如何克服PCB板間多連接器組對齊的難題

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(cè)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(shè)計(jì)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(zhǔn)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(yīng)對這些對齊挑戰(zhàn)，同時滿足日益嚴(yán)格的預(yù)算和上市時間要求。


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(xì)地討論對齊的挑戰(zhàn)，從而可以通過使用設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐高效地滿足這些要求。



 
PCB板有許多可以改進(jìn)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(jìn)的是小型化這一趨勢在連接器的選擇和實(shí)現(xiàn)方面為設(shè)計(jì)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(dǎo)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(yán)格的公差。然而，更嚴(yán)格的公差本身并不是問題，問題在于標(biāo)稱公差周圍的可變性：如果多個連接器變至標(biāo)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(yīng)用不會出現(xiàn)問題：因?yàn)闆]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(yīng)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(dǎo)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(wù)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(xiàng)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(shè)計(jì)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。

 
假如夾層連接器和足夠剛性的PCB板能夠精確地按照標(biāo)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(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(shè)計(jì)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(guān)的公差。

 

 
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(jī)械公差。

 

圖3：某些PCB板的采購項(xiàng)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(jī)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(yīng)用，此數(shù)據(jù)包需要隨附單獨(dú)的機(jī)械圖紙一起使用。

 
對于多連接器應(yīng)用來說，此數(shù)據(jù)包必須隨附單獨(dú)的機(jī)械圖紙，以指示原圖、鉆孔和布線公差。

 
至此，設(shè)計(jì)師需要做兩件事來幫助確保得到一個成功的結(jié)果。首先是要了解PCB板供應(yīng)商和連接器供應(yīng)商能提供哪些支持以確保對齊。第二是確保已進(jìn)行系統(tǒng)級公差的研究，以確定由其設(shè)計(jì)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(yīng)商只能控制連接器的公差。一家好的供應(yīng)商將會達(dá)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?xí)鶕?jù)需要為推薦的PCB供應(yīng)商和設(shè)備提供參考建議。

 
系統(tǒng)或產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員應(yīng)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(yīng)該與系統(tǒng)級公差研究的結(jié)果進(jìn)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(yùn)行。這些對齊偏差值是通過考慮諸如絕緣體干擾、光束偏轉(zhuǎn)和接觸摩擦等因素來計(jì)算的。超過對齊偏差值可能會導(dǎo)致電路和/或絕緣體斷路或損壞。


雖然設(shè)計(jì)、組件公差、設(shè)備和制造能力等所有必要的信息對于設(shè)計(jì)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(dǎo)和對對齊偏差公差累積的驗(yàn)證。

 

 
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(cè)（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(yīng)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(yīng)用來說，不建議使用它們，因?yàn)樗鼈儠φw公差累積產(chǎn)生影響。

 
但是，對于多連接器應(yīng)用來說，我們不建議使用定位銷，因?yàn)樗鼈儠φw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，一個更好的選擇是在PCB板上鉆一些過大的孔，然后采用機(jī)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(yīng)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(jìn)行位置校準(zhǔn)，然后在回流之前將連接器精確放置在焊盤上。



 
一些特別堅(jiān)固的應(yīng)用可能需要使用緊固螺釘來保護(hù)兩個PCB板。在這種情況下，螺釘應(yīng)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(yīng)將它們放置在盡可能靠近連接器系統(tǒng)的位置。

 

將它們放置在靠近的位置將使應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)致PCB板過度性偏移，以致于需要額外的加強(qiáng)筋來支撐PCB板。非常重要的是一定要確認(rèn)連接器的插入力和拔出力，它們在產(chǎn)品質(zhì)檢測試報(bào)告中可以找到。（圖6）。

 

圖6：為避免超規(guī)范加載，設(shè)計(jì)人員應(yīng)一直確認(rèn)連接器的插入力和拔出力，它們在產(chǎn)品質(zhì)檢測試報(bào)告中可以找到。

 

 
盡管小型化趨勢使其更具挑戰(zhàn)性，但通過使用最佳設(shè)計(jì)實(shí)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(jìn)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(shè)計(jì)，并利用機(jī)器來安放元器件。

 

另外，建議在設(shè)計(jì)過程的早期就與連接器提供商密切合作，因?yàn)樗麄兛梢詾檫B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(yīng)力提供咨詢，以有助于確保設(shè)計(jì)成功。