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如何克服多個連接器組的對齊挑戰

    作者:宏拓新軟件
    發布日期:2020-06-08         
閱讀:21     
 
 

市場對電子系統印刷電路板(PCB)增加密度、縮小的占位面積、提高數據速率和熱管理的需求,已經成為影響當今PCB設計和制造的挑戰之一,相關成本也隨之增加。但一個重要的、盡管有時被忽略的考慮因素是,這些日益復雜的PCB通常需要更復雜的連接器系統。

前文提到的大多數設計因素也對連接器的設計和性能提出新的要求,包括更小的占位面積、更低高度以及更高的可靠性等,這同樣也拉高了連接器的相關成本。這些嚴格的連接器設計參數可能會給制造商帶來互斥的目標,即在管理成本的同時,還要滿足對更高性能和密度的需求。

在兩個配對的PCB之間進行多個連接器組的對齊,這是當前困擾連接器應用的最常見的挑戰之一,通常也做得不如預期?朔浑y題,也是Samtec產品工程和互連處理小組(IPG)的當前共同的工作重心,他們在這個問題上與無數的設計和工藝工程師進行了合作。為了更加了解如何克服多個連接器組的對齊挑戰,我與Samtec產品工程師Kevin Meredith進行了訪談。

Kevin:只要制造出夾層連接器和足夠剛性的PCB,同時加工和組裝達到精確的標稱條件,那么可以在兩個PCB之間成功部署無限數量的連接器。因此,公差和材料性能成為限制或驅動因素。

圖1說明了這一點。多夾層連接器系統是由六個或更多器件組成的組件:主板(A)、夾層卡(B)、#1母頭連接器(C)——與#1公頭(D)匹配、#2母頭連接器(E)——與#2公頭(F)匹配。設計人員需要考量并考慮所有組件的公差,包括兩個PCB(A)和(B)所經常被忽略但相關的公差。

夾層連接器

圖1:設計人員需要考量并考慮所有組件(包括PCB)的公差

DANNY:Kevin,在兩個PCB上增加第二套配對互連有什么作用?

KEVIN:對于具有單個配對連接器組的應用,沒有堆疊公差。在這種應用中,夾層卡是自由浮動的,并且連接器的宏觀和微觀對齊功能需要確保完美對齊。

但是,在相同的母夾層卡上以任何方向、任何距離將其他配對的連接器組添加到同一夾層卡上,將會引入幾個公差,這些公差將疊加。對于PCB加工車間、電子制造服務以及PCB中使用的材料屬性,這些公差是獨特的。

圖2說明了這一點。使用一個配對的連接器系統(頂部),配對的插座和端子排可以自由捕獲和自我對準。但是,使用多組(底部)時,連接器中心線現在相對彼此固定,并受到其他公差的限制。

夾層連接器

圖2:添加其他配對連接器組會引入幾個公差,這些公差會疊加在一起

DANNY:聽起來好像很復雜。這是如何產生的?

KEVIN:總而言之,是“小型化”導致的。 在過去25年中,連接器間距已從0.1"(約2.54 cm)減小到0.016"(0.40毫米),這是6倍的變化。顯然,公差也必須嚴格。

Samtec Gerber數據包

圖3:典型的Samtec Gerber數據包

某些PCB的購買僅受Gerber數據包中的規范控制?梢酝ㄟ^這些數據包構建PCB,而無需考慮機械公差。而對于多連接器應用,此數據包必須隨附單獨的機械圖紙,以指示原圖、鉆孔和布線公差。

DANNY:連接器制造商在此過程中的作用是什么?

KEVIN:以圖1為例,多連接夾層卡系統將由A-F組件組成。連接器制造商僅控制連接器的公差。PCB及其處理的精確度超出了連接器制造商的控制范圍。

僅就Samtec而言,我們的目標是確保我們的連接器達到或超過已發布的性能規格。為了幫助實現這一目標,我們提出了PCB公差和加工建議。如果需要,我們甚至會為PCB供應商和設備建議提供推薦。

Samtec的所有產品均受封裝和產品規格的支持。這些文檔中包含的信息將使最終的設備設計人員能夠完成在同一張卡之間成功使用多個連接器所需的系統級公差研究。

DANNY:在這些類型的應用中,如何設置限制以確保連接器組正常工作?

KEVIN:只要不超過初始、最終以及角度、線性的偏差,連接器系統就能正常運行。超過偏差值可能會導致電路和/或絕緣體斷路或損壞。Samtec通過考慮諸如絕緣體干擾、光束偏轉和接觸擦拭等因素來計算這些失準值。

我很想強調一件對設計人員來說很重要事,那就是進行系統公差研究以確定由他們的設計產生的連接器偏差,然后將這些結果與連接器制造商的偏差規格進行比較。

我們經常與設計人員合作以驗證偏差公差堆棧,由于他們了解設計、組件公差、設備和制造能力,因此他們通常唾手可得所有必要的信息。

DANNY:一些連接器制造商提供了可選的定位銷,這些定位銷通常位于連接器底部的相對側。您是否建議使用定位銷?

KEVIN:對準銷有助于手動放置,可用于使連接器與PCB極化。對于單連接器應用,它們不會增加整體公差。

對于多個連接器應用,它們會導致整體公差堆棧。我們建議使用不帶定位銷的連接器產品。但是,如果需要PCB極化,我們建議在PCB上鉆一些大孔,然后進行機器放置。

夾層連接器

圖4:Samtec建議使用不帶定位銷的連接器

我們對齊多個連接器組的一般方法是基準所有焊墊,從焊盤陣列A中的位置A1開始。然后,我們希望在回流之前將連接器精確放置在焊盤上。

添加夾具或銷釘以輔助連接器放置通常會降低最終連接器放置之間的整體精度。這些方法通常依賴于PCB上相對于原圖的鉆孔。該孔的位置公差通常較差,因此Samtec建議不要使用夾具或銷釘。

DANNY:關于使用千斤頂螺釘(jack screw)固定兩個PCB的建議是什么?

KEVIN:我們建議將千斤頂螺釘盡可能靠近連接器系統放置。這會將應力集中在連接器附近,并減小了不受支撐的PCB跨度?缍鹊脑黾訒赑CB中引起彎曲應力,這可能會對其他表面安裝的組件產生不利影響。

連接器安裝

圖5:將頂螺釘盡可能靠近連接器系統放置

DANNY:在壓力方面,PCB負載的情況如何?

KEVIN:不要忽略您的PCB負載。始終確認連接器的插入和拔出,如產品鑒定測試報告中所述。圖4是典型資格報告中顯示的插入力和拔出力的示例。大量的I / O可能會導致巨大的力量。這些力會導致PCB過度變形,以至于需要額外的加強筋來支撐PCB。

連接器數據

圖6:連接器的插拔力

DANNY::謝謝你的分享。麻煩給我們做個總結吧?

KEVIN:可以在兩個PCB之間對準多個連接器組。但要確保進行系統公差研究,來確定您的設計產生的連接器偏差,然后遵循Samtec建議的覆蓋區和模板設計,確保良好的焊膏印刷,在機器上放置元件,然后將這些結果與連接器制造商的偏差規格進行比較。

 

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