【導讀】印刷電路板(PCB板)制造商在提高可靠性和降低成本的同時,也面臨著增加密度、縮小占位面積、減少側面尺寸、管理熱流和提高數(shù)據(jù)速率等重大壓力。隨著他們不斷成功地消減這些壓力,一個有趣的挑戰(zhàn)出現(xiàn)在設計師們的面前,即在兩片PCB板之間去對齊多個已配對連接器組。
小型化已經(jīng)使得多個連接器對齊變得更加困難,而追求最優(yōu)的設計實踐和盡早地與連接器提供商交流有助于確保設計成功
印刷電路板(PCB板)制造商在提高可靠性和降低成本的同時,也面臨著增加密度、縮小占位面積、減少側面尺寸、管理熱流和提高數(shù)據(jù)速率等重大壓力。隨著他們不斷成功地消減這些壓力,一個有趣的挑戰(zhàn)出現(xiàn)在設計師們的面前,即在兩片PCB板之間去對齊多個已配對連接器組。
印刷電路板(PCB板)制造商在提高可靠性和降低成本的同時,也面臨著增加密度、縮小占位面積、減少側面尺寸、管理熱流和提高數(shù)據(jù)速率等重大壓力。隨著他們不斷成功地消減這些壓力,一個有趣的挑戰(zhàn)出現(xiàn)在設計師們的面前,即在兩片PCB板之間去對齊多個已配對連接器組。
我們所需要的是清晰明確的準則,以在不犧牲系統(tǒng)性能、密度和可靠性的情況下,懂得如何應對這些對齊挑戰(zhàn),同時滿足日益嚴格的預算和上市時間要求。
本文在描述先進的PCB和更可靠的高密度連接器之間可能遇到的沖突性要求之前,將更詳細地討論對齊的挑戰(zhàn),從而可以通過使用設計最佳實踐高效地滿足這些要求。
小型化使連接器對齊變得困難
PCB板有許多可以改進的方向,包括密度、更高的數(shù)據(jù)速率、熱管理和可靠性。然而,伴隨著這些改進的是小型化這一趨勢在連接器的選擇和實現(xiàn)方面為設計師帶來的壓力,特別是將多個連接器配對到PCB板上。
就連接器而言,在過去25年中,小型化導致間距從0.100英寸(2.54毫米)下降到0.016英寸(0.40毫米)——也就是減小了六倍,因此需要更嚴格的公差。然而,更嚴格的公差本身并不是問題,問題在于標稱公差周圍的可變性:如果多個連接器變至標稱的任一極限,則更有可能出現(xiàn)一些問題。
采用單個配對連接器組的應用不會出現(xiàn)問題:因為沒有公差累加,夾層卡被假定是自由浮動的,并且連接器的整體和局部對齊功能將確保完美對齊(圖1,頂部)。
圖1:使用單個配對連接器的應用(頂部)沒有堆疊公差,并且連接器的整體和局部對齊功能將確保完美對齊。多個連接器就會引入公差,這些公差會累加并導致對齊錯誤。(圖片來源:Samtec Inc.)
但是,在相同的母夾層卡以任何方向和任何距離增加更多配對的連接器組,都將會引入一些累加的公差(圖2,底部)。這些公差對于PCB加工車間、電子制造服務以及PCB板中使用材料的屬性都特別重要。
為了說明這個問題,請考慮使用一個多夾層連接器系統(tǒng)(圖2)。該項組裝包括六個或更多組件:主板(A)、夾層卡(B)、母頭連接器#1(C),與配對的公頭連接器#1(D),母頭連接器#2(E)與公頭連接器#2(F)配對。
圖2:設計人員需要考慮并說明包括PCB板在內(nèi)的所有組件公差的原因。
(圖片來源:Samtec Inc.)
假如夾層連接器和足夠剛性的PCB板能夠精確地按照標稱條件被制造、加工和組裝,那么可以在兩個PCB板之間成功部署無限數(shù)量的連接器;事實上,公差和材料性能的可變性是限制性或決定性因素。在圖2所示的情況下,設計人員需要考慮并說明所有組件的公差,包括(A)和(B)兩個PCB板經(jīng)常被忽略但相關的公差。
如何解決PCB板到連接器對齊的問題
某些PCB板的采購僅受嵌入在Gerber數(shù)據(jù)包中的規(guī)格所控制(圖3)。可以通過這些數(shù)據(jù)包來打造PCB板,而無需考慮機械公差。
圖3:某些PCB板的采購項目僅受嵌入在Gerber數(shù)據(jù)包中的規(guī)格所控制,這樣就可以在不考慮機械公差的情況下依據(jù)這些數(shù)據(jù)包來打造PCB板。而對于多連接器應用,此數(shù)據(jù)包需要隨附單獨的機械圖紙一起使用。
(圖片來源:Samtec Inc.)
對于多連接器應用來說,此數(shù)據(jù)包必須隨附單獨的機械圖紙,以指示原圖、鉆孔和布線公差。
至此,設計師需要做兩件事來幫助確保得到一個成功的結果。首先是要了解PCB板供應商和連接器供應商能提供哪些支持以確保對齊。第二是確保已進行系統(tǒng)級公差的研究,以確定由其設計產(chǎn)生的連接器對齊偏差。
回看圖2中由A至F組件組成的多連接器夾層卡系統(tǒng),連接器供應商只能控制連接器的公差。一家好的供應商將會達到或超過已發(fā)布的性能規(guī)格,提出PCB板公差和加工建議,甚至會根據(jù)需要為推薦的PCB供應商和設備提供參考建議。
系統(tǒng)或產(chǎn)品設計人員應參考連接器的占位尺寸和產(chǎn)品規(guī)格。這些文檔中包含的對齊偏差規(guī)格應該與系統(tǒng)級公差研究的結果進行比較,以幫助確保相同板卡之間的多個連接器被成功使用。
只要不超過初始和最終的角度及線性的對齊偏差,連接器系統(tǒng)就能正常運行。這些對齊偏差值是通過考慮諸如絕緣體干擾、光束偏轉和接觸摩擦等因素來計算的。超過對齊偏差值可能會導致電路和/或絕緣體斷路或損壞。
雖然設計、組件公差、設備和制造能力等所有必要的信息對于設計師通常是唾手可得,但能夠與連接器制造商取得聯(lián)系是很重要的,以提供更具體的指導和對對齊偏差公差累積的驗證。
定位銷不適用于多連接器應用
一些連接器制造商提供可選的定位銷,它們通常位于連接器底部的相對側(圖4)。這些定位銷有助于手動放置,可用于幫助連接器在PCB板上確定方向,且對于單連接器應用來說,它們不會增加整體公差累積。
圖4:雖然定位銷對于手動放置和確定方向都非常有用,但對于多連接器應用來說,不建議使用它們,因為它們會對整體公差累積產(chǎn)生影響。
(圖片來源:Samtec Inc.)
但是,對于多連接器應用來說,我們不建議使用定位銷,因為它們會對整體公差的累積產(chǎn)生影響。如果仍然需要在PCB板上進行定向,一個更好的選擇是在PCB板上鉆一些過大的孔,然后采用機器放置連接器。
同樣,不建議使用卡具或銷釘來輔助連接器的放置。這些方法通常依賴于PCB上相對于原圖的鉆孔,但是該孔的位置公差通常較差,相對另一個連接器,這就降低了最終放置的連接器的總體精度。
對于多連接器應用,更好的方法是從焊盤(solder pad)陣列A中的位置A1開始對所有焊盤進行位置校準,然后在回流之前將連接器精確放置在焊盤上。
用緊固螺釘來固定PCB板
一些特別堅固的應用可能需要使用緊固螺釘來保護兩個PCB板。在這種情況下,螺釘應盡可能靠近連接器系統(tǒng)(圖5)。
圖5:如果要使用緊固螺釘,則應將它們放置在盡可能靠近連接器系統(tǒng)的位置。
(圖片來源:Samtec Inc.)
將它們放置在靠近的位置將使應力集中在連接器附近,并減小了不受支撐的PCB板跨度??缍鹊脑黾訒赑CB板中引起彎曲應力,這可能會對其他元器件,尤其是表面安裝的元器件產(chǎn)生不利影響。
連接器衍生的PCB板應力的另一個來源是裝載過程,其中大量的插入和拔出(I / O)會產(chǎn)生非常大的插入力/拔出力。這些力會導致PCB板過度性偏移,以致于需要額外的加強筋來支撐PCB板。非常重要的是一定要確認連接器的插入力和拔出力,它們在產(chǎn)品質(zhì)檢測試報告中可以找到。(圖6)。
圖6:為避免超規(guī)范加載,設計人員應一直確認連接器的插入力和拔出力,它們在產(chǎn)品質(zhì)檢測試報告中可以找到。
(圖片來源:Samtec Inc.)
結論
盡管小型化趨勢使其更具挑戰(zhàn)性,但通過使用最佳設計實踐,還是能夠在兩個PCB板上使用多連接器組。這些措施包括進行系統(tǒng)公差研究以確定連接器對齊偏差,然后遵循連接器提供商建議的占位尺寸和模具設計,并利用機器來安放元器件。
另外,建議在設計過程的早期就與連接器提供商密切合作,因為他們可以為連接器的類型和安放提供建議,并就如何最大程度地降低PCB和連接器的整體應力提供咨詢,以有助于確保設計成功。
關于作者:
Kevin Meredith在連接器行業(yè)擁有27年的設計和產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗。Kevin目前在Samtec有限公司(Samtec Inc.)擔任產(chǎn)品工程師,此前曾在3M和Robinson Nugent就職。他是一名機械工程師,畢業(yè)于路易斯維爾大學J.B. Speed工程學院。
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