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)計最佳實踐高效地滿足這些要求,。

小型化使連接器對齊變得困難

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現(xiàn)方面為設(shè)計師帶來的壓力,，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：因為沒有公差累加，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,。

（圖片來源：Samtec Inc.）

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,。

如何解決PCB板到連接器對齊的問題

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）?？梢酝ㄟ^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)包需要隨附單獨的機(jī)械圖紙一起使用,。

（圖片來源：Samtec Inc.）

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

至此,，設(shè)計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,、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證。

定位銷不適用于多連接器應(yīng)用

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，因為它們會對整體公差累積產(chǎn)生影響,。

（圖片來源：Samtec Inc.）

但是,，對于多連接器應(yīng)用來說，我們不建議使用定位銷,，因為它們會對整體公差的累積產(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,。

用緊固螺釘來固定PCB板

一些特別堅固的應(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。

（圖片來源：Samtec Inc.）

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,。跨度的增加會在PCB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)檢測試報告中可以找到。（圖6）,。

圖6：為避免超規(guī)范加載,，設(shè)計人員應(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)檢測試報告中可以找到,。

（圖片來源：Samtec Inc.）

結(jié)論

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

另外，建議在設(shè)計過程的早期就與連接器提供商密切合作,，因為他們可以為連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)計成功。

關(guān)于作者：

Kevin Meredith在連接器行業(yè)擁有27年的設(shè)計和產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗,。Kevin目前在Samtec有限公司（Samtec Inc.）擔(dān)任產(chǎn)品工程師,，此前曾在3M和Robinson Nugent就職。他是一名機(jī)械工程師,，畢業(yè)于路易斯維爾大學(xué)J.B. Speed工程學(xué)院,。