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[导读]设计是一项多方面的挑战。工程师不仅要以更小的外形尺寸提供更高性能和更多功能的产品,还必须在短时间内完成设计,以确保竞争优势。此外,越来越需要在不影响产品质量或产品生命周期内运行可靠性的前提下高速制造设计。

设计是一项多方面的挑战。工程师不仅要以更小的外形尺寸提供更高性能和更多功能的产品,还必须在短时间内完成设计,以确保竞争优势。此外,越来越需要在不影响产品质量或产品生命周期内运行可靠性的前提下高速制造设计。

满足这些要求对设计过程以及所选材料和元件都有影响。例如,模块化设计已变得越来越流行,它允许将关键的子部分(如输入/输出、处理器和模拟信号处理)构建到可在多个产品中重复使用的独立电路板上。这不仅降低了设计风险,缩短了开发时间,而且通过将多个较小的PCB组合在一起,在应对具有挑战性的外形尺寸时提供了更大的灵活性。

采用这种方法有很多好处,特别是可以在降低设计风险的情况下快速进入市场。不过,需要仔细考虑如何连接各种模块板。

单个或多个连接器

显然,模块化设计中的电路板需要彼此可靠地连接,从而允许信号和/或电源从一块电路板传输到另一块电路板。虽然在电路板之间使用单个连接器相对简单,但在许多情况下并不理想。首先,这意味着多种类型的信号(电源、数字时钟、数字数据和模拟信号)必须通过连接器,这可能会带来串扰和其他噪声。其次,PCB上的所有线路都必须连接到连接器。除了所需的空间外,长线路还可能带来噪声和传播延迟,从而对电路运行产生负面影响。

因此,特别是在较大的电路板上,首选的方法是使用包括跨多个连接器的多引脚的细间距互连。这样可以提高灵活性,减少线路长度,并允许不同类型的信号有自己的专用触点。然而,如果在一对电路板之间部署多个板对板连接器,机械对齐和位置公差就成为设计中更为关键的一个方面。在PCB上精确放置至关重要,而自动化制造的需求则要求这种放置必须高速进行。遗憾的是,如果两个或更多的连接器配接在相同的两个印刷电路板上,所要求的贴装精度水平也往往超出了最好的现代制造工艺的参数范围。

这是一个问题,因为即使是亚毫米距离的错位--无论是由于PCB制造、粘贴位置、拾取和贴装精度还是这些因素的组合--都会对板对板连接器造成过大的应力(如过大的侧面负载)。反过来,这会造成损坏,导致制造过程中的质量和产量问题,并有可能降低现场运行时的系统可靠性。

使用浮动连接器减少错位

为了应对这些挑战,我们开发了一种创新型的板对板连接器。所谓的 "浮动 "连接器具有一定程度的弹性,这是由于外壳可以横向和纵向移动,而触点设计新颖,具有类似弹簧的机制。在这种连接器中,外壳由触点悬挂,而触点通常位于连接器的阳半部分。

图 1:浮动连接器可在自动化制造过程中适应偏差

这种布置所提供的双向移动程度通常超过了制造过程中可能出现的错位。因此,在错位总和可能给高速、高精度插配带来挑战的情况下,可以对带有多个连接器的电路板采用拾取-贴装工艺。因此,设计人员可以专注于设计而不是制造要求,从而可以自由地在每对电路板上部署多个浮动板对板连接器。这意味着连接器类型和数量可以完全基于电路的需要,而不是与互连相关的任何限制。

浮动连接器固有的基于弹簧的 "悬挂 "机制也有助于在操作过程中保持连接完整性,尤其是在遇到一定程度的振动或冲击的应用中--无论是便携式设备的日常使用,还是移动车辆或工厂自动化系统的操作。例如,浮动连接器可以降低因 "摩擦 "而导致性能下降或故障的可能性,"摩擦 "是指长期振动会导致刚性配接引脚上的电镀层磨损,从而使底层合金面临潜在的氧化风险。

图 2:创新的触点设计为浮动连接器提供了优势

虽然浮动连接器可以普遍使用,但在许多应用中,普通的板对板连接器仍然绰绰有余。在评估哪种技术更适合特定应用时,设计人员应考虑以下几点:

每对电路板上有多个连接器是否有利于设计?

自动化生产过程的机械精度是多少?

最终产品在正常使用过程中会受到多少冲击和振动?

在产品寿命期内,多长时间需要分离和更换一次电路板

这些问题的答案应指导设计师选择哪条道路。

连接器的选择过程还应考虑环境因素,特别是连接器可能暴露的工作温度。这一点对于封闭式保护敏感电子元件的设计尤为重要,因为温度变化会对连接器造成应力,尤其是在材料不同或电路板厚度不同的情况下。

最后需要指出的是,几乎所有应用都要求连接器的材料完全符合 RoHS 规范,并且不含 REACH SVHCs 铅、溴化阻燃剂、红磷(PFOS/PFOA)或锑。

浮动连接器的发展

近年来,浮动连接器的类型、功能和可用性都有了显著增长。

如今,设计人员可以从提供各种连接器间距(通常在亚毫米(0.5 毫米 > 0.8 毫米)范围内)的产品系列中进行选择,每个连接器的触点数可高达 160 个及以上。垂直和水平母连接器的选择允许电路板互相平行或以直角连接,而低至 6 毫米的广泛安装高度允许工程师能够选择满足日益紧凑的外形尺寸对板间空间要求的解决方案。

最新进展之一是推出了支持高达 12Gbit/s 数据传输速率的连接器,使其能够提供企业服务器和存储应用中广泛使用的 SAS(串行连接 SCSI)等标准所期望的性能。同时,在单个连接器中混合信号和电源的技术将支持需要传输更大电流的应用。

除了固有的弹簧式结构设计外,许多最新的浮动连接器还通过定位钉和固定片等功能进一步支持精确对准和稳固互连。

图 3:固定片和穿板引脚增强了浮动连接器的机械刚性

前者有助于消除回流焊过程中的移动,后者则为表面贴装连接器提供额外的机械强度。此外,在混合信号和电源的连接器中,有一些产品具有穿板可焊柱,可提高定位精度和机械强度,确保抗冲击性。

结论

模块化设计趋势意味着细间距板对板连接器在提供满足应用要求所需的灵活性方面发挥着越来越重要的作用。同时,现代系统的复杂性和元件密度意味着需要为每对电路板的信号和电源部署多个板对板连接器。然而,这在自动拾放和回流焊接过程中可能会出现错位,从而导致潜在的制造质量问题和使用可靠性问题。

这些问题使得尽早考虑成对PCB的连接方法变得至关重要。选择哪种互连方式不仅能确保优化的产品与现代生产工艺相兼容,还能提高产品在使用期间的可靠性。特别是,从工业自动化到电动汽车,从安全系统到物联网设备,使用浮动连接器来适应和吸收多轴错位和微小移动变得越来越普遍。

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