati alla lavorazione industriale. Il cedimento di una guarnizione può avere conseguenze catastrofiche per il lotto e per il sistema.
Tipi di sigilli ermetici
Esistono diversi tipi di sigilli ermetici. Sono inclusi sigilli in vetro (sigilli abbinati), sigilli a compressione e sigilli epossidici.
I sigilli abbinati sono il tipo più comune di sigilli ermetici e offrono una tenuta economica, leggera e a basso costo. Nei sigilli abbinati, il vetro offre una forma rigida che il metallo può comprimere a cui può legarsi, fornendo allo stesso tempo un supporto per i contatti. I sigilli abbinati sono possibili solo se il vetro e il metallo hanno coefficienti di dilatazione termica simili.
D'altro canto, i sigilli a compressione offrono una tenuta più solida per le applicazioni più impegnative. Questi sigilli possono avere coefficienti di dilatazione termica diversi, ma possono operare in modo affidabile in applicazioni ad alta pressione. Sono i più costosi e spesso richiedono stampi e attrezzature personalizzate per essere realizzati.
Figura 1: Stabilizzante epossidico dimetil-diidrossibenzene (C8H10O2)
Infine, i sigilli epossidici rappresentano un'ottima alternativa di sigillatura ermetica. Si lega bene ai metalli, ha un'elevata potenza dielettrica e una buona conduttività termica e offre un'ottima resistenza ai materiali corrosivi. I vantaggi dell'utilizzo di una guarnizione epossidica sono:
- Forte attrazione polare – Gli epossidici formano un forte legame con gli ossidi della superficie metallica, impedendo la fuoriuscita di gas o fluidi in condizioni di bassa e alta pressione.
- Elevata potenza dielettrica: l'epossidico può resistere all'alta tensione senza rompersi per consentire una maggiore densità del segnale.
- Buona conduttività termica – L'epossidico trasferirà il calore lontano dal componente e ridurrà il surriscaldamento e la degradazione termica.
- Ampia resistenza chimica – L'epossidico è inerte alla maggior parte delle sostanze chimiche; pertanto, è meno corrosivo e più durevole.
Test e prestazioni di tenuta ermetica
Le prestazioni di un connettore sigillato ermeticamente sono spesso valutate in base al tasso di perdita, che viene misurato in unità di centimetri cubi al secondo [cm3/sec]. Si tratta di una misura del volume di gas che passerà attraverso un sigillo nel tempo.
A seconda dell'applicazione, saranno necessari requisiti diversi per una tenuta ermetica. Ad esempio, un sigillo ermetico su un dispositivo medico può avere una durata molto più lunga e prestazioni migliori rispetto a un sigillo utilizzato su un'apparecchiatura industriale.
Le prestazioni del sigillo del connettore possono essere classificate in base ai tassi di perdita indicati di seguito:
- Sigilli con prestazioni inferiori = 10-4 cm3/s
- Sigilli di alta qualità = 10-8 cm3/s
- Sigilli con prestazioni superiori = 10-12 cm3/s
Esistono diversi metodi di prova utilizzati per misurare la portata delle perdite, tre dei quali sono elencati di seguito:
Metodo di decadimento della pressione
Il metodo del decadimento della pressione è una tecnica a basso costo per valutare dispositivi con prestazioni inferiori. Questo test viene eseguito intrappolando la pressione all'interno di un prodotto e quindi misurando la perdita di pressione.
Figura 2: Diagramma del metodo di decadimento della pressione
Metodo di spettrometria di massa
D'altro canto, il metodo della spettrometria di massa è costoso, ma rappresenta il metodo migliore per test accurati e ad alte prestazioni. In questo test, i gas vengono ionizzati nel vuoto, solitamente l'elio. Viene applicata una tensione che accelera gli ioni di elio e di conseguenza crea un campo magnetico. Lo spettrometro di massa può misurare la corrente creata dagli ioni e la perdita attraverso la sua proporzionalità diretta alla concentrazione di elio nel vuoto.
Figura 3: Diagramma del metodo di spettrometria di massa
Metodo del gas tracciante
Infine, il metodo del gas tracciante offre un compromesso tra i due. È meno costoso della spettrometria di massa ma più accurato del metodo del decadimento della pressione. Questo metodo di prova viene eseguito misurando le concentrazioni di un gas tracciante (solitamente elio) in una camera chiusa.
Figura 4: Diagramma del metodo del gas tracciante
Esempi di soluzioni per connettori
Molti connettori elettrici sono sigillati ermeticamente utilizzando resina epossidica. Consente un metodo conveniente e facile da realizzare per sigillare ermeticamente i connettori. Cinch offre un'ampia gamma di connettori sigillati ermeticamente e ha sviluppato un epossidico proprietario che crea sigilli ermetici con prestazioni elevate in confronto alle soluzioni alternative.
Alcune delle opzioni disponibili presso Cinch includono quanto segue:
- Connettori nano-miniaturizzati a doppio lobo
- Serie di stabilizzatori saldabili in alluminio, passanti RF
- Prodotti per vuoto UHV
- Connettori ermetici Micro-D Dura-Con
- Connettori Micro-D con materiale dielettrico ceramico
I connettori micro-D, così come le opzioni alternative sigillate ermeticamente, sono tutti disponibili come componenti pronti all'uso. Sono reperibili in grandi quantità presso i normali distributori, come Mouser e Digi-Key.
Inoltre sono disponibili anche soluzioni personalizzate. Se i connettori standard non sono adatti a una determinata applicazione, Cinch può collaborare con i clienti per fornire opzioni di connettore personalizzate con sigilli ermetici. Le soluzioni personalizzate possono essere fornite come assemblaggi completi; le soluzioni personalizzate possono arrivare fino alla realizzazione di un connettore all'interno di un alloggiamento.
Connettori ermetici per applicazioni robuste
I sigilli ermetici possono avere forme e dimensioni diverse. L'applicazione e le prestazioni richieste dalla guarnizione determineranno spesso il tipo di guarnizione ermetica utilizzata. Il sigilli ermetici sono spesso realizzati utilizzando un sigillo epossidico e possono raggiungere tassi di perdita minimi, nell'ordine di 10-8 cm3/s.
Figura 5. Connettori micro-D Cinch sigillati ermeticamente.
Per esigenze di prototipazione e collaudo rapide, molti dei connettori ermeticamente sigillati di Cinch sono facilmente reperibili come componenti standard. D'altro canto, per le applicazioni più particolari e complesse, le parti interessate possono collaborare direttamente con Cinch per creare soluzioni personalizzate.