Zastosowanie złączy międzypłytkowych o drobnym rastrze w celu optymalizacji obudowy systemu

Rozwiązania jednopłytkowe oszczędzają miejsce poprzez umieszczenie całej elektroniki systemu na jednej małej, prawdopodobnie tańszej płytce drukowanej. W przypadku komputerów z pojedynczą płytką (SBC) projektanci muszą dołożyć starań, aby zmieścić na niej jak najwięcej mocy obliczeniowej, funkcjonalności i wejść/wyjść. W rzeczywistości jednak istnieje wiele przypadków zastosowań przemysłowych, konsumenckich i medycznych, w których pojedyncza płytka nie jest najlepszym rozwiązaniem i trzeba zastosować wiele płytek drukowanych. To właśnie w tych przypadkach złącza międzypłytkowe (board-to-board, BTB) stają się naprawdę ważne.

Pomimo całego wysiłku związanego z zaprojektowaniem wielu płytek w systemie, nieuwzględnienie właściwego złącza BTB może całkowicie zniweczyć skuteczność opracowanej konstrukcji. Może się to zdarzyć już na początku z powodu problemów z kształtem lub integralnością sygnału, albo później w terenie z powodu awarii (lub nieprawidłowego użytkowania).

W tym artykule przyjrzymy się zagadnieniom projektowym, które wpływają na zapotrzebowanie na złącza BTB, oraz czynnikom, które projektanci muszą uwzględnić przy wyborze złączy BTB z szerokiej gamy dostępnych opcji. Należą do nich m.in. wydajność obwodu, wymagania produkcyjne, model użytkowania, łatwość naprawy, rodzaje sygnałów, rozmiar złącza i liczba pozycji styków, zakłócenia częstotliwości radiowej (RFI) i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). W celu pokazania, w jaki sposób można rozwiązać problemy projektantów z połączeniami pomiędzy płytami drukowanymi, zostanie przedstawione przykładowe rozwiązanie złącza BTB firmy Phoenix Contact.

Dlaczego warto korzystać ze złączy BTB?

Istnieje co najmniej dziesięć sytuacji projektowych, produkcyjnych i marketingowych, w których zastosowanie dwóch lub więcej połączonych ze sobą płytek drukowanych zamiast jednej ma sens:

1. tam, gdzie czynniki związane z kształtem ograniczają ogólny rozmiar pojedynczej, większej płytki, a układ trójwymiarowy jest potrzebny, aby wykorzystać dostępną głębokość obudowy.
2. Tam, gdzie niedopuszczalne jest umieszczanie niskopoziomowych, bardzo czułych analogowych obwodów wejścia/wyjścia lub częstotliwości radiowej (RF) w pobliżu szybkich, powodujących zakłócenia obwodów cyfrowych.
3. Tam, gdzie występują wysokie napięcia, a dobra praktyka inżynierska i normy regulacyjne nakazują rozdzielenie.
4. Tam, gdzie względy termiczne wymagają umieszczenia nagrzewających się komponentów w osobnym miejscu w celu lepszego rozpraszania i odprowadzania ciepła.
5. Tam, gdzie dana podsekcja obwodu może być wykorzystana lub ponownie wykorzystana w wielu wersjach produktu, takich jak płytka procesora rdzeniowego, która jest połączona z podstawowym wielowierszowym wyświetlaczem i przyciskami, a także z bardziej zaawansowanym graficznym ekranem dotykowym dla różnych modeli systemu alarmowego lub sensorycznego.
6. Tam, gdzie produkcja wymaga specjalnych komponentów, takich jak urządzenia zasilające i radiatory, które wymagają specjalnego procesu produkcji/montażu lub ręcznego wstawiania, podczas gdy w pozostałych przypadkach można używać automatycznego wstawiania i lutowania.
7. Tam, gdzie sprzedawca oczekuje aktualizacji jednej funkcji w systemie, takiej jak procesor i pamięć, ale chce pozostawić funkcję analogową bez zmian dla pewności technicznej i amortyzacji kosztów.
8. Tam, gdzie doświadczenie wskazuje, że jedna z części systemu, np. skierowane na zewnątrz wejścia/wyjścia, najprawdopodobniej będzie wymagała wymiany w terenie, podczas gdy funkcje rdzenia wewnętrznego, takie jak procesor i pamięć, będą miały dłuższy średni czas do awarii (MTTF).
9. Tam, gdzie niektóre komponenty wymagają grubszego materiału płytki drukowanej i grubszej powłoki miedzianej, np. dla komponentów mocy.
10. Tam, gdzie względy i obawy związane z zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) / częstotliwości radiowej (RF) uzasadniają rozdzielenie funkcji, a być może nawet ekranowanie częstotliwości radiowej (RF) części zespołu obwodów elektrycznych.

Oczywiste jest, że istnieje wiele uzasadnionych powodów związanych z projektowaniem, produkcją i wsparciem technicznym, dla których warto wybrać lub nalegać na stosowanie wielu płytek drukowanych. Wśród zastosowań, dla których ma to miejsce, znajdują się przemysłowe systemy sterowania, sterowanie silnikami, programowalne sterowniki logiczne (PLC), jednostki alarmowe i bezpieczeństwa, systemy medyczne, takie jak przenośne urządzenia rentgenowskie lub ultradźwiękowe oraz urządzenia z różnymi interfejsami człowiek-maszyna (HMI) (ilustracja 1).

Ilustracja 1: wiele produktów korzysta albo bezwzględnie wymaga jednej lub wielu płytek drukowanych, co powoduje, że złącza BTB są konieczne, ale należy je starannie dobierać. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Jak wybrać złącze BTB

Po podjęciu decyzji o zastosowaniu dwóch lub więcej połączonych płytek drukowanych projektanci muszą wybrać odpowiednie złącza BTB. Prawie we wszystkich przypadkach nie jest to jedynie kwestia znalezienia pojedynczej pary złączy o odpowiednich podstawowych specyfikacjach, które są podstawą tej decyzji. Zamiast tego warto najpierw określić grupę w pełni kompatybilnych złączy z różnymi opcjami BTB, tak aby wybór konstrukcji nie był z góry ograniczony.

Szybkie spojrzenie na różnorodność złączy oferowanych nawet przez jednego sprzedawcę może sprawić, że proces decyzyjny wyda się przytłaczający, ale naprawdę tak nie jest. Ponieważ projektanci koncentrują się na swoich priorytetach, ograniczeniach i wymaganiach, wybór konkretnych złączy, które można zastosować, zwykle staje się stosunkowo niewielki. Ponadto dostępność tak wielu stylów złączy oznacza, że projektanci mogą znaleźć parę, która optymalnie równoważy nieuniknione kompromisy techniczne przy minimalnych ograniczeniach.

Projektanci mogą korzystać z zaawansowanych narzędzi projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) w celu modelowania możliwych konfiguracji fizycznych i orientacji BTB, w tym typu antresolowego, matka-córka i płaskiego, jak również bez ograniczeń przez zastosowanie kabli taśmowych (ilustracja 2). Nie ma jednak potrzeby stosować CAD, ponieważ mniej zaawansowane techniki mogą być również bardzo skuteczne w ocenie wstępnej i były z powodzeniem stosowane, w tym przy użyciu kartonowych makiet o różnych rozmiarach i układach płytek.

Ilustracja 2: złącza międzypłytkowe mogą mieć różną orientację i układy, w tym antresole, matka-córka, płaskie i nieograniczone kable taśmowe. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Poznanie stopni swobody

Poza podstawową orientacją, dostępność tak wielu wersji złączy daje projektantom możliwość zastosowania różnych układów i rozmieszczenia. Na przykład, projektant może zdecydować się na zastosowanie dwóch mniejszych złączy BTB, z których każde ma mniejszą liczbę pozycji, zamiast jednego złącza z większą liczbą pozycji. Może to uprościć układ płytki i wyeliminować konieczność przemierzania przez niektóre sygnały całej długości płytki drukowanej.

Na przykład złącze firmy Phoenix Contact serii FINEPITCH 1.27 (raster 1,27 milimetra (mm)) dostępne jest w wersjach z 12, 16, 20, 26, 32, 40, 50, 68 i 80 pozycjami. Uwaga: 1,27mm to dokładnie 0,05 cala, lub 50 mili, jest to powszechnie stosowany raster). Należy uwzględnić dwa pionowe złącza żeńskie w szeregu: 26-stykowe 1714894, które ma szerokość 21,6mm, oraz poza tym identyczne 12-stykowe 1714891 o szerokości 12,71mm, nieco ponad połowę szerokości wersji 26-stykowej (ilustracja 3).

Zastosowanie tych dwóch mniejszych złączy w różnych miejscach płytki drukowanej wiąże się z pomijalną stratą zajmowanego miejsca, co często jest ważniejsze niż zmniejszenie miejsca potrzebnego dla ścieżek płytki drukowanej, jak również związane jest z poprawą integralności sygnału. Podobnie złącza serii FINEPITCH 0,8 (raster 0,8mm) firmy Phoenix Contact obejmują szereg z rastrem 0,8mm, zaczynając od 12-pozycyjnego gniazda złącza o długości 9,58mm 1043682, aż po 80-pozycyjne (ilustracja 4).

Ilustracja 3: najmniejsze złącze w serii FINEPITCH 1,27mm to 12-pozycyjna wersja 1714891 o szerokości 12,71mm w osi podłużnej. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Ilustracja 4: złącza firmy Phoenix Contact serii FINEPITCH 0.8 mają raster 0,8mm, przy czym najmniejszym elementem jest złącze 12-pozycyjne 1043682 o długości 9,58mm. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Innym zagadnieniem jest wysokość złącza, która pozwala projektantom zapewnić, że dwie ustawione równolegle płytki pasują do siebie i mieszczą się w obudowie, a każda z nich znajduje się w optymalnym miejscu. Płytka procesora może być przymocowana z tyłu obudowy produktu, podczas gdy druga płytka z wyświetlaczem dla użytkownika i przyciskami może przylegać do przedniego panelu.

Dlatego też złącza dostępne są z identyczną liczbą pozycji, długością i szerokością, ale z jedną kluczową różnicą: wysokością. Stosując różne wysokości, można uzyskiwać szeroką gamę rozstawów międzypłytkowych zwanych wysokością stosu. Na przykład pionowe złącza żeńskie z grupy Phoenix Contact FINEPITCH 1.27 dostępne są w dwóch wysokościach 6,25 i 9,05mm, natomiast pasujące do nich pionowe złącza męskie dostępne są w wysokościach 1,75 i 3,25mm.

Ponadto - co jest niezwykle istotne - pasująca do siebie para złączy ma „długość styku” 1,5mm przy zachowaniu niezawodnej długości styku powierzchni kontaktowej 0,9mm. W rezultacie istnieje ciągły, bezstopniowy zakres dostępnych odległości między płytkami od 8,0 do 13,8mm (ilustracja 5). Korzystając z podobnego schematu, rodzina złączy Phoenix Contact FINEPITCH 0.8, o innych wysokościach i długościach styku niż rodzina FINEPITCH 1.27, zapewnia ciągły zakres od 6 do 12mm. Właściwa dla odległości łączeń BTB elastyczność stanowi dodatkową korzyść, ponieważ zwiększa tolerancje montażowe podczas produkcji.

Ilustracja 5: ze względu na dostępne dyskretne wysokości złączy męskich i żeńskich serii FINEPITCH 1.27 oraz ich długość styku, rzeczywista wysokość stosu BTB może wynosić od 8,0 do 13,8mm. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Zaspokojenie potrzeb w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) i częstotliwości radiowej (RF)

Oczekuje się, że złącza BTB o dużej gęstości i wielu stykach zapewnią przepustowości znacznie przekraczające sygnały mocy i sygnały o niższej częstotliwości, minimalizując tym samym potrzebę stosowania wielu dyskretnych zespołów kablowych, w których każdy kabel obsługuje jeden sygnał. Parametrami kluczowymi są parametry złącza w zakresie gigahercowym, wraz ze zdolnością do utrzymania integralności sygnału na tych częstotliwościach. Jednocześnie brane są pod uwagę względy związane z kompatybilnością elektromagnetyczną (EMC), aby zapewnić, że szybkie sygnały w złączu nie są zakłócane, ani nie są zakłócane przez sygnały znajdujące się w pobliżu.

Niektóre grupy złączy są specjalnie zaprojektowane, aby spełnić wymagania dotyczące przepustowości i kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Na przykład złącze firmy Phoenix Contact serii FINEPITCH 0.8 obsługuje szybkość transmisji danych do 16 gigabitów na sekundę (Gbit/s) i zawiera wiele ścieżek ekranowania między złączami, gdy są one ze sobą połączone (ilustracja 6), co zapewnia doskonałe właściwości kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) (ilustracja 7).

Ilustracja 6: złącze serii FINEPITCH 0.8 zawiera wiele ścieżek ekranujących między złączami, gdy są one ze sobą połączone w celu lepszego ekranowania. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Ilustracja 7: wygląd pola elektrycznego wokół złącza serii FINEPITCH 0.8 pokazuje skuteczność jego ekranowania; kolor ciemnoniebieski oznacza natężenie pola elektrycznego od 0 do 0,1V/m, a ciemnoczerwony 1,0V/m. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Dla tych złączy dostępne są parametry S do wspomagania modelowania toru sygnału radiowego o wysokiej dokładności, wraz z danymi dotyczącymi tłumienności, przesłuchu zdalnego (FEXT) mierzonego po stronie odbiornika oraz przesłuchu zbliżnego (NEXT) mierzonego po stronie nadajnika (ilustracja 8).

Ilustracja 8: złącza dla dużych prędkości transmisji danych, takie jak złącze serii FINEPITCH 0.8, zawierają wykresy tłumienności (po lewej stronie) i przesłuchu zbliżnego do 10GHz (po prawej stronie). (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Wychodząc poza to, co oczywiste

Pomimo pozornej prostoty funkcji złącza, wybór odpowiedniej grupy złączy wymaga również innych rozważań. Rozważania te obejmują między innymi takie zagadnienia, jak:

• kompatybilność ze standardowymi, wielkoseryjnymi procesami produkcyjnymi (załadunek i lutowanie), które również wymagają wysokiego stopnia koplanarności złączy na całym korpusie, zwykle większego niż 0,1mm.
• Liczba cykli wkładania, dla których gwarantowana jest wydajność, nawet gdy pokrycie powierzchni styku zużywa się w wyniku powtarzających się cykli wkładania; 500 cykli uważane jest za najwyższy poziom skuteczności. Grupa złączy Phoenix Contact FINEPITCH 0.8 zapewnia rezystancję zestyku poniżej 20 miliomów (mΩ), podczas gdy grupa złączy FINEPITCH 1.27 zapewnia poniżej 25 mΩ nawet po 500 cyklach (zgodnie z IEC 60512-2-1:2002-02).
• Występuje również zjawisko niedopasowania promieniowego i kątowego, gdy dwie płytki i ich złącza są ze sobą łączone.

Ten ostatni punkt, niedopasowanie, jest po prostu rzeczywistością, którą projektanci muszą wziąć pod uwagę. W idealnym świecie, linie środkowe męskich i żeńskich złączy byłyby idealnie wyśrodkowane i nie byłyby nachylone względem siebie. Biorąc pod uwagę bardzo małe wymiary tych złączy o drobnym rastrze, może się wydawać, że takie niedopasowania są niedopuszczalne, ale dobra konstrukcja złącza pozwala na pewne niedopasowanie obu parametrów.

Technologia ScaleX złączy serii FINEPITCH 0.8 i FINEPITCH 1.27 dobrze sprawdza się w tej rzeczywistości, zapewniając geometrię obudowy, która przyczynia się nie tylko do ochrony styków przed uszkodzeniem w przypadku niedopasowania. Zapewnia ona również odpowiednią kompensację tolerancji z przesunięciem środka wynoszącym ±0,7mm oraz tolerancję nachylenia wynoszącą ±2°/±4° odpowiednio wzdłuż osi skośnej i wzdłużnej (ilustracja 9).

Ilustracja 9: dopasowania w świecie rzeczywistym nigdy nie są idealne, a zatem złącza FINEPITCH 0,8mm i FINEPITCH 1.27 tolerują ukośne i wzdłużne niedopasowanie kątowe odpowiednio do ±2°/±4° oraz nieosiowe niedopasowanie promieniowe do 0,7mm. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

To, czego nie widać, jest również ważne

Chociaż złącza nie mają wyrażanych w nanometrach wymiarów procesowych układów scalonych, ich styki są konstrukcjami mechanicznymi z małymi elementami, o wąskich tolerancjach, powleczonymi ultracienkimi warstwami metali szlachetnych i nieszlachetnych, a ich korpusy są również precyzyjnymi elementami odlewanymi. Biorąc pod uwagę wielkość metalowej powierzchni styku i sposób, w jaki styki te są zagłębione w obudowie, nie jest możliwe zobaczenie, co jest potrzebne do wytworzenia wysoce niezawodnej strefy styku.

Przy tych wymiarach wymaga to wyrafinowanego projektu w połączeniu z możliwością wdrożenia go do produkcji wielkoseryjnej w skali mikroelementów. Właśnie dlatego złącza serii FINEPITCH 0.8 z technologią ScaleX mają unikalny podwójny styk. Po połączeniu, styki tego złącza - element męski i element żeński - umożliwiają połączenie odporne na wibracje na bardzo ograniczonej przestrzeni. Styki mają również końcówki lutownicze w kształcie skrzydełek, które są optymalne dla automatycznych procesów lutowania.

Gdy płytek nie można połączyć bezpośrednio

Chociaż bezpośrednie umieszczenie i połączenie BTB jest atrakcyjną opcją, to istnieją sytuacje, w których nie jest możliwe bezpośrednie dopasowanie i połączenie dwóch lub więcej płytek drukowanych poprzez złącza BTB. Może to być spowodowane kształtem całej obudowy produktu, kształtem płytek, względami elektrycznymi i elektronicznymi podczas montażu płytki lub problemami termicznymi.

Aby sprostać tym sytuacjom, seria FINEPITCH 1.27 firmy Phoenix Contact oferuje również żeńskie złącza z połączeniami wykonywanymi przez przerwanie izolacji (IDC), które mogą być używane z kablami płaskimi. Zastosowanie tych elastycznych kabli taśmowych do połączenia dwóch płytek drukowanych pozwala na ich fizyczne, ale nie elektryczne odseparowanie i płytki nie muszą być równoległe ani pod kątem prostym względem siebie. Podobnie jak w przypadku złączy BTB, są one oferowane w pełnym zakresie od 12 do 80 pozycji; Phoenix Contact 1714902 jest swobodnie wiszącą wersją 12-pozycyjną (ilustracja 10). Dostępna jest również wersja do montażu tablicowego.

Ilustracja 10: złącza IDC, takie jak 12-pozycyjne złącze swobodnie wiszące 1714902 serii FINEPITCH 1.27, pozwalają na zastosowanie elastycznego kabla w konfiguracjach, w których zastosowanie bezpośredniego złącza BTB nie jest możliwe lub pożądane. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Płaski kabel dla układu IDC BTB to również wysoce zaawansowany produkt z przewodami AWG 30 (0,06mm²) i możliwością wybrania jednego z trzech rodzajów izolacji: podstawowa PCV (od -10°C do +105°C), do wysokiej temperatury (od -40°C do +125°C) oraz wersja bezhalogenowa. Ta ostatnia izolacja wymagana jest w normach dla niektórych instalacji w celu tłumienia pożaru, a także wytworzenia powłoki „char”, która zmniejsza emisję trujących gazów węglowych oraz zmniejszającego widoczność dymu i cząstek węgla.

Ponieważ istnieje pięć różnych orientacji kabli i układów złączy (ilustracja 11), dziewięć rozmiarów złączy zapewniających od 12 do 80 pozycji, elastyczne długości kabli od dość krótkich 5cm (~2 cale) do znacznie dłuższych 95cm (~37,5 cala) oraz trzy dostępne typy izolacji, istnieje ponad 10000 możliwych permutacji obejmujących te opcje. Z uwagi na to, że przechowywanie ich wszystkich jest niepraktyczne, te zestawy kabli IDC wytwarzane są w razie potrzeby przy użyciu żądanego parowania i konfiguracji złącza/kabla.

Ilustracja 11: pokazano trzy z pięciu dostępnych układów i orientacji złączy kabla IDC, oferujące projektantom maksymalną elastyczność w układaniu kabli i minimalne ograniczenia poprzez uproszczenie przebiegu i rozmieszczenia kabli. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Podsumowanie

Złącza i połączenia są kluczowymi elementami kompletnego projektu, które od początku wymagają należytej uwagi. W przypadku stosowania wielu płytek drukowanych, złącza BTB zapewniają wygodną, niezawodną i bardzo skuteczną technikę łączenia dwóch lub więcej płytek w różnych układach.

Niuanse i złożoność tych złączy są często niedoceniane, ale jak pokazano, precyzyjnie zaprojektowane złącza BTB, takie jak seria FINEPITCH 0.8 i FINEPITCH 1.27 firmy Phoenix Contact, zapewniają wysoką gęstość połączeń, doskonałe parametry mechaniczne, kompatybilność z procesami produkcyjnymi i przepływem oraz parametry elektryczne, które spełniają wymagania w zakresie szybkości transmisji danych i kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) stawiane w przypadku dzisiejszych zaawansowanych konstrukcji produktów.