小型化已經(jīng)使得多個(gè)連接器對齊變得更加困難，而追求最優(yōu)的設計實(shí)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(shí)，也面臨著(zhù)增加密度、縮小占位面積、減少側面尺寸、管理熱流和提高數據速率等重大壓力。隨著(zhù)他們不斷成功地消減這些壓力，一個(gè)有趣的挑戰出現在設計師們的面前，即在兩片PCB板之間去對齊多個(gè)已配對連接器組。

 

我們所需要的是清晰明確的準則，以在不犧牲系統性能、密度和可靠性的情況下，懂得如何應對這些對齊挑戰，同時(shí)滿(mǎn)足日益嚴格的預算和上市時(shí)間要求。

 

本文在描述先進(jìn)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，從而可以通過(guò)使用設計最佳實(shí)踐高效地滿(mǎn)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(jìn)的方向，包括密度、更高的數據速率、熱管理和可靠性。然而，伴隨著(zhù)這些改進(jìn)的是小型化這一趨勢在連接器的選擇和實(shí)現方面為設計師帶來(lái)的壓力，特別是將多個(gè)連接器配對到PCB板上。

 

就連接器而言，在過(guò)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(wèn)題，問(wèn)題在于標稱(chēng)公差周?chē)目勺冃裕喝绻鄠€(gè)連接器變至標稱(chēng)的任一極限，則更有可能出現一些問(wèn)題。

 

采用單個(gè)配對連接器組的應用不會(huì )出現問(wèn)題：因為沒(méi)有公差累加，夾層卡被假定是自由浮動(dòng)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(gè)配對連接器的應用（頂部）沒(méi)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(gè)連接器就會(huì )引入公差，這些公差會(huì )累加并導致對齊錯誤。（圖片來(lái)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(huì )引入一些累加的公差（圖2，底部）。這些公差對于PCB加工車(chē)間、電子制造服務(wù)以及PCB板中使用材料的屬性都特別重要。

 

為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，請考慮使用一個(gè)多夾層連接器系統（圖2）。該項組裝包括六個(gè)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(shuō)明包括PCB板在內的所有組件公差的原因。

（圖片來(lái)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(chēng)條件被制造、加工和組裝，那么可以在兩個(gè)PCB板之間成功部署無(wú)限數量的連接器；事實(shí)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(shuō)明所有組件的公差，包括（A）和（B）兩個(gè)PCB板經(jīng)常被忽略但相關(guān)的公差。

 

如何解決PCB板到連接器對齊的問(wèn)題

 

某些PCB板的采購僅受嵌入在Gerber數據包中的規格所控制（圖3）?？梢酝ㄟ^(guò)這些數據包來(lái)打造PCB板，而無(wú)需考慮機械公差。

 

圖3：某些PCB板的采購項目?jì)H受嵌入在Gerber數據包中的規格所控制，這樣就可以在不考慮機械公差的情況下依據這些數據包來(lái)打造PCB板。而對于多連接器應用，此數據包需要隨附單獨的機械圖紙一起使用。

（圖片來(lái)源：Samtec Inc.）

 

對于多連接器應用來(lái)說(shuō)，此數據包必須隨附單獨的機械圖紙，以指示原圖、鉆孔和布線(xiàn)公差。

 

至此，設計師需要做兩件事來(lái)幫助確保得到一個(gè)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(jìn)行系統級公差的研究，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，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(huì )達到或超過(guò)已發(fā)布的性能規格，提出PCB板公差和加工建議，甚至會(huì )根據需要為推薦的PCB供應商和設備提供參考建議。

 

系統或產(chǎn)品設計人員應參考連接器的占位尺寸和產(chǎn)品規格。這些文檔中包含的對齊偏差規格應該與系統級公差研究的結果進(jìn)行比較，以幫助確保相同板卡之間的多個(gè)連接器被成功使用。

 

只要不超過(guò)初始和最終的角度及線(xiàn)性的對齊偏差，連接器系統就能正常運行。這些對齊偏差值是通過(guò)考慮諸如絕緣體干擾、光束偏轉和接觸摩擦等因素來(lái)計算的。超過(guò)對齊偏差值可能會(huì )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(xiāo)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(xiāo)，它們通常位于連接器底部的相對側（圖4）。這些定位銷(xiāo)有助于手動(dòng)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(lái)說(shuō)，它們不會(huì )增加整體公差累積。

 

圖4：雖然定位銷(xiāo)對于手動(dòng)放置和確定方向都非常有用，但對于多連接器應用來(lái)說(shuō)，不建議使用它們，因為它們會(huì )對整體公差累積產(chǎn)生影響。

（圖片來(lái)源：Samtec Inc.）

 

但是，對于多連接器應用來(lái)說(shuō)，我們不建議使用定位銷(xiāo)，因為它們會(huì )對整體公差的累積產(chǎn)生影響。如果仍然需要在PCB板上進(jìn)行定向，一個(gè)更好的選擇是在PCB板上鉆一些過(guò)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(xiāo)釘來(lái)輔助連接器的放置。這些方法通常依賴(lài)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(gè)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(pán)（solder pad）陣列A中的位置A1開(kāi)始對所有焊盤(pán)進(jìn)行位置校準，然后在回流之前將連接器精確放置在焊盤(pán)上。

 

用緊固螺釘來(lái)固定PCB板

 

一些特別堅固的應用可能需要使用緊固螺釘來(lái)保護兩個(gè)PCB板。在這種情況下，螺釘應盡可能靠近連接器系統（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的位置。

（圖片來(lái)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?huì )在PCB板中引起彎曲應力，這可能會(huì )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(gè)來(lái)源是裝載過(guò)程，其中大量的插入和拔出（I / O）會(huì )產(chǎn)生非常大的插入力/拔出力。這些力會(huì )導致PCB板過(guò)度性偏移，以致于需要額外的加強筋來(lái)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(lái)源：Samtec Inc.）

 

結論

 

盡管小型化趨勢使其更具挑戰性，但通過(guò)使用最佳設計實(shí)踐，還是能夠在兩個(gè)PCB板上使用多連接器組。這些措施包括進(jìn)行系統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(lái)安放元器件。

 

另外，建議在設計過(guò)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(lèi)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(xún)，以有助于確保設計成功。

 

關(guān)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(xué)J.B. Speed工程學(xué)院。