EUR | USD

Gebruik Tight-Pitch bord-naar-bord-connectors om de systeemverpakking te optimaliseren.

Door Bill Schweber

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Single bordoplossingen besparen ruimte door alle elektronica van een systeem op één kleine, vermoedelijk goedkopere, printplaat te plaatsen. In het geval van single board computers (SBC's) moeten ontwerpers hard werken om zoveel mogelijk rekenkracht, functionaliteit en I/O op die printplaat aan te brengen. De realiteit is echter dat er veel gevallen zijn in industriële, consumenten- en medische toepassingen waarin één enkel bord niet de beste oplossing is, en dus zijn er meerdere printplaten nodig. Dit is waar bord-naar-bord-connectors (BTB) echt belangrijk worden.

Ondanks alle ontwerpinspanningen die zouden kunnen worden geleverd bij het ontwerpen van de meerdere printplaten van een systeem, kan het niet in acht nemen van de juiste BTB-connector het ontwerp volledig ondermijnen. Dit kan zowel op voorhand gebeuren als gevolg van vormfactorproblemen of problemen met de signaalintegriteit, of later in het veld als gevolg van storingen in het gebruik (of misbruik).

In dit artikel wordt ingegaan op de ontwerpkwesties die de behoefte aan BTB-connectors stimuleren, en op de factoren waarmee ontwerpers rekening moeten houden bij het selecteren van BTB-connectors uit het brede scala aan beschikbare opties. Deze omvatten de prestaties van het circuit, de productie-eisen, het gebruiksmodel, het reparatiegemak, de soorten signalen, de grootte van de connector en het aantal contactposities, de radiofrequentie-interferentie (RFI) en de elektromagnetische interferentie (EMI), om er maar een paar te noemen. Het zal bij wijze van voorbeeld BTB-connectoroplossingen van Phoenix Contact introduceren om te laten zien hoe ze de connectiviteitsproblemen van ontwerpers kunnen oplossen.

Waarom BTB-connectors gebruiken?

Er zijn minstens tien ontwerp-, productie- en marketingsituaties waarin het gebruik van twee of meer onderling verbonden printplaten in plaats van één enkele zinvol is:

  1. Waar beperkingen van vormfactoren de totale omvang van een enkele, grotere bordbenadering beperken, is een driedimensionale opstelling nodig om te profiteren van de beschikbare pakketdiepte.
  2. Waar het onacceptabel is om low-level, zeer gevoelige analoge I/O- of RF-circuits te plaatsen in de buurt van snelle, rumoerige digitale circuits.
  3. Waar hoge voltages aanwezig zijn, en goede technische praktijken en reguleringsnormen scheiding opleggen.
  4. Waar thermische problemen vragen om het plaatsen van warmere componenten op een aparte locatie voor een betere dissipatie en een beter thermisch beheer.
  5. Wanneer een bepaald circuitonderdeel kan worden gebruikt of hergebruikt voor meerdere versies van een product, zoals een core processing bord die is gekoppeld aan een basis multiline-gebruikersdisplay en drukknoppen, evenals aan een meer verfijnd grafisch touchscreen voor verschillende modellen van een alarm- of sensorsysteem.
  6. Wanneer de productie speciale componenten vereist, zoals stroomtoestellen en koellichamen, die een speciaal fabricage-/montageproces of handmatige invoeging vereisen, terwijl de rest gebruik kan maken van geautomatiseerd invoegen en solderen.
  7. Waar de leverancier verwacht een functie in een systeem te kunnen upgraden, zoals de processor en het geheugen, maar de analoge functie ongewijzigd wil laten voor het technische vertrouwen en de kostenafschrijving.
  8. Waar de ervaring in het veld aangeeft dat een deel van het systeem, zoals de naar buiten gerichte I/O, eerder aan vervanging in het veld toe is, terwijl de interne kernfuncties, zoals de processor en het geheugen, een langere gemiddelde tijd nodig hebben om te falen (MTTF).
  9. Waar sommige componenten dikker bordmateriaal en zwaardere koperen bekleding nodig hebben, zoals voor voedingscomponenten.
  10. Waar EMI/RFI-overwegingen en betrekking hebben op mandaatscheiding tussen functies, en misschien zelfs RF-afscherming van een deel van het circuit.

Het is duidelijk dat er veel legitieme ontwerp-, productie- en ondersteuningsredenen zijn om te kiezen voor of aan te dringen op het gebruik van meerdere printplaten. Tot de toepassingen waarvoor dit gebeurt behoren industriële besturingssystemen, motorbesturingen, programmeerbare logische controllers (PLC's), alarm- en beveiligingseenheden, medische systemen zoals draagbare röntgen- of ultrasone machines en apparaten met verschillende mens-machine-interfaces (HMI) (Afbeelding 1).

Afbeelding van verschillende mens-machine-interfaces (MMI)Afbeelding 1: Veel producten profiteren van, of hebben absoluut behoefte aan, één of meer printplaten waardoor BTB-connectors nodig zijn, maar ze moeten zorgvuldig worden geselecteerd. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Hoe selecteer je een BTB-connector

Zodra de beslissing is genomen om twee of meer aangesloten printplaten te gebruiken, moeten ontwerpers geschikte BTB-connectors kiezen. In bijna alle gevallen is het niet alleen een kwestie van het vinden van een enkel connectorpaar met de juiste basisspecificaties die deze beslissing bepaalt. In plaats daarvan is het verstandig om eerst een familie van volledig compatibele connectors met verschillende BTB-opties te identificeren, zodat de ontwerpkeuze niet op voorhand wordt beperkt.

Een snelle blik op de verscheidenheid aan connectors die zelfs door één enkele leverancier wordt aangeboden, kan het beslissingsproces overweldigend doen lijken, maar dat is het echt niet. Terwijl ontwerpers zich concentreren op hun prioriteiten, beperkingen en 'musthaves', wordt de keuze van de specifieke connectors die gewoonlijk worden gebruikt, redelijk klein. Verder betekent de beschikbaarheid van zo veel connectorstijlen dat ontwerpers een koppeling kunnen vinden die de onvermijdelijke technische afwegingen optimaal in evenwicht brengt met een minimaal compromis.

Ontwerpers kunnen geavanceerde computerondersteunde ontwerphulpmiddelen (CAD) gebruiken om de mogelijke fysieke configuraties en mogelijke BTB-oriëntaties te modelleren, inclusief mezzanine, moeder-dochter en coplanair, maar ook ongedwongen via lintkabels (Afbeelding 2). Maar het is niet nodig om naar CAD te springen, omdat minder geavanceerde technieken ook zeer effectief kunnen zijn voor initiële evaluaties en met succes zijn toegepast, waaronder het gebruik van kartonnen modellen van verschillende bordformaten en arrangementen.

Afbeelding van bord-naar-bord-verbindingenAfbeelding 2: Bord-naar-bord-verbindingen kunnen verschillende oriëntaties en opstellingen hebben, waaronder mezzanine, moeder-dochter, coplanair, en ongedwongen lintkabels. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Verkennen van vrijheidsgraden

Naast de basisoriëntatie geeft de beschikbaarheid van zo veel connectorversies de ontwerpers lay-out- en plaatsingsmogelijkheden. De ontwerper kan er bijvoorbeeld voor kiezen om twee kleinere BTB-connectors te gebruiken, elk met minder posities, in plaats van één connector met meer posities. Dit kan de layout van de printplaat vereenvoudigen en de noodzaak van enkele signalen om de hele lengte van de printplaat te doorkruisen elimineren.

Zo is de Phoenix Contact FINEPITCH 1.27-serie (1.27 millimeter (mm) pitch) verkrijgbaar in 12, 16, 20, 26, 32, 40, 50, 68, 80 posities. Opmerking: 1,27 mm is precies 0,05 inch, of 50 mils, een gemeenschappelijke pitch). Beschouw twee verticale vrouwelijke connectors in de serie: het 26-contact 1714894 met een breedte van 21,6 mm, en het verder identieke 12-contact 1714891 met een breedte van 12,71 mm, iets meer dan de helft van de 26-contact versie (figuur 3).

Het gebruik van deze twee kleinere connectors op verschillende locaties van de printplaat levert een verwaarloosbare voetafdruk op, die vaak wordt gecompenseerd door de ruimtebesparing die nodig is voor de printplaat en de verbeterde signaalintegriteit. Op dezelfde manier bestaat de Phoenix Contact FINEPITCH 0,8-serie (0,8 mm pitch) uit een serie connectors met een pitch van 0,8 mm, beginnend met de 12-positie, 9,58 mm lange 1043682 connectorhouder en uitbreidend tot 80 posities (Afbeelding 4).

Afbeelding van Phoenix Contact FINEPITCH 1,27 mm-serieAfbeelding 3: De kleinste connector in de FINEPITCH 1,27 mm-serie is deze 12-positie 1714891-versie met een lange asbreedte van 12,71 mm. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Afbeelding van Phoenix Contact FINEPITCH 0.8-serieAfbeelding 4: De Phoenix Contact FINEPITCH 0,8-serie connectors heeft een pitch van 0,8 mm, waarbij het kleinste lid de 12-positie 1043682 is met een lengte van 9,58 mm. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Een ander punt is de hoogte van de connector, waardoor ontwerpers ervoor kunnen zorgen dat twee uitgelijnde, parallelle printplaten met elkaar overeenkomen en binnen de behuizing passen, met elke plaat op een optimale locatie. Een processorbord kan aan de achterkant van de productbehuizing worden bevestigd, terwijl een tweede bord met het gebruikersdisplay en knoppen vlak tegen het frontpaneel kan worden geplaatst.

Om deze reden zijn er connectors beschikbaar met identieke positietellingen, lengte en breedte, maar met één belangrijk verschil: de hoogte. Door het mengen van verschillende hoogtes kan een breed scala aan interboardafstanden, de zogenaamde stapelhoogte, worden ondersteund. Zo zijn er bijvoorbeeld verticale vrouwelijke connectors in de Phoenix Contact FINEPITCH 1.27-familie beschikbaar met twee hoogtes van 6,25 en 9,05 mm, terwijl de parende verticale mannelijke connectors worden aangeboden met 1,75 en 3,25 mm hoogtes.

Bovendien - en dit is van cruciaal belang - heeft het paar een "wipe-lengte" van 1,5 mm met behoud van een betrouwbare wipe-lengte voor oppervlaktecontacten van 0,9 mm. Als gevolg daarvan is er een ononderbroken, niet getrapt bereik van de beschikbare bord-naar-bord-afstand van 8,0 tot 13,8 mm (Afbeelding 5). De Phoenix Contact FINEPITCH 0.8-familie van connectors, met verschillende hoogtes en wipe-lengtes dan de FINEPITCH 1.27-familie, ondersteunt met een vergelijkbaar schema een doorlopend bereik van 6 tot 12 mm. Een bijkomend voordeel is dat de inherente flexibiliteit van de BTB-paringsafstand ook de assemblagetoleranties in de productie versoepelt.

Diagram van Phoenix Contact FINEPITCH 1.27-reeksen mannelijke en vrouwelijke discrete hoogtenAfbeelding 5: Door de beschikbare discrete hoogtes van de mannelijke en vrouwelijke connectors in de FINEPITCH 1.27-serie en hun lange wipe-lengte kan de werkelijke BTB-stapelhoogte overal tussen 8,0 en 13,8 mm liggen. (Bron afbeelding: Phoenix Contact

Ondersteuning van EMC- en RF-behoeften

Van BTB-connectors met een hoge dichtheid en meerdere contacten wordt verwacht dat ze bandbreedtes ondersteunen die veel verder gaan dan de stroom- en laagfrequente signalen, waardoor de noodzaak van meerdere discrete kabelassemblages, waarbij elke kabel één enkel signaal ondersteunt, tot een minimum wordt beperkt. De prestaties van de connector in het gigahertz-bereik zijn, samen met de mogelijkheid om de signaalintegriteit op deze frequenties te behouden, kritische parameters. Tegelijkertijd zijn er elektromagnetische compatibiliteitsoverwegingen (EMC) om ervoor te zorgen dat de hogesnelheidssignalen in de connector niet worden beïnvloed, noch worden beïnvloed door signalen uit de buurt.

Sommige connectorfamilies zijn uniek ontworpen om te voldoen aan bandbreedte- en EMC-aspecten. De Phoenix Contact FINEPITCH 0.8-serie ondersteunt bijvoorbeeld datasnelheden tot 16 gigabit/seconde (Gbits/s) en omvat meerdere afschermingspaden van connector naar connector bij de koppeling (Afbeelding 6), wat resulteert in uitstekende EMC-eigenschappen (Afbeelding 7).

Afbeelding van Phoenix Contact FINEPITCH 0.8-serie connector-naar-connector afschermingstrajectenAfbeelding 6: De FINEPITCH 0.8-serie omvat meerdere afschermingspaden van connector naar connector bij de koppeling voor een betere afscherming. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Afbeelding van elektrisch veld rond een Phoenix Contact FINEPITCH 0.8-serie connectorAfbeelding 7: Dit beeld van het elektrisch veld rond een FINEPITCH 0.8-serie connector toont de prestaties van de afscherming; donkerblauw duidt op een elektrische veldsterkte van 0 tot 0.1 volt/meter (V/m) terwijl dieprood 1.0 V/m is. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Er zijn S-parameters beschikbaar voor deze connectors ter ondersteuning van high fidelity RF-signaalpadmodellering, samen met gegevens over insertion loss, far-end crosstalk (FEXT) die aan de ontvangerzijde wordt gemeten, en near-end crosstalk (NEXT) die aan de zenderzijde wordt gemeten (Afbeelding 8).

Grafieken van het insertion loss en near end crosstalk tot 10 GHzAfbeelding 8: Connectors voor hoge datasnelheden zoals de FINEPITCH 0.8-serie bevatten grafieken van (links) insertion loss en (rechts) near-end crosstalk tot 10 GHz. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Verder gaan dan het voor de hand liggende

Ondanks de ogenschijnlijke eenvoud van de connectorfunctie vereist de keuze van een geschikte connectorfamilie ook andere overwegingen. Daaronder zijn..:

  • Compatibiliteit met standaard, hoog-volume productieprocessen (laden en solderen), wat ook een hoge mate van connectorcoplanariteit over het gehele lichaam vereist, meestal beter dan 0,1 mm.
  • Aantal insteekcycli waarvoor de prestaties gegarandeerd zijn, zelfs als het contactoppervlak na herhaalde cycli verslijt; 500 cycli wordt beschouwd als het hoogste prestatieniveau. De Phoenix Contact FINEPITCH 0.8-familie behoudt een contactweerstand van minder dan 20 milliohms (mΩ), terwijl hun FINEPITCH 1.27-familie na 500 cycli nog steeds onder 25 mΩ ligt (per IEC 60512-2-1:2002-02).
  • Er is ook de realiteit van radiale en hoekafwijking wanneer twee printplaten en hun connectors worden gekoppeld.

Het laatste punt, de verkeerde uitlijning, is gewoon een realiteit waar ontwerpers rekening mee moeten houden. In een perfecte wereld zouden de middellijnen van de mannelijke en vrouwelijke connectors perfect gecentreerd zijn en geen kanteling ten opzichte van elkaar hebben. Gezien de kleine afmetingen van deze fijnmazige connectors lijkt het misschien dat dergelijke mismatches niet zijn toegestaan, maar een goed ontwerp van de connectors biedt ruimte voor enige mismatch voor beide parameters.

De ScaleX-technologie van de FINEPITCH 0.8- en FINEPITCH 1.27-serie doet in deze realiteit goed werk door een behuizingsgeometrie te leveren die meer doet dan alleen het beschermen van de contacten tegen schade in het geval van mismatching. Het biedt ook overeenkomstige tolerantiecompensatie met een centrumverschuiving van ± 0,7 mm en een hellingstolerantie van respectievelijk ±2 °/±4 ° langs schuine en longitudinale assen (Afbeelding 9).

Afbeelding van Phoenix Contact FINEPITCH 0,8 mm en FINEPITCH 1,27 connectors tolereren een hoekfout in de uitlijning.Afbeelding 9: Echte uitlijningen zijn nooit perfect, dus de FINEPITCH 0,8 mm en FINEPITCH 1,27 connectors tolereren een schuine en longitudinale hoekfout in de uitlijning tot ±2 °/±4 °, respectievelijk een excentrische radiale fout in de uitlijning tot 0,7 mm. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Wat je niet kunt zien is ook belangrijk

Hoewel connectors niet de nanometer-procesafmetingen van geïntegreerde schakelingen hebben, zijn hun contacten mechanische structuren met kleine elementen, nauwe toleranties en ultradunne kostbare en niet-kostbare metalen beplating, terwijl hun lichamen ook precisie-vormstukken zijn. Gezien de grootte van de metalen contactzone en de manier waarop deze contacten in de behuizingen zijn "begraven", is het niet mogelijk om te zien wat er nodig is om een zeer betrouwbare contactzone te creëren.

Bij deze afmetingen is een uitgekiend ontwerp nodig in combinatie met de mogelijkheid om het te implementeren in de productie van grote hoeveelheden op micro-element-schaal. Daarom is de FINEPITCH 0.8-serie met ScaleX-technologie voorzien van een uniek dubbelcontact. Bij de paring zijn de contacten - een mannelijk element en een vrouwelijk element - trillingsbestendig in een zeer krappe ruimte. De contacten hebben ook vleugelvormige soldeerpinnen, die optimaal zijn voor automatische soldeerprocessen.

Wanneer de printplaten niet direct kunnen worden aangesloten

Hoewel directe BTB-plaatsing en aansluiting een aantrekkelijke optie is, zijn er situaties waarin het niet mogelijk is om twee of meer printplaten op elkaar af te stemmen en direct te paren via BTB-connectors. Dit kan te wijten zijn aan de vormfactor van het totale productpakket, de vorm van de printplaten, elektrische en elektronische overwegingen bij het plaatsen van een printplaat, of thermische kwesties.

Om aan deze situaties tegemoet te komen, biedt de Phoenix Contact FINEPITCH 1.27-serie ook vrouwelijke isolatieverdringingsconnectors (IDC's) die met platte kabels kunnen worden gebruikt. Met behulp van deze flexibele, platte lintkabelverbindingen tussen twee printplaten kunnen ze fysiek maar niet elektrisch worden gescheiden en hoeven de platen niet parallel of in een rechte hoek ten opzichte van elkaar te staan. Net als de BTB-connectors worden deze aangeboden in het volledige bereik van 12 tot 80 posities; de Phoenix Contact 1714902 is de vrijhangende 12-positie versie (Afbeelding 10). Er is ook een versie voor paneelmontage beschikbaar.

Afbeelding van Phoenix Contact 12-positie 1714902 vrijhangende IDC-connectorAfbeelding 10: IDC's, zoals de 12-positie 1714902 vrijhangende connector uit de FINEPITCH 1.27-serie, maken het gebruik van flexibele kabel mogelijk in configuraties waar direct BTB-contact niet mogelijk of wenselijk is. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

De platte kabel voor de IDC BTB-opstelling is ook een hoogontwikkeld product met AWG 30 (0,06 mm²) Litz-draadgeleiders en een keuze uit drie soorten isolatie: basis PVC (-10 °C tot +105 °C), hoge temperatuur (-40 °C tot +125 °C), en een halogeenvrije versie. Dit laatste is volgens de code vereist voor sommige installaties om het vuur te onderdrukken, en ook om een "char"-coating te vormen die de uitstoot van giftige koolstofgassen en de zichtbaarheid van rook en koolstofdeeltjes vermindert.

Aangezien er vijf verschillende kabeloriëntaties en connectoropstellingen zijn (Afbeelding 11), negen connectorafmetingen die tussen 12 en 80 posities ondersteunen, flexibele kabellengtes van een vrij korte 5 cm (~2 inch) tot een veel langere 95 cm (~37,5 inch), en drie beschikbare isolatietypen, zijn er meer dan 10.000 mogelijke permutaties die deze opties omvatten. Het is onpraktisch om deze allemaal op voorraad te hebben, dus deze IDC-kabelassemblages worden naar behoefte vervaardigd met behulp van de gewenste connector/kabel-koppeling en -configuratie.

Afbeelding van opstellingen en oriëntaties voor de connectors van een IDC-kabelAfbeelding 11: Er worden drie van de vijf beschikbare opstellingen en oriëntaties voor de connectors van een IDC-kabel weergegeven, die ontwerpers maximale flexibiliteit bieden bij het plaatsen van kabels, en minimale beperkingen bieden door het verlengen en plaatsen van kabels te vereenvoudigen. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Conclusie

Connectors en interconnects zijn kritische elementen van een compleet ontwerp die de nodige aandacht verdienen. Wanneer meerdere printplaten worden gebruikt, bieden BTB-connectors een handige, betrouwbare en krachtige techniek voor de verbinding tussen twee of meer platen in verschillende opstellingen.

De nuances en complexiteit van deze connectors zijn vaak onderschat, maar zoals getoond, bieden precisie ontworpen BTB-connectors zoals de FINEPITCH 0.8- en FINEPITCH 1.27-serie van Phoenix Contact een hoge verbindingsdichtheid, superieure mechanische prestaties, compatibiliteit met productieprocessen en debiet, en elektrische prestaties die voldoen aan de gegevenssnelheid en EMC-eisen van de hedendaagse geavanceerde productontwerpen.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Bill Schweber

Bill Schweber is een elektronisch ingenieur die drie boeken over elektronische communicatiesystemen heeft geschreven, alsmede honderden technische artikelen, opiniërende columns en productkenmerken. In voorgaande functies was hij werkzaam als technisch websitemanager voor meerdere onderwerpspecifieke sites van EE Times, alsmede de hoofd- en analoge redacteur van EDN.

Bij Analog Devices, Inc. (een leidende verkoper van geïntegreerde schakelingen met analoog en gemengd-signaal) hield Bill zich bezig met marketingcommunicatie (public relations). Hierdoor heeft hij beide kanten van een technische pr-functie ervaren, door het introduceren van bedrijfsproducten, verhalen en berichten aan de media en ook als ontvanger daarvan.

Voorafgaand aan zijn marketing- en communicatierol bij Analog was Bill meewerkend redacteur van hun gerespecteerde technische tijdschrift en ook werkzaam op hun afdelingen voor productmarketing en applicatie-engineering. Daarvoor was Bill actief bij Instron Corp. door het werken aan analoge en geïntegreerde schakelingen en de systeemintegratie van materiaaltestende machinebesturingen.

Hij houdt een MSEE (Univ. van Mass.) en BSEE (Columbia-universiteit), staat geregistreerd als professioneel ingenieur en heeft een geavanceerde licentie voor amateurradio. Bill heeft ook online cursussen over vele technische onderwerpen georganiseerd, geschreven en gepresenteerd, waaronder MOSFET-basics, ADC-selectie en led-schakelingen.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key