在某些應(yīng)用中，連接器在生產(chǎn)過程中進行接配。在其他情況下，連接器是設(shè)備的組成部分，例如在擴展塢或充電器中。每個應(yīng)用都需要不同的解決方案。正確應(yīng)用的連接器將比那些與應(yīng)用不匹配的連接器更好地工作并且持續(xù)更長時間。收集和使用這些知識是當(dāng)今設(shè)計師面臨的另一個與連接器相關(guān)的挑戰(zhàn)。

 

有幾種方法可用于創(chuàng)建連接器中使用的引腳。最靈活的是精密加工。這不僅提供高水平的質(zhì)量和可靠性，而且在設(shè)計和材料方面提供了極大的靈活性，使得設(shè)計人員能夠指定連接器以滿足其確切需求。由此產(chǎn)生的高精度引腳具有圓柱形幾何形狀，有時也稱為轉(zhuǎn)腳（turned pin）。

 

典型的轉(zhuǎn)腳尺寸范圍從0.008英寸（0.2032mm）到0.250英寸（6.35mm）。高速轉(zhuǎn)動可以始終如一地生產(chǎn)精密加工的引腳，引腳在所有關(guān)鍵特征上的嚴(yán)格公差為±0.0005英寸（0.0127mm），這對于連接器引腳功能至關(guān)重要。這個過程不僅高度準(zhǔn)確，而且其重復(fù)性非常好——無論是制造數(shù)千還是數(shù)百萬個引腳。

 

彈簧式連接器（SLC）中的主要部件是彈簧引腳，有時稱為彈簧觸點、彈簧探針。它們提供高度可靠、精確制造的互連解決方案，是各種苛刻應(yīng)用的理想選擇。每個彈簧引腳都經(jīng)過精密加工，以確保高質(zhì)量、低電阻和兼容的連接器，這使其優(yōu)于其他技術(shù)。

 

 

彈簧引腳通常由三個或更多個機加工部件組成，這些部件與內(nèi)部彈簧組裝在一起以提供所需的運動范圍。所有這些組件均采用鍍鎳金電鍍，從而確保看在產(chǎn)品的整個使用壽命期間具有出色的導(dǎo)電性、耐用性和防腐蝕性。除了彈簧引腳的電壓能力、電流處理和接觸電阻的基本電氣要求外，在指定SLC時還需要考慮許多選項。

 

雖然垂直安裝是最常見的布置，但某些應(yīng)用需要兩個或更多個板的水平接配。直角引腳和目標(biāo)可提供0.1英寸（2.54毫米）或0.05英寸（1.27毫米）間距的通孔和表面安裝配置，從而為這一挑戰(zhàn)提供可靠、低高度的解決方案。SLC通常需要在同一組件內(nèi)承載電源和信號。標(biāo)準(zhǔn)電源引腳可承受高達(dá)9A的電流，溫度高于環(huán)境溫度10°C（20°C）。在需要更高電流或更低溫升的應(yīng)用中，引腳可以加倍，或者可以指定更大的引腳，特別是對于接地連接。

 

通過在陣列中指定具有不同長度和柱塞行程的彈簧引腳，可以創(chuàng)建所謂的先合后斷連接。這些在需要在信號連接之前將電源施加到電路的應(yīng)用中特別有用，從而避免可能導(dǎo)致不穩(wěn)定電路行為的未定義狀態(tài)。這些連接還允許關(guān)鍵信號根據(jù)應(yīng)用的要求進行隨時接配。

 

根據(jù)應(yīng)用的機械配置，可能需要不同的行程距離以及定制的彈簧力。大多數(shù)SLC通常在中風(fēng)時提供60g的力，盡管可以使用替代彈簧。對于復(fù)雜的多板組件，可提供雙作用SLC。一旦將它們安裝到堆疊的中間板上，就可以方便地在上方和下方安裝板子。

 

 

SLC不限于PCB應(yīng)用。這種多功能技術(shù)還可以通過帶有焊杯或壓接桶的引腳提供電線端接連接。市面上有各種尺寸的產(chǎn)品，可容納高達(dá)16AWG的電線，具有9A電流處理能力。具有與大多數(shù)焊接工藝兼容的高溫尼龍46絕緣體的SLC可用于穿過金屬或?qū)щ姴牧希ɡ鐚?dǎo)電殼體或外殼）的連接。

 

在SLC中進行設(shè)計時，通常最好的目標(biāo)是在行程范圍的中間行程附近操作。通常建議壓縮25-75％；但是，一些一次性按壓應(yīng)用可以可以采用最大限度的按壓操作。對于具有最小行程能力的超薄型彈簧引腳，最好的壓縮范圍是在50-85％內(nèi)。

 

彈簧引腳能夠與非平行表面匹配，但重要的是確保接配力軸向施加到活塞/柱塞上。應(yīng)避免活塞的側(cè)向接合或側(cè)向加載，因為彎曲或破裂會造成活塞或彈簧引腳損壞。

 

在接配受控較少的應(yīng)用中，良好的設(shè)計方法是結(jié)合支座硬件或其他特征，以提供機械支撐，以避免彈簧引腳過度按壓。

 

SLC的一大好處是它的多功能性和與各種表面配合的能力。只要彈簧引腳柱塞/活塞與平坦或凹陷的電鍍表面接觸，就可以形成良好的連接。這消除了傳統(tǒng)插針連接器系統(tǒng)的一面，并且減少了部件成本、生產(chǎn)時間和復(fù)雜性。

 

 

雖然與鍍金PCB焊盤配合是最常見的方式，但其他機械選項可用于滿足特定的應(yīng)用要求。對于通孔應(yīng)用，可以使用專用的釘頭引腳或目標(biāo)引腳。在表面貼裝應(yīng)用中，可提供薄型鍍金目標(biāo)焊盤，為電路板表面提供高導(dǎo)電、耐磨的延伸。通過將彈簧引腳與適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)組合，可以實現(xiàn)不同的配合距離以適應(yīng)幾乎任何應(yīng)用。

 

由于設(shè)計不良或磨損導(dǎo)致的較差的連接質(zhì)量，對整個系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在為應(yīng)用指定正確的SLC時，經(jīng)過驗證和證明的可靠性至關(guān)重要。自從1976年推出以來，IEC 60512一直是測試連接器機械、電氣和氣候特性的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了許多評估連接器質(zhì)量和可靠性的測試，包括彈簧力、接觸電阻、隨機，半竇和正弦振動、快速溫度變化、干熱、循環(huán)熱、冷和載流能力。這些測試非常廣泛，可以在原始零件以及預(yù)先循環(huán)的零件上進行，以確保連接器在實際應(yīng)用中具有長期可靠性。一些制造商使用IEC 60512作為基準(zhǔn)，但添加了特定的附加測試以反映已知應(yīng)用或解決技術(shù)變化時的其他潛在弱點。

 

在指定SLC時，設(shè)計人員應(yīng)檢查所有可用的測試數(shù)據(jù)。信譽良好的制造商通常會引入某些類型連接器的特定非標(biāo)準(zhǔn)測試，這將為設(shè)計人員提供有關(guān)連接器在某種應(yīng)用中進行可靠工作的進一步保證。

 

選擇一個品牌的SLC而不是另一個品牌的另一個有價值的標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計支持材料的可用性。大多數(shù)制造商將提供多種工具，包括用于快速設(shè)計模型的詳細(xì)3D模型（例如，IGES或STEP）和PCB布局建議，以確保實現(xiàn)正確的焊盤圖案以實現(xiàn)最佳SLC操作。

 

隨著創(chuàng)新帶來新的產(chǎn)品類別，多功能SLC連接器在支持未來技術(shù)方面發(fā)揮著重要作用。迄今為止最流行的SLC應(yīng)用之一是兩個或更多PCB之間的板對板連接。隨著產(chǎn)品尺寸的縮小，高端模塊化設(shè)計方法變得越來越流行，制造商正在產(chǎn)品中增加PCB數(shù)量。SLC允許容易地堆疊多個板，因為SLC容納公差疊加，包括由于非平行固定或PCB翹曲所導(dǎo)致的較小的失準(zhǔn)。無論電路板是平行的、垂直的還是水平的，SLC的多功能性都可使它們成為可行的解決方案。

 

 

當(dāng)今設(shè)計中有限的空間也意味著盲配變得越來越普遍。接合過程中引腳到插座的錯位會導(dǎo)致引腳損壞或彎曲，觸點損壞以及連接不良或缺失。SLC是理想的解決方案，因為不需要插入。當(dāng)柱塞尖端接觸導(dǎo)電表面（通常是PCB上的焊盤或目標(biāo)引腳的表面）時就進行連接。這些接配表面通常比彈簧銷柱塞大，這進一步消除了對準(zhǔn)和對部件的潛在損壞的擔(dān)憂。

 

隨著越來越多的設(shè)備變得便攜化，它們依賴于電池電源并且需要頻繁充電（通常在充電座中）。SLC是便攜式儀器中電池充電以及用于數(shù)據(jù)和電力傳輸目的的對接手持設(shè)備的完美解決方案。它們可以輕松集成到任何系統(tǒng)中，提供多種高度、行程和彈簧力選擇。接觸采用了柱塞頭，因此當(dāng)將電池或裝置放置在支架中時，彈簧引腳可以實現(xiàn)盲插和一些失準(zhǔn)。這使其成為最終用戶進行連接應(yīng)用的理想選擇。

 

在設(shè)計利用高速互連的應(yīng)用時，在信號路徑上瀏覽所有潛在的減速帶是至關(guān)重要。必須了解并掌握以下因素：疊層、公差、通孔設(shè)計、跡線寬度、鍍層和銅蝕刻，以實現(xiàn)最佳信號路徑。 任何設(shè)計清單都應(yīng)該包含連接器，而這些連接器往往被忽略。如果沒有仔細(xì)檢查，連接器可能會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的信號完整性。

 

 

正確的連接器應(yīng)該提供幾個關(guān)鍵要素：

在目標(biāo)帶寬上配接阻抗

低于目標(biāo)帶寬的插入損耗

可靠連接到PCB

可靠連接到電纜系統(tǒng)

 

為了確保連接器可以為信號提供低損耗和配接阻抗，必須查看散射或s參數(shù)。S參數(shù)詳細(xì)說明了線性電網(wǎng)的特性，并確定了帶寬和電路損耗，從而揭示了其性能潛力。S參數(shù)數(shù)據(jù)由制造商提供，作為表征其連接器的一種方式，并應(yīng)成為設(shè)計高速連接器時首先考慮的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計師還應(yīng)該在時域中轉(zhuǎn)換并觀察s參數(shù)，以及時域反射（TDR）圖，并查看內(nèi)部阻抗曲線。

 

由于連接器有很多種類（例如，端子類型、內(nèi)部信號長度、材料等），設(shè)計人員需要了解s參數(shù)文件是如何創(chuàng)建的。在盲目地將touchstone文件放入仿真并相信結(jié)果之前，詢問供應(yīng)商幾個問題是很重要的，其中包括：

1. 你想要的插針與仿真的插針配接嗎？

2. 其他插針如何端接？

3.在提供的數(shù)據(jù)中使用了什么樣的布局？

4.有沒有殘端？

5.用于表征的端子類型是什么？（例如電鍍通孔、表面安裝、壓接）

6.夾具如何嵌入或測量中包含什么？

7.這是我需要的準(zhǔn)確零件號嗎？

 

優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商為每個客戶的預(yù)期用途提供仿真和與測量相關(guān)的數(shù)據(jù)，從而為他們提供更準(zhǔn)確的連接器對設(shè)計影響的評估，并增強他們在仿真數(shù)據(jù)中的置信度。

 

選擇連接器時的另一個重要標(biāo)準(zhǔn)是PCB端接選項。連接器通常有多種端接形式，包括（但不限于）表面安裝、壓接和通孔錫膏（PIH），每種形式都有其獨特的優(yōu)缺點。壓接端子結(jié)構(gòu)非常堅固，可為PCB提供最大的保持力和連接性，但對高速應(yīng)用也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。從高密度壓合連接器發(fā)送信號可能需要高層數(shù)PCB，從而通過電鍍孔向上延伸得到最長路徑，以到達(dá)連接器。鉆孔的細(xì)長路徑和固定直徑可能會對較高頻率的信號產(chǎn)生明顯的不連續(xù)性，并可能阻礙高數(shù)據(jù)速率。

 

表面貼裝端接更適合高速設(shè)計，并連接器發(fā)射點的配接阻抗可獲得最大的靈活性。設(shè)計人員可以直接進入連接器的焊盤或使用選擇的鉆孔來提供通過PCB的路徑。此外，導(dǎo)通孔可以埋入PCB內(nèi)，或反向鉆孔以減少未使用的通孔殘端，并改善壓接端接方式的頻率響應(yīng)。這種端接方法為高頻設(shè)計提供了最大的好處，但不一定是穩(wěn)健的。表面貼裝連接器通常需要一些額外的加固件，例如安裝硬件，以確保與PCB的牢固連接。

 

PIH端接是前兩種風(fēng)格之間的混合。與壓接類似，PIH端子具有較短的非壓接插針——插入鍍通孔足跡并焊接到位。主要區(qū)別在于它的插針短得多，可以對鉆孔進行反鉆以去除信號上多余的殘端。這種高密度連接器要做入PCB仍然存在挑戰(zhàn)。選擇供應(yīng)商提供這些短至10mm的插針，可以提供改進的高頻響應(yīng)和與PCB的堅固連接。在從PCB轉(zhuǎn)換到連接器時，每種端接類型都存在一些信號阻抗不連續(xù)性，并且每種端接類型都使得設(shè)計人員能夠改變自由度以最小化不連續(xù)性對信號完整性的影響。

 

選擇用于高速設(shè)計的連接器時，考慮接觸配接連接器的方式也很重要。有幾種配接接觸的方法，每種方法都有其獨特的一系列優(yōu)點和局限，從而影響整體設(shè)計的信號完整性。邊緣安裝連接器是一種流行的配接接觸方法。這些連接器具有可沿PCB焊盤滑動的彈簧指，可以在單一點處進行電氣接觸，從而使信號的間斷性最小，但在高沖擊和振動應(yīng)用中可能有害（或需要額外的保持方法）。許多MSA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計（例如SFP、SFP +和QSFP）都使用這種類型的電氣接口。

 

壓接連接更加廣泛地用于堅固的應(yīng)用中。這個相當(dāng)基本的系統(tǒng)由一個帶插座的母頭和一個帶彈簧插針的公頭組成。這種配接類別有兩個或兩個以上的接觸點，與邊緣安裝配接系統(tǒng)提供的單點接觸相比，可以提供多種優(yōu)勢。特別為高可靠性、高速度產(chǎn)品設(shè)計，圖1所示的多個接觸點可實現(xiàn)較低的接觸電阻和信號電感，以及可靠耐用的連接，可承受極端振動。但是，插針和插座觸點可能比邊緣接觸長，如果設(shè)計不當(dāng)，可能會出現(xiàn)較大的不連續(xù)點。因此，研究制造商提供的s參數(shù)和阻抗圖是至關(guān)重要的。

 

圖1：Airborn的verSI®壓接插針和插座連接器可在極端振動的高速應(yīng)用中提供堅固可靠的低電感連接。

 

另外，在速度設(shè)計方面，重要的是要考慮相對于占地面積的吞吐量。圖2比較了兩個基本系統(tǒng)：一個采用25G /通道QSFP連接器，另一個采用10G /通道HD4連接器。由此產(chǎn)生的輸出（4320Gbps與3600Gbps）表明，通過連接器設(shè)計實現(xiàn)的卓越密度，在相同托架系統(tǒng)中，與更高速度的25G QSFP連接器相比，10G HD4連接器可以產(chǎn)生更高的數(shù)據(jù)吞吐量，從而節(jié)省組件和能源成本，并且甚至數(shù)據(jù)中心平方英尺更具潛力。

 

圖2：針對高密度設(shè)計的AirBorn 10GHD4®連接器可在同一托架系統(tǒng)內(nèi)提供比25G QSFP連接器更高的吞吐量，從而實現(xiàn)組件和能源成本節(jié)省。

 

最終，設(shè)計師需要從A點到B點獲得一個強大而不受干擾的信號，而正確的連接器是這段旅程的關(guān)鍵要素。畢竟，即使是最高速度的連接器如果經(jīng)歷間歇性打開，也是不利的。最優(yōu)質(zhì)的供應(yīng)商提供多種連接器，以提供高速和高可靠性解決方案，端到端通道解決方案，與客戶密切合作以評估他們的個別需求，并以最小的信號衰減開發(fā)最佳互連解決方案。設(shè)計師有多種連接器可供選擇，因此應(yīng)密切關(guān)注關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)并明智地選擇。

 

作者：Mill-Max Mfg公司產(chǎn)品工程經(jīng)理Stephen Capitelli