Brug board-to-board-stik med tætsiddende ben til at optimere systempakninger

Enkeltkortløsninger sparer plads ved at samle al elektronik i et system på ét lille PCB, der formentlig koster mindre. Med hensyn til Single Board Computers (SBC'er) skal designere arbejde hårdt for at presse så meget processorkraft, funktionalitet og I/O som muligt ned på den ene printplade. Men virkeligheden er, at der er mange situationer i industrielle, forbruger- og medicinske anvendelser, hvor et enkelt kort ikke er den bedste løsning, og derfor er der brug for flere PCB'er. Det er her, at board-to-board (BTB)-stik bliver meget vigtige.

På trods af alt det designarbejde, der kan blive lagt i at designe de mange kort i et system, kan det komplet underminere designet, hvis der ikke tages højde for det rette BTB-stik. Dette kan ske enten med det samme i form af formfaktorproblemer eller problemer med signalintegriteten – eller senere, i form af fejl under brug (eller misbrug).

Denne artikel ser på de designproblemer, der driver behovet for BTB-stik, og de faktorer, som designerne skal overveje, når de vælger mellem de mange forskellige BTB-stik. Det omfatter kredsløbsydelse, produktionskrav, brugsmodel, nem reparation, typer af signaler, stikstørrelse og antal kontaktpositioner, radiofrekvensinterferens (RFI) og elektromagnetisk interferens (EMI) for blot at nævne nogle få. Artiklen vil introducere eksempler på BTB-stikløsninger fra Phoenix Contact for at vise, hvordan de kan løse designeres kortforbindelsesproblemer.

Hvorfor bruge BTB-stik?

Der er mindst ti design-, produktions- og markedsføringssituationer, hvor det giver mening at bruge to eller flere indbyrdes sammenkoblede PCB'er i stedet for et enkelt kort:

1. Hvis formfaktorbegrænsningerne bliver en stopklods for den samlede størrelse på et enkelt, større kort, og der er behov for en tredimensionel opstilling for at udnytte den fulde pakkedybde.
2. Hvor det er uacceptabelt at placere meget følsomme analoge I/O- eller RF-kredsløb på lavt niveau i nærheden af højhastigheds, støjende digitale kredsløb.
3. Hvor der er høje spændinger til stede, og god teknisk praksis samt lovgivningsmæssige standarder fordrer adskillelse.
4. Hvor termiske hensyn fordrer, at varmere komponenter anbringes et separat sted for at forbedre afledningen af varme og termisk styring.
5. Hvor en given undersektion af et kredsløb kan bruges eller genbruges på tværs af flere versioner af et produkt, som f.eks. et kernebehandlingskort, der er parret med almindelige flerlinjers brugerdisplay og trykknapper samt med en mere sofistikeret grafisk touchskærm til forskellige modeller af et alarm- eller sensorsystem.
6. Hvor produktionen fordrer særlige komponenter, som f.eks. effektenheder og køleprofiler, der stiller krav om en særlig produktions-/samlingsproces eller manuel isætning, mens resten kan bruge automatiseret isætning og lodning.
7. Hvor sælgeren forventer at opgradere én funktion i et system, som f.eks. processoren og hukommelsen, men ønsker at bibeholde den analoge funktionalitet uændret af hensyn til teknisk fortrolighed og beskyttelse af investering.
8. Hvor erfaringen fortæller, at én del af systemet, som f.eks. udadvendt I/O, er mere tilbøjelig til at behøve udskiftning i marken, mens interne kernefunktioner som processor og hukommelse vil have en længere middeltid til fejl (MTTF – mean time to failure).
9. Hvor nogle komponenter har brug for tykkere PCB-materiale og tungere kobberbeklædning, som f.eks. effektkomponenter.
10. Når EMI/RFI-overvejelser og hensyn fordrer adskillelsen mellem funktioner og måske endda RF-afskærmning af en del af kredsløbet.

Det er klart, at der er mange reelle design-, produktions- og supportmæssige årsager til at vælge eller insistere på at bruge flere PCB'er. Anvendelserne, hvor dette forekommer, tæller bl.a. industrielle kontrolsystemer, motorstyringer, programmerbare logiske controllere (PLC), alarm- og sikkerhedsenheder, medicinske systemer som f.eks. bærbare røntgen- eller ultralydsmaskiner samt enheder med forskellige menneske-maskine-grænseflader (HMI – human-machine-interface) (figur 1).

Figur 1: Mange produkter kan enten drage fordel af eller har absolut behov for et eller flere PCB'er, hvilket gør BTB-stik nødvendige, men de skal vælges omhyggeligt. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Sådan vælger du et BTB-stik

Når beslutningen om at bruge to eller flere forbundne PCB'er er taget, skal designere vælge egnede BTB-stik. I næsten alle tilfælde er det ikke kun et spørgsmål om at finde et enkelt stikpar med de rigtige grundlæggende specifikationer. I stedet er det klogt først at identificere en familie af fuldt kompatible stik med forskellige BTB-valgmuligheder, så designvalget ikke er begrænset på forhånd.

Et hurtigt blik på de mange stik, der tilbydes af blot en enkelt hovedlinje-leverandør, kan få beslutningsprocessen til at virke overvældende, men det er virkelig ikke tilfældet. Når designere fokuserer på deres prioriteter, begrænsninger og "must haves", bliver udvalget af specifikke stik, der kan bruges, normalt forholdsvis lille. Desuden betyder det store udbud af stiktyper, at designere kan finde et par, der giver den optimale balance med minimalt behov for kompromis.

Designere kan anvende sofistikerede CAD-værktøjer (Computer Aided Design) til at udforme de mulige fysiske konfigurationer og mulige BTB-placeringer, herunder mezzanin, mor-datter og coplanar, samt uhindret via båndkabler (figur 2). Men der er ikke behov for at "springe til CAD", da mindre sofistikerede teknikker også kan være meget effektive til de første evalueringer og er blevet anvendt med succes, herunder brugen af pap-prototyper af forskellige kortstørrelser og arrangementer.

Figur 2: Board-to-board-forbindelser kan være vendt og arrangeret på forskellig vis, herunder mezzanin, mor-datter, coplanar og uhindrede båndkabler. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Udforsk graderne af frihed

Ud over den grundlæggende retning giver det store udvalg af stikversioner designere mange muligheder mht. layout og placering. F.eks. kan designeren vælge at bruge to mindre BTB-stik, der hver især har færre positioner, i stedet for ét stik med flere positioner. Dette kan forenkle kortlayoutet og eliminere behovet for, at nogle signaler krydser hele PCB'ets længde.

F.eks. kan Phoenix Contact FINEPITCH 1,27-serien (1,27 mm benafstand) fås i udgaver med 12, 16, 20, 26, 32, 40, 50, 68 og 80 positioner. Bemærk: 1,27 mm er præcis 0,05 tommer, eller 50 tusindedel tomme, en almindelig benafstand). Tag f.eks. to lodrette hunstik i serien: 1714894 med 26 kontakter og en bredde på 21,6 mm, og den ellers identiske version med 12 kontakter, 1714891, som har en bredde på 12,71 mm, lidt over halvdelen af versionen med 26 kontakter (figur 3).

Når disse to mindre stik bruges på forskellige steder på PCB'et, koster det et ubetydeligt areal – og pladsforbruget opvejes ofte af reduktionen i den plads, der behøves til PCB-baner, samt forbedret signalintegritet. På samme måde består Phoenix Contact FINEPITCH 0,8-serien (0,8 mm benafstand) af en række stik med 0,8 mm benafstand – fra stikhuset 1043682 med 12 positioner og 9,58 mm længde til udgaven med 80 positioner (figur 4).

Figur 3: Det mindste stik i FINEPITCH 1,27 mm-serien er denne 12-positioners 1714891-version med en bredde på den lange akse på 12,71 mm. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Figur 4: Phoenix Contact FINEPITCH 0,8-serien af stik har en benafstand på 0,8 mm, og det mindste medlem er 1043682 med 12-positioner og en længde på 9,58 mm. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Et andet problem er at finde en stikhøjde, der gør det muligt for designere at sikre, at to afstemte, parallelle kort kan parres og passe ind i kabinettet på en sådan måde, at hvert kort er på et optimalt sted. Der kan monteres et processorkort på bagsiden af produkthuset, mens et andet kort med brugerdisplayet og knapperne kan sidde på niveau med frontpanelet.

Derfor findes der stik med identisk antal positioner, længde og bredde, men med én vigtig forskel: deres højder. Ved at blande forskellige højder er det muligt at understøtte mange forskellige afstande mellem kort, også kaldet stablehøjde. F.eks. fås vertikale hunstik i Phoenix Contact FINEPITCH 1,27-familien med to højder på 6,25 og 9,05 mm, mens de tilsvarende lodrette hanstik fås med højder på 1,75 og 3,25 mm.

Desuden – og dette er vigtigt – har parret en "berøringslængde" på 1,5 mm, mens den pålidelige overfladekontaktlængde er 0,9 mm. Som følge heraf er der et kontinuerligt, trinløst udvalg af board-to-board-afstande fra 8,0 til 13,8 mm (figur 5). Med en tilsvarende ordning understøtter Phoenix Contact FINEPITCH 0,8-familien, der har andre højder og berøringslængder end FINEPITCH 1,27-familien, et kontinuerligt afstandsinterval på 6 til 12 mm. Som en yderligere fordel giver den iboende fleksibilitet i BTB-parringsafstanden også større samlingstolerancer under produktionen.

Figur 5: På grund af de forskellige diskrete højder af han- og hunstik i FINEPITCH 1,27-serien og deres lange berøringslængde kan den faktiske BTB-stablehøjde være alt lige fra 8,0 til 13,8 mm. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Opfylder EMC- og RF-behov

BTB-stik med høj densitet og flere kontakter forventes at understøtte båndbredder, der ligger langt ud over behovet for strøm og lavere frekvenssignaler, hvilket minimerer behovet for flere diskrete kabelsamlinger, hvor hvert kabel understøtter et enkelt signal. Stik, der fungerer i gigahertz-området samt evnen til at bevare signalintegriteten ved disse frekvenser er kritiske parametre. Samtidig må der tages hensyn til elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) for at sikre, at højhastighedssignalerne i stikket ikke påvirkes, og at de ikke påvirkes af signaler i nærheden.

Nogle stikfamilier er unikt designede til at leve op til strenge båndbredde og EMC-krav. For eksempel understøtter Phoenix Contact FINEPITCH 0,8-serien datahastigheder op til 16 Gbit/sek. og omfatter flere stik-til-stik-afskærmningsveje, når de er parrede (figur 6), hvilket giver fremragende EMC-egenskaber (figur 7).

Figur 6: FINEPITCH 0,8-serien indeholder flere stik-til-stik-afskærmningsveje, når de er parret, hvilket giver forbedret afskærmning. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Figur 7: Dette billede af det elektriske felt omkring et stik i FINEPITCH 0,8-serien viser effektiviteten af dets afskærmning. Mørkeblå angiver en elektrisk feltstyrke på 0 til 0,1 volt/meter (V/m), mens mørkerød er 1,0 V/m. (Billedkilde: Phoenix Contact)

S-parametrene er tilgængelige for disse stik for at understøtte hi-fi RF-signalvejsmodellering samt data om indskudsdæmpning, og FEXT (far-end crosstalk) målt på modtagersiden, og NEXT (near-end crosstalk) målt på sendersiden (figur 8).

Figur 8: Stik til høje datahastigheder som f.eks. FINEPITCH 0,8-serien fås med grafer over indskudsdæmpning (til venstre) og near-end crosstalk op til 10 GHz (til højre). (Billedkilde: Phoenix Contact)

Hinsides det indlysende

På trods af stikfunktionens tilsyneladende enkelhed er valget af en egnet stikfamilie også betinget af andre overvejelser. Blandt disse er:

• Kompatibilitet med standard produktionsprocesser med høj volumen (påfyldning og lodning) som også fordrer, at stikkenes planer er rettet nøje ind med hinanden på tværs af hele kroppen – typisk kræves en afvigelse under 0,1 mm.
• Antal indsætningscyklusser, for hvilke ydelsen er garanteret, selv når kontaktoverfladebelægningen slides ned efter gentagne cyklusser. 500 cyklusser anses for at være det højeste holdbarhedsniveau. Phoenix Contact FINEPITCH 0,8-familien opretholder en kontaktmodstand på mindre end 20 milliohm (mΩ), mens FINEPITCH 1,27-familien stadig er under 25 mΩ efter 500 cyklusser (iht. IEC 60512-2-1:2002-02).
• Der er også den reelle udfordring med radial og vinkelforskydning, når to kort og deres stik er parret.

Sidstnævnte punkt, forskydningen, er ganske enkelt en realitet, som designerne må tage højde for. I en perfekt verden vil midterlinjerne i han- og hunstikkene være perfekt centrerede uden hældning i forhold til hinanden. Tænker man på den lille størrelse af disse stik med tætsiddende ben, kan det virke som om, der ikke er plads til sådanne forskydninger, men et godt stikdesign giver plads til en smule forskydninger for begge parametre.

ScaleX-teknologien i FINEPITCH 0,8 og FINEPITCH 1,27-serien tager fint højde for dette ved at levere en husgeometri, der gør mere end blot at beskytte kontakterne mod skader i tilfælde af forskydninger. Den giver også en tilsvarende tolerancekompensation med en centerforskydning på ±0,7 mm og en hældningstolerance på ±2 °/±4 ° langs den tvær- og langsgående akse hhv. (figur 9).

Figur 9: Justeringerne i den virkelige verden er aldrig perfekte, så FINEPITCH 0,8- og FINEPITCH 1,27-stik tåler tværs- og langsgående vinkelforskydninger op til ±2 °/±4 ° henholdsvis og radial midterforskydning op til 0,7 mm. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Det, du ikke kan se, er også vigtigt

Mens stik ikke har de samme nanometerprocesdimensioner som integrerede kredsløb, er deres kontakter mekaniske strukturer med bittesmå elementer, stramme tolerancer og ultratynde belægninger af ædle og ikke-ædle metaller, mens deres "kroppe" også er præcist udformede. I betragtning af størrelsen på metalkontaktområdet og den måde, hvorpå disse kontakter er "begravet" i husene, er det ikke muligt at se, hvad der skal til for at skabe en meget pålidelig kontaktzone.

I denne størrelsesorden kræver det sofistikeret design kombineret med muligheden for at implementere løsningen i volumenproduktion på mikroelementskala. Derfor er FINEPITCH 0,8-serien med ScaleX-teknologi udstyret med en unik dobbelt kontakt. Når stikket er parret, muliggør dets kontakter – et hanelement og et hunelement – en vibrationssikret forbindelse på meget begrænset plads. Kontakterne har også mågevingeformede loddestifter, der er optimale til automatiske loddeprocesser.

Når kort ikke kan forbindes direkte

Selvom direkte BTB-placering og tilslutning er en attraktiv løsning, er der situationer, hvor det ikke er muligt at rette to eller flere PCB'er ind med hinanden og tilslutte dem direkte via BTB-stik. Dette kan skyldes formfaktoren for den overordnede produktpakke, kortenes form, elektriske og elektroniske hensyn i forbindelse med placering af et kort eller termiske problemer.

For at tackle disse situationer tilbyder Phoenix Contact FINEPITCH 1,27-serien også hun-IDC'er (isolation displacement connector), der kan bruges sammen med fladkabler. Ved hjælp af disse fleksible fladkabelforbindelser mellem to PCB'er kan de adskilles fysisk uden at være elektrisk adskilte, og kortene behøver end ikke at være parallelle eller vinkelrette med hinanden. Som med BTB-stikkene fås de med alt fra 12 til 80 positioner. Phoenix Contact 1714902 er den fritstående version med 12 positioner (figur 10). Der findes også en version til panelmontering.

Figur 10: IDC'er såsom det fritstående 1714902-stik med 12 positioner fra FINEPITCH 1,27-serien giver mulighed for at bruge fleksible kabler i konfigurationer, hvor direkte BTB-kontakt ikke er mulig – eller ønskværdig. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Fladkablet til IDC BTB-konfigurationen er også et nøje udviklet produkt med AWG 30 (0,06 mm²) Litz-ledere og mulighed for at vælge mellem tre isoleringstyper: grundlæggende PVC (-10 °C til +105 °C), høj temperatur (-40 °C til +125 °C) og en halogenfri version. Sidstnævnte er påkrævet ved lov for nogle installationer for at virke brandhæmmende, og de danner også en "forkullet" belægning, der reducerer emissionen af giftige kulstofgasser og synlighedshæmmende røg- og kulstofpartikler.

Da der er fem forskellige kabelretninger og stikkonfigurationer (figur 11), ni stikstørrelser der understøtter mellem 12 og 80 positioner, fleksible kabellængder fra forholdsvis kort på 5 cm (~ 2 tommer) til meget længere på 95 cm (~ 37,5 tommer) og tre isolationstyper, er der i alt over 10.000 mulige kombinationsmuligheder. Det er upraktisk at have alle disse på lager, så disse IDC-kabelenheder fremstilles på anmodning med den ønskede kombination af stik- og kabelparring og konfiguration.

Figur 11: Her er vist tre af de fem mulige konfigurationer og retninger for stikkene på et IDC-kabel. Valgmulighederne giver designere maksimal kabelplaceringsfleksibilitet og minimale begrænsninger, da kabelføringerne og -placeringerne forenkles. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Konklusion

Stik og stikforbindelser er vigtige elementer i et komplet design, og de kræver nøje overvejelse på forhånd. Når der bruges flere PCB'er, giver BTB-stik en praktisk, pålidelig og højtydende metode til at etablere forbindelse mellem to eller flere kort i en række forskellige konfigurationer.

Disse stiks nuancer og kompleksitet undervurderes ofte, men som vist giver præcisionskonstruerede BTB-stik, som f.eks. FINEPITCH 0,8 og FINEPITCH 1,27-serien fra Phoenix Contact, en høj forbindelsestæthed, overlegen mekanisk effektivitet og holdbarhed, fremragende kompatibilitet med produktionsprocesser og flow samt en elektrisk ydeevne, der opfylder kravene til datahastighed og EMC i nutidens sofistikerede produktdesign.