PCB安裝連接器技術(shù)概述

本文將深入研究各種各樣的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序涵蓋了基于連接器的解決方案的可靠性，速度，功率容量和密度的重要性，以及一兩個(gè)可以幫助設(shè)計(jì)人員的工具。

PCB連接器的三個(gè)主要目的是：

1. PCB互連：兩個(gè)PCB之間的剛性(或柔性)連接

2. PCB電纜連接：外部外圍設(shè)備的捆綁式有線(xiàn)連接

3. PCB編程/調(diào)試連接：用于調(diào)試或編程的連接器(或測(cè)試點(diǎn)陣列)，通常用于微控制器或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)之類(lèi)的東西

在這三種PCB連接中，所有形式的連接，形式和功能都將根據(jù)應(yīng)用情況而有所不同。首先，有兩種主要的將連接器安裝到PCB的方法：表面安裝和通孔。當(dāng)然，有許多種表面貼裝方法，但是出于所有目的和目的，連接器可以通過(guò)引腳通孔或引腳焊盤(pán)安裝。這將我們帶入設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮的一些最初的權(quán)衡。

設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的權(quán)衡

通過(guò)通孔安裝連接器會(huì)帶來(lái)很多好處，但是主要好處通常是加強(qiáng)機(jī)械連接。這是因?yàn)橐_/引線(xiàn)穿過(guò)PCB，通常焊接到頂層和底層。根據(jù)應(yīng)用，這可能非常重要，尤其是在可靠性和安全性至關(guān)重要的情況下。如果用戶(hù)可以訪(fǎng)問(wèn)并且看到頻繁的循環(huán)，則通孔連接肯定會(huì)提供更好的可靠性，并且隨著時(shí)間的流逝損壞設(shè)備的可能性也較小。通孔元件的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，它可以更輕松地進(jìn)行探測(cè)和返工，以進(jìn)行原型制作或維修。

另一方面，表面貼裝連接器可以極大地節(jié)省電路板空間(因?yàn)樵摻M件僅焊接到一層)，并且根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，還可以節(jié)省制造和組裝成本。許多連接器都有對(duì)齊柱，但不需要焊接。同樣，表面貼裝連接器通?？梢园ǜ叩囊_數(shù)密度，這又可以幫助將更多信號(hào)封裝到更小的區(qū)域中，并節(jié)省寶貴的電路板空間。視覺(jué)比較請(qǐng)參見(jiàn)圖 1。

圖1：PCB上的通孔(左)和表面安裝(右)連接

由于節(jié)省電路板空間和優(yōu)化密度/體積是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的常見(jiàn)動(dòng)力，因此許多設(shè)計(jì)都包含多個(gè)剛性或柔性相互連接的電路板。這種方法不僅節(jié)省了電路板空間，而且還節(jié)省了更多成本。

例如，如果一個(gè)設(shè)計(jì)包含一個(gè)需要10層以上的256引腳球柵陣列(BGA)處理器(這極大地增加了PCB的制造成本)，但是卻與許多外圍設(shè)備/連接器(可能只需要兩層或四層)接口，節(jié)省空間和成本的方法是將它們分成兩塊PCB：一塊較小的嵌入式PCB，具有10層以上的層，而另一塊次級(jí)PCB僅具有四層，并且具有大部分外圍組件(例如連接器)。通常以高密度將“ MCU PCB”安裝到“背板PCB”上。

如果顯示器和按鈕之類(lèi)的東西需要許多衛(wèi)星PCB，則可以使用靈活的連接。經(jīng)常被稱(chēng)為柔性電纜，在LCD和電機(jī)連接中很常見(jiàn)，通常有助于減小彎曲半徑(這有助于使結(jié)構(gòu)緊湊且外形小巧)和與組裝相關(guān)的物理應(yīng)力。柔性連接可以是插入連接器的獨(dú)立電纜，也可以直接用PCB制造。

圖2顯示了包含許多(不可插拔)柔性電纜連接的攝像機(jī)鏡頭，而圖3展示了集成了柔性電纜的“剛性柔性” PCB的區(qū)別。盡管有時(shí)難以設(shè)計(jì)和指定給供應(yīng)商，但采用剛?cè)峤Y(jié)合技術(shù)可以極大地幫助節(jié)省生產(chǎn)成本，并使設(shè)計(jì)更可靠，更緊密。但是，由于無(wú)法將兩個(gè)PCB彼此物理隔離，因此剛?cè)峤Y(jié)合的組裝可能會(huì)更加困難。

圖2：帶柔性電纜的攝像機(jī)鏡頭組件

圖3：剛性-柔性PCB技術(shù)

考慮連接器將應(yīng)用于的應(yīng)用程序

在以電纜連接為主題的同時(shí)，讓我們快速解決其他一些要考慮的重要事項(xiàng)。一個(gè)主題是易用性，一個(gè)完美的例子是標(biāo)準(zhǔn)的USB端口。多年來(lái)，USB連接器已通過(guò)多種方式進(jìn)行了改進(jìn)，包括載流量，信號(hào)密度，以及使用USB-C的可逆無(wú)方向連接。相反，帶有方向鍵且僅允許單向的連接器(例如經(jīng)典的USB 2.0連接器)有助于引導(dǎo)用戶(hù)并防止連接錯(cuò)誤。鎖定連接通?？商峁└玫臋C(jī)械支撐，并且可能需要旋轉(zhuǎn)插頭(BNC連接器)或壓緊接線(xiàn)片(RJ-45網(wǎng)絡(luò)電纜)?；旧?，如果連接器需要重復(fù)使用，則易用性當(dāng)然應(yīng)該是用戶(hù)要求的重中之重。

一些應(yīng)用需要更長(zhǎng)距離的高速，靈敏連接，這導(dǎo)致我們使用光纖。光纖連接主要有三種類(lèi)型：?jiǎn)文?，多模和塑料光纖(POF)。多模連接允許更高的帶寬，但由于其高的色散和衰減率，通常會(huì)在長(zhǎng)距離應(yīng)用中遭受損失，使其成為基于LAN的短連接的理想選擇。單模在更長(zhǎng)的距離上表現(xiàn)出色，非常適合諸如RF寬帶(您當(dāng)?shù)氐碾娎|公司)之類(lèi)的應(yīng)用。此外，通過(guò)諸如外圍組件互連(PCI)之類(lèi)的連接進(jìn)行并行數(shù)據(jù)總線(xiàn)通常比諸如USB之類(lèi)的串行連接要快得多(盡管USB-C也允許并行連接)。

對(duì)于某些應(yīng)用，例如航空航天和軍事，惡劣的工作條件可能最終導(dǎo)致需求的增長(zhǎng)。某些連接器具有針對(duì)電磁干擾(EMI)，靜電放電(ESD)，振動(dòng)和/或濕氣的特殊保護(hù)。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，一個(gè)常見(jiàn)的決定是連接器是否應(yīng)該屏蔽。屏蔽連接器(被某些導(dǎo)電金屬覆蓋，可能包括EMI墊圈)可以提供更高級(jí)別的保護(hù)，以防止有害輻射和局部磁場(chǎng)，但與非屏蔽替代產(chǎn)品相比，通常更笨重或昂貴。具有外殼和相應(yīng)引腳的連接器可以接地，以輔助人為觸摸或其他局部瞬變?cè)匆氲腅SD。一些連接器甚至包含減震觸點(diǎn)，以幫助應(yīng)對(duì)高沖擊和高可靠性的應(yīng)用。最后，需要保護(hù)免受外部濕氣影響的連接通常包含(或允許使用)密封。圖4演示了常見(jiàn)連接中所有這四種變化。

圖4：(L –R)屏蔽直流電源插孔，屏蔽/接地RJ-45插孔，抗振板對(duì)板連接器和防水USB連接器

對(duì)于高負(fù)載應(yīng)用，選擇具有最大電流或電壓額定值的連接器也可以加快設(shè)計(jì)過(guò)程。一些連接器包含混合信號(hào)引腳，以支持?jǐn)?shù)據(jù)和電源連接。通常，電源引腳具有更大的電流容量，并且可能更厚一些，有助于防止使用兩個(gè)單獨(dú)的電源和數(shù)據(jù)連接器/電纜。

交流電壓應(yīng)用還可以驅(qū)動(dòng)連接器的選擇，并要求每個(gè)引腳之間的間隙或間距最小(取決于最大電壓)。這有助于防止電弧放電，這可能對(duì)系統(tǒng)和操作員都有害。連接器將始終列出額定功率，在設(shè)計(jì)時(shí)要遵循這些規(guī)范，同時(shí)要保證良好的裕度，這一點(diǎn)很重要。

最后，有時(shí)最好的(也是最便宜的)解決方案是完全設(shè)計(jì)出連接器，并簡(jiǎn)單地將裸露的銅焊盤(pán)用于彈簧加載的接口。在提供較小外形尺寸的同時(shí)，它可以幫助降低組件成本并允許更容易的探測(cè)(基于PCB位置的靈活性)。編程或測(cè)試接口是最常見(jiàn)的應(yīng)用程序之一。嵌入式設(shè)計(jì)通常包括調(diào)試或編程端口，但是，如果通常不使用連接器(僅用于生產(chǎn)或服務(wù)，則為什么要在其中使用連接器)?諸如Tag-Connect之類(lèi)的電纜技術(shù)(如圖5所示)可提供一種外形更小，成本更低的解決方案。盡管通常僅用作測(cè)試點(diǎn)，但也應(yīng)考慮將焊盤(pán)陣列用于基于pogo-pin的連接。

圖5：Tag-Connect的pogo-pin電纜技術(shù)

PCB設(shè)計(jì)套件可以提供幫助

如今，許多CAD程序都具有3D可視化和機(jī)械文件導(dǎo)入/導(dǎo)出支持。一個(gè)示例是Solidworks Electrical(SWE)。傳統(tǒng)上是機(jī)械設(shè)計(jì)CAD程序，但存在用于Solidworks的電氣套件，可輕松與示意性定義的PCB和關(guān)聯(lián)的連接集成。設(shè)計(jì)師的好處包括電氣設(shè)計(jì)工具，可幫助定義互連并產(chǎn)生電纜規(guī)格，接線(xiàn)圖，甚至文件，這些文件可在其他PCB設(shè)計(jì)程序中使用以幫助網(wǎng)表，同時(shí)提供系統(tǒng)互連的完整可視化。雖然許多PCB設(shè)計(jì)程序都包含3D可視化功能，但某些程序允許文件互換性，以幫助定義PCB形狀(通過(guò)2D文件)和導(dǎo)入組件封裝(通過(guò)3D文件)。

結(jié)論

PCB連接的設(shè)計(jì)完全取決于應(yīng)用程序，通常從用戶(hù)要求開(kāi)始，考慮設(shè)計(jì)要求，并確定是否需要任何特殊功能。通常被遺忘的是，還必須考慮制造要求，以確保能夠以合理的簡(jiǎn)便性和成本來(lái)進(jìn)行制造和組裝。

各種形狀和尺寸的PCB設(shè)計(jì)套件都包含與機(jī)械相關(guān)的功能，這些功能可以顯著幫助降低設(shè)計(jì)迭代的風(fēng)險(xiǎn)并優(yōu)化連接器的放置。