發布日期：2022-04-17 點擊率：78
單板解決方案通過將系統的所有電子器件放在一塊成本較低的小印刷電路板上來節省空間。對于單板計算機 (SBC) 來說，設計人員必須努力在這一塊電路板上配置盡可能多的處理能力、功能和 I/O。但現實情況是，在工業、消費和醫療應用中，很多時候單板并不是最佳解決方案，因此需要多塊印刷電路板。在這種情況下，板對板 (BTB) 連接器就變得非常重要。
即使將所有設計精力放在為系統設計多塊電路板上，但若未能選擇到合適的 BTB 連接器，則可能會完全破壞設計。這樣可能會造成前期出現外形尺寸或信號完整性問題，或者可能之后在現場出現使用（或濫用）故障。
本文將探討推動 BTB 連接器需求的設計問題，以及設計人員從眾多可用選擇中挑選 BTB 連接器時必須考慮的因素。這些因素包括電路性能、生產要求、使用模型、維修簡便性、信號類型、連接器尺寸和觸頭位置數、射頻干擾 (RFI) 和電磁干擾 (EMI) 等。文中將以 Phoenix Contact 的 BTB 連接器解決方案為例，說明它們如何解決設計人員的電路板連接問題。
從設計、生產和銷售角度來看，目前至少有十種情況是使用兩塊或多塊塊互連印刷電路板比使用單塊板更為合理：
外形尺寸約束使得使用單塊較大電路板方式的整體尺寸受限，則需要采用立體布局以利用可用的封裝深度。
無法將低電平、高靈敏度模擬 I/O 或射頻電路放置在高速、嘈雜的數字電路附近。
存在高電壓，而工程慣例以及法規標準要求采取強制隔離措施。
散熱考量要求將較熱的元器件放在單獨的位置，以改善散熱和熱管理。
多個產品版本可能要使用或重復使用某個既定電路分段，例如核心處理板可與基本多行用戶顯示屏和按鈕配對，也可與用于不同型號警報或傳感器系統的更復雜圖形觸摸屏配對。
生產需要使用特殊元器件，例如要求特殊制造/組裝工藝或手動插入的電源裝置和散熱器，而其余元器件可使用自動插入和焊接。
供應商希望在系統中升級一項功能（例如處理器和內存），但希望保持模擬功能不變，以提高技術信心并攤銷成本。
現場經驗表明，系統的某個零部件（例如朝向外部的 I/O）更可能需要現場更換，而內部核心功能（例如處理器和內存）將會有更長的平均無故障時間 (MTTF)。
某些元器件需要較厚的印刷電路板材料和更厚重的銅覆層，例如用于電源器件。
需要考慮和關注 EMI/RFI，功能之間必須進行隔離，甚至可能對部分電路進行射頻屏蔽。
顯然，選擇或堅持使用多塊印刷電路板有很多合理的設計、生產和支持理由。許多應用都存在這種情況，包括工業控制系統、電機控制、可編程邏輯控制器 (PLC)、報警和安防裝置、醫療系統（如便攜式 X 光機或超聲儀器），以及具有不同人機界面 (HMI) 的設備（圖 1）。
圖 1：對于許多產品來說，要么一塊或多塊印刷電路板更有優勢，要么絕對需要，這就使得 BTB 連接器成為必備元器件，但是必須仔細選擇這些連接器。（圖片來源：Phoenix Contact）
一旦決定使用兩塊或多塊連接的印刷電路板，設計人員就必須選擇合適的 BTB 連接器。在幾乎所有情況下，這不只是一個尋找一個符合基本規格要求的連接器對的問題，而且是要先找到一系列具有不同 BTB 選項的全兼容連接器，這樣設計選擇就不會事先被限制，這才是明智之舉。
連接器產品種類多樣，即便是一家供應商提供的連接器一眼望去都可能會讓人難以決定，但其實不然。當設計人員專注于他們的優先事項、約束條件和必備條件時，可選用的特定連接器范圍通常會變得相當小。此外，如此多的連接器樣式選擇，意味著設計人員可以找到一種最佳搭配，以最小的妥協來平衡不可避免的技術取舍。
設計人員可以使用先進的計算機輔助設計 (CAD) 工具，來對可能的物理配置和可能的 BTB 方位進行建模，其中包括夾層、子母卡和共面，以及無約束過孔帶狀電纜（圖 2）。但也不必“直接跳到 CAD”，因為較為簡單的技術也能非常有效地進行初始評估，并且已成功采用，包括使用紙板模型評估各種板尺寸和排列方式。
圖 2：板對板連接可以有各種方位和排列方式，包括夾層、子母卡、共面和無約束帶狀電纜。（圖片來源：Phoenix Contact）
除了基本方位外，如此多的連接器版本還為設計人員提供了布局和放置選擇。例如，設計人員可以選擇使用兩個較小的 BTB 連接器，每個連接器具有較少的針位，而不是使用一個具有較多針位的連接器。這樣做可以簡化電路板的布局，并避免一些信號需要跨越整個印刷電路板長度。
例如，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 1.27 系列（1.27 毫米 (mm) 間距）可提供 12、16、20、26、32、40、50、68、80 針位版本。注：1.27 mm 正好是 0.05 英寸，即 50 密耳，這是一種常用間距。考慮該系列中的兩款垂直母頭連接器：一個寬度為 21.6 mm 的 26 觸點 1714894，一個其他規格相同但寬度為 12.71 mm 的 12 觸點 1714891，該寬度稍微超過 26 觸點款的一半寬度（圖 3）。
在印刷電路板的不同位置使用兩個較小的連接器，所帶來的板空間損失微不足道，而印刷電路板所需走線空間的減少以及信號完整性的改善，往往會抵消這些損失。同樣，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列（0.8 mm 間距）包括一系列間距為 0.8 mm 的連接器，范圍從 12 針位 9.58 mm 長 1043682 連接器插座一直擴展至 80 針位版本（圖 4）。
圖 3：在 FINEPITCH 1.27 mm 系列中，最小的連接器是此 12 針位 1714891 版本，長軸寬度為 12.71 mm。（圖片來源：Phoenix Contact）
圖 4：Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列連接器的間距為 0.8 mm，最小的成員是長度為 9.58 mm 的 12 針位 1043682。（圖片來源：Phoenix Contact）
另一個問題是連接器的高度，讓設計人員能夠確保兩塊排列整齊的平行電路板在機殼內互相配接，并使每塊板都處于最佳位置。處理器板可以裝到產品外殼的背部，而帶有用戶顯示屏和按鈕的第二塊板可以與前面板齊平放置。
因此，連接器具有相同的針位數、長度和寬度，但有一個主要區別：它們的高度。通過混合不同的高度，可以支持各種板間間距，稱為疊接高度。例如，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 1.27 系列中的垂直母頭連接器具有 6.25 和 9.05 mm 兩種高度，而配接的垂直公頭連接器則提供 1.75 和 3.25 mm 高度。
另外，非常重要的是，配接對具有 1.5 mm 的“拭接長度”，同時保持 0.9 mm 的可靠表面接觸拭接長度。因此，板到板之間會有一個非階躍的連續可用間距范圍：8.0 mm 至 13.8 mm（圖 5）。Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列連接器采用了類似的方案，與 FINEPITCH 1.27 系列相比，具有不同的高度和拭接長度，并支持 6 至 12 mm 的連續范圍。BTB 配接距離的固有靈活性也帶來另一個好處，即放寬了生產中的裝配公差。
圖 5：由于 FINEPITCH 1.27 系列中的公頭和母頭連接器提供了多個獨立高度選擇以及較長的拭接長度，因此實際的 BTB 疊接高度可以是 8.0 到 13.8 mm 之間的任意值。（圖片來源：Phoenix Contact）
高密度、多觸點 BTB 連接器有望支持的帶寬遠遠超出功率和低頻信號需要，因此可最大程度地減少對多個分立電纜組件（一根電纜支持一個單一信號）的需要。關鍵參數是連接器在千兆赫茲范圍內的性能，以及在這些頻率下保持信號完整性的能力。同時，還要考慮電磁兼容性 (EMC)，以確保高速信號在連接器中不受影響，也不受附近信號的影響。
有些連接器系列采用獨特的設計，可以滿足帶寬和 EMC 注意事項。例如，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列支持高達 16 千兆位/秒 (Gb/s) 的數據速率，并且包括多個配接后連接器到連接器屏蔽路徑（圖 6），從而實現出色的 EMC 性能（圖 7）。
圖 6：FINEPITCH 0.8 系列包括多個配接后連接器到連接器屏蔽路徑，可實現增強屏蔽能力。（圖片來源：Phoenix Contact）
圖 7：FINEPITCH 0.8 系列連接器周圍的電場圖片顯示了屏蔽性能；深藍色表示 0 至 0.1 伏/米 (V/m) 的電場強度，深紅色表示 1.0 V/m。（圖片來源：Phoenix Contact）
這些連接器提供了 S 參數，以支持高保真射頻信號路徑建模，同時還提供了關于插入損耗、接收器側測得的遠端串擾 (FEXT) 和發射器側測得的近端串擾 (NEXT) 的數據（圖 8）
圖 8：諸如 FINEPITCH 0.8 系列之類高數據速率連接器的 0 到 10 GHz 插入損耗（左）和近端串擾（右）圖形。（圖片來源：Phoenix Contact）
盡管連接器功能看起來很簡單，但選擇合適的連接器系列還需要考慮其他因素。其中包括：
與標準的大批量生產工藝（裝載和焊接）的兼容性，這還要求連接器整個主體具有高共面度，通常優于 0.1 mm。
即使在多次重復插拔后，接觸面鍍層磨損的情況下，仍保證可靠的性能；500 次視為最高性能水平。經過 500 次插拔后，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列可保持接觸電阻小于 20 毫歐 (mΩ)，而 FINEPITCH 1.27 系列則仍保持低于 25 mΩ（符合 IEC 60512-2-1:2002-02 標準）。
當兩塊板和相應的連接器配接時，還會出現徑向和角度錯位的情況。
后面的錯位問題，就是設計人員需要考慮的一個現實因素。在理想情況下，公頭和母頭連接器的中心線將完美對中，并且彼此之間無傾斜。鑒于這些細間距連接器的尺寸很小，似乎不允許出現這種錯位的情況，但是良好的連接器設計可以允許兩個參數有一定的不匹配度。
FINEPITCH 0.8 和 FINEPITCH 1.27 系列的 ScaleX 技術很好地解決了這一現實問題。這些系列提供了一種特殊的外殼幾何形狀，不僅能夠在錯位的情況下保護觸點免受損壞，還提供了相應的公差補償，中心偏移為 ±0.7 mm，沿斜軸和縱軸的傾角公差分別為 ±2°/±4°（圖 9）。
圖 9：現實中的對準從來都不完美，因此 FINEPITCH 0.8 mm 和 FINEPITCH 1.27 連接器分別可容許最大 ±2°/±4° 的傾斜和縱向角度錯位，以及最大 0.7 mm 的偏心徑向錯位。（圖片來源：Phoenix Contact）
雖然連接器沒有集成電路的納米工藝尺寸，但連接器觸頭的機械結構包含微小元件，并且具有緊公差及超薄貴金屬和非貴金屬鍍層，而它們的主體也是精密成型件。鑒于金屬接觸面積的大小以及這些觸頭“埋入”殼體中的方式，您是無法看到一個高度可靠的接觸區域是如何形成的。
在這些尺寸下，不僅需要精密的設計，還需要能夠在微元件級以大批量生產實現此設計。這就是采用 ScaleX 技術的 FINEPITCH 0.8 系列具有獨特雙接觸方式的原因。當配接時，觸頭（公元件和母元件）可在非常狹窄的空間內實現防振連接。此外，這些觸點還具有鷗翼形焊針，這是自動焊接工藝的最佳選擇。
盡管直接放置和連接 BTB 是很有吸引力的選擇，但在某些情況下，無法通過 BTB 連接器直接配對和連接兩塊或多塊印刷電路板。這可能是由于整體產品封裝的外形尺寸、電路板的形狀、放置電路板時的電氣和電子考量或散熱問題。
為了應對這些情況，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 1.27 系列還提供了母頭絕緣穿刺連接器 (IDC)，可與扁平電纜搭配使用。在兩塊印刷電路板之間使用這些柔性的扁平帶狀電纜連接，可以讓它們實現物理隔離而不是電氣隔離，并且這些板不必互相平行或垂直放置。與 BTB 連接器一樣，這些產品同樣提供 12 至 80 個完整針位選擇范圍；Phoenix Contact 的 1714902 是自由懸掛式 12 針位版本產品（圖 10）。另提供面板安裝版本。
圖 10：IDC 連接器（例如 FINEPITCH 1.27 系列中的 12 針位 1714902 自由懸掛式連接器）允許在無法（或不希望）直接 BTB 接觸的配置中使用柔性電纜。（圖片來源：Phoenix Contact）
用于 IDC BTB 布局的扁平電纜也是一種經過精心設計的產品，采用 AWG 30 (0.06 mm2) 利茲導線，并提供三種絕緣類型選擇：基本 PVC（-10°C 至 +105°C）、高溫型（-40°C 至 +125°C）和無鹵素版本。某些設施的規范要求使用無鹵素產品來防止火災，并能形成“炭化”涂層，以減少排放有毒含碳氣體以及降低可見度的煙塵和碳顆粒。
由于有五種不同的電纜方向和連接器布置方式（圖 11）、九種支持 12 至 80 針位的連接器尺寸、非常短的 5 cm（約 2 英寸）到長得多的 95 cm（約 37.5 英寸）柔性電纜長度，以及三種可用的絕緣類型，因此這些選項可產生 10,000 多種可能的排列組合。由于儲備所有這些產品庫存不切實際，因此會根據所需的連接器/電纜對和配置，按需生產這些 IDC 電纜組件。
圖 11：所示為 IDC 電纜連接器的三種布置和方向（共五種），通過簡化電纜走線和放置，為設計人員提供最大的電纜放置靈活性和最小的限制。（圖片來源：Phoenix Contact）
連接器和互連器件是完成設計的關鍵要素，需要事先給予適當的考慮。當使用多塊印刷電路板時，BTB 連接器可提供一種方便、可靠、高性能的技術，以各種布局方式連接兩塊或多塊電路板。
這些連接器的細微差別和復雜性常常被低估，但是如上所述，經過精密設計的 BTB 連接器（例如 Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 和 FINEPITCH 1.27 系列）可實現高互連密度、卓越的機械性能、與生產工藝和流程的兼容性，以及符合當今復雜產品設計中數據速率和 EMC 要求的電氣性能。
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