深度剖析為什么要使用BTB連接器？

　　單板解決方案通過(guò)將系統(tǒng)的所有電子器件放在一塊成本較低的小印刷電路板上來(lái)節(jié)省空間。對(duì)于單板計(jì)算機(jī) （SBC） 來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)人員必須努力在這一塊電路板上配置盡可能多的處理能力、功能和 I/O。但現(xiàn)實(shí)情況是，在工業(yè)、消費(fèi)和醫(yī)療應(yīng)用中，很多時(shí)候單板并不是最佳解決方案，因此需要多塊印刷電路板。在這種情況下，板對(duì)板 （BTB） 連接器就變得非常重要。

　　即使將所有設(shè)計(jì)精力放在為系統(tǒng)設(shè)計(jì)多塊電路板上，但若未能選擇到合適的 BTB 連接器，則可能會(huì)完全破壞設(shè)計(jì)。這樣可能會(huì)造成前期出現(xiàn)外形尺寸或信號(hào)完整性問(wèn)題，或者可能之后在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)使用（或?yàn)E用）故障。

　　本文將探討推動(dòng) BTB 連接器需求的設(shè)計(jì)問(wèn)題，以及設(shè)計(jì)人員從眾多可用選擇中挑選 BTB 連接器時(shí)必須考慮的因素。這些因素包括電路性能、生產(chǎn)要求、使用模型、維修簡(jiǎn)便性、信號(hào)類(lèi)型、連接器尺寸和觸頭位置數(shù)、射頻干擾 （RFI） 和電磁干擾 （EMI） 等。文中將以 Phoenix Contact 的 BTB 連接器解決方案為例，說(shuō)明它們?nèi)绾谓鉀Q設(shè)計(jì)人員的電路板連接問(wèn)題。

　　為什么要使用 BTB 連接器？

　　從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售角度來(lái)看，目前至少有十種情況是使用兩塊或多塊塊互連印刷電路板比使用單塊板更為合理：

　　外形尺寸約束使得使用單塊較大電路板方式的整體尺寸受限，則需要采用立體布局以利用可用的封裝深度。

　　無(wú)法將低電平、高靈敏度模擬 I/O 或射頻電路放置在高速、嘈雜的數(shù)字電路附近。

　　存在高電壓，而工程慣例以及法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求采取強(qiáng)制隔離措施。

　　散熱考量要求將較熱的元器件放在單獨(dú)的位置，以改善散熱和熱管理。

　　多個(gè)產(chǎn)品版本可能要使用或重復(fù)使用某個(gè)既定電路分段，例如核心處理板可與基本多行用戶顯示屏和按鈕配對(duì)，也可與用于不同型號(hào)警報(bào)或傳感器系統(tǒng)的更復(fù)雜圖形觸摸屏配對(duì)。

　　生產(chǎn)需要使用特殊元器件，例如要求特殊制造/組裝工藝或手動(dòng)插入的電源裝置和散熱器，而其余元器件可使用自動(dòng)插入和焊接。

　　供應(yīng)商希望在系統(tǒng)中升級(jí)一項(xiàng)功能（例如處理器和內(nèi)存），但希望保持模擬功能不變，以提高技術(shù)信心并攤銷(xiāo)成本。

　　現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的某個(gè)零部件（例如朝向外部的 I/O）更可能需要現(xiàn)場(chǎng)更換，而內(nèi)部核心功能（例如處理器和內(nèi)存）將會(huì)有更長(zhǎng)的平均無(wú)故障時(shí)間 （MTTF）。

　　某些元器件需要較厚的印刷電路板材料和更厚重的銅覆層，例如用于電源器件。

　　需要考慮和關(guān)注 EMI/RFI，功能之間必須進(jìn)行隔離，甚至可能對(duì)部分電路進(jìn)行射頻屏蔽。

　　顯然，選擇或堅(jiān)持使用多塊印刷電路板有很多合理的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和支持理由。許多應(yīng)用都存在這種情況，包括工業(yè)控制系統(tǒng)、電機(jī)控制、可編程邏輯控制器 （PLC）、報(bào)警和安防裝置、醫(yī)療系統(tǒng)（如便攜式 X 光機(jī)或超聲儀器），以及具有不同人機(jī)界面 （HMI） 的設(shè)備

　　如何選擇 BTB 連接器

　　一旦決定使用兩塊或多塊連接的印刷電路板，設(shè)計(jì)人員就必須選擇合適的 BTB 連接器。在幾乎所有情況下，這不只是一個(gè)尋找一個(gè)符合基本規(guī)格要求的連接器對(duì)的問(wèn)題，而且是要先找到一系列具有不同 BTB 選項(xiàng)的全兼容連接器，這樣設(shè)計(jì)選擇就不會(huì)事先被限制，這才是明智之舉。

　　連接器產(chǎn)品種類(lèi)多樣，即便是一家供應(yīng)商提供的連接器一眼望去都可能會(huì)讓人難以決定，但其實(shí)不然。當(dāng)設(shè)計(jì)人員專(zhuān)注于他們的優(yōu)先事項(xiàng)、約束條件和必備條件時(shí)，可選用的特定連接器范圍通常會(huì)變得相當(dāng)小。此外，如此多的連接器樣式選擇，意味著設(shè)計(jì)人員可以找到一種最佳搭配，以最小的妥協(xié)來(lái)平衡不可避免的技術(shù)取舍。

　　設(shè)計(jì)人員可以使用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) （CAD） 工具，來(lái)對(duì)可能的物理配置和可能的 BTB 方位進(jìn)行建模，其中包括夾層、子母卡和共面，以及無(wú)約束過(guò)孔帶狀電纜（圖 2）。但也不必“直接跳到 CAD”，因?yàn)檩^為簡(jiǎn)單的技術(shù)也能非常有效地進(jìn)行初始評(píng)估，并且已成功采用，包括使用紙板模型評(píng)估各種板尺寸和排列方式。

圖 2：板對(duì)板連接可以有各種方位和排列方式，包括夾層、子母卡、共面和無(wú)約束帶狀電纜。（圖片來(lái)源：Phoenix Contact）

　　探索自由度

　　除了基本方位外，如此多的連接器版本還為設(shè)計(jì)人員提供了布局和放置選擇。例如，設(shè)計(jì)人員可以選擇使用兩個(gè)較小的 BTB 連接器，每個(gè)連接器具有較少的針位，而不是使用一個(gè)具有較多針位的連接器。這樣做可以簡(jiǎn)化電路板的布局，并避免一些信號(hào)需要跨越整個(gè)印刷電路板長(zhǎng)度。

　　例如，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 1.27 系列（1.27 毫米 （mm） 間距）可提供 12、16、20、26、32、40、50、68、80 針位版本。注：1.27 mm 正好是 0.05 英寸，即 50 密耳，這是一種常用間距?？紤]該系列中的兩款垂直母頭連接器：一個(gè)寬度為 21.6 mm 的 26 觸點(diǎn) 1714894，一個(gè)其他規(guī)格相同但寬度為 12.71 mm 的 12 觸點(diǎn) 1714891，該寬度稍微超過(guò) 26 觸點(diǎn)款的一半寬度（圖 3）。

　　在印刷電路板的不同位置使用兩個(gè)較小的連接器，所帶來(lái)的板空間損失微不足道，而印刷電路板所需走線空間的減少以及信號(hào)完整性的改善，往往會(huì)抵消這些損失。同樣，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列（0.8 mm 間距）包括一系列間距為 0.8 mm 的連接器，范圍從 12 針位 9.58 mm 長(zhǎng) 1043682 連接器插座一直擴(kuò)展至 80 針位版本（圖 4）。

　　另一個(gè)問(wèn)題是連接器的高度，讓設(shè)計(jì)人員能夠確保兩塊排列整齊的平行電路板在機(jī)殼內(nèi)互相配接，并使每塊板都處于最佳位置。處理器板可以裝到產(chǎn)品外殼的背部，而帶有用戶顯示屏和按鈕的第二塊板可以與前面板齊平放置。

　　因此，連接器具有相同的針位數(shù)、長(zhǎng)度和寬度，但有一個(gè)主要區(qū)別：它們的高度。通過(guò)混合不同的高度，可以支持各種板間間距，稱(chēng)為疊接高度。例如，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 1.27 系列中的垂直母頭連接器具有 6.25 和 9.05 mm 兩種高度，而配接的垂直公頭連接器則提供 1.75 和 3.25 mm 高度。

　　另外，非常重要的是，配接對(duì)具有 1.5 mm 的“拭接長(zhǎng)度”，同時(shí)保持 0.9 mm 的可靠表面接觸拭接長(zhǎng)度。因此，板到板之間會(huì)有一個(gè)非階躍的連續(xù)可用間距范圍：8.0 mm 至 13.8 mm（圖 5）。Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列連接器采用了類(lèi)似的方案，與 FINEPITCH 1.27 系列相比，具有不同的高度和拭接長(zhǎng)度，并支持 6 至 12 mm 的連續(xù)范圍。BTB 配接距離的固有靈活性也帶來(lái)另一個(gè)好處，即放寬了生產(chǎn)中的裝配公差。

圖 5：由于 FINEPITCH 1.27 系列中的公頭和母頭連接器提供了多個(gè)獨(dú)立高度選擇以及較長(zhǎng)的拭接長(zhǎng)度，因此實(shí)際的 BTB 疊接高度可以是 8.0 到 13.8 mm 之間的任意值。（圖片來(lái)源：Phoenix Contact）

　　支持 EMC 和射頻需求

　　高密度、多觸點(diǎn) BTB 連接器有望支持的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出功率和低頻信號(hào)需要，因此可最大程度地減少對(duì)多個(gè)分立電纜組件（一根電纜支持一個(gè)單一信號(hào)）的需要。關(guān)鍵參數(shù)是連接器在千兆赫茲范圍內(nèi)的性能，以及在這些頻率下保持信號(hào)完整性的能力。同時(shí)，還要考慮電磁兼容性 （EMC），以確保高速信號(hào)在連接器中不受影響，也不受附近信號(hào)的影響。

　　有些連接器系列采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)，可以滿足帶寬和 EMC 注意事項(xiàng)。例如，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列支持高達(dá) 16 千兆位/秒 （Gb/s） 的數(shù)據(jù)速率，并且包括多個(gè)配接后連接器到連接器屏蔽路徑（圖 6），從而實(shí)現(xiàn)出色的 EMC 性能（圖 7）。

圖 7：FINEPITCH 0.8 系列連接器周?chē)碾妶?chǎng)圖片顯示了屏蔽性能；深藍(lán)色表示 0 至 0.1 伏/米 （V/m） 的電場(chǎng)強(qiáng)度，深紅色表示 1.0 V/m。（圖片來(lái)源：Phoenix Contact）

　　這些連接器提供了 S 參數(shù)，以支持高保真射頻信號(hào)路徑建模，同時(shí)還提供了關(guān)于插入損耗、接收器側(cè)測(cè)得的遠(yuǎn)端串?dāng)_ （FEXT） 和發(fā)射器側(cè)測(cè)得的近端串?dāng)_ （NEXT） 的數(shù)據(jù)（圖 8）

圖 8：諸如 FINEPITCH 0.8 系列之類(lèi)高數(shù)據(jù)速率連接器的 0 到 10 GHz 插入損耗（左）和近端串?dāng)_（右）圖形。（圖片來(lái)源：Phoenix Contact）

　　深度剖析

　　盡管連接器功能看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但選擇合適的連接器系列還需要考慮其他因素。其中包括：

　　與標(biāo)準(zhǔn)的大批量生產(chǎn)工藝（裝載和焊接）的兼容性，這還要求連接器整個(gè)主體具有高共面度，通常優(yōu)于 0.1 mm。

　　即使在多次重復(fù)插拔后，接觸面鍍層磨損的情況下，仍保證可靠的性能；500 次視為最高性能水平。經(jīng)過(guò) 500 次插拔后，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列可保持接觸電阻小于 20 毫歐 （mΩ），而 FINEPITCH 1.27 系列則仍保持低于 25 mΩ（符合 IEC 60512-2-1:2002-02 標(biāo)準(zhǔn)）。

　　當(dāng)兩塊板和相應(yīng)的連接器配接時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)徑向和角度錯(cuò)位的情況。

　　后面的錯(cuò)位問(wèn)題，就是設(shè)計(jì)人員需要考慮的一個(gè)現(xiàn)實(shí)因素。在理想情況下，公頭和母頭連接器的中心線將完美對(duì)中，并且彼此之間無(wú)傾斜。鑒于這些細(xì)間距連接器的尺寸很小，似乎不允許出現(xiàn)這種錯(cuò)位的情況，但是良好的連接器設(shè)計(jì)可以允許兩個(gè)參數(shù)有一定的不匹配度。

　　FINEPITCH 0.8 和 FINEPITCH 1.27 系列的 ScaleX 技術(shù)很好地解決了這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。這些系列提供了一種特殊的外殼幾何形狀，不僅能夠在錯(cuò)位的情況下保護(hù)觸點(diǎn)免受損壞，還提供了相應(yīng)的公差補(bǔ)償，中心偏移為 ±0.7 mm，沿斜軸和縱軸的傾角公差分別為 ±2°/±4°（圖 9）。

圖 9：現(xiàn)實(shí)中的對(duì)準(zhǔn)從來(lái)都不完美，因此 FINEPITCH 0.8 mm 和 FINEPITCH 1.27 連接器分別可容許最大 ±2°/±4° 的傾斜和縱向角度錯(cuò)位，以及最大 0.7 mm 的偏心徑向錯(cuò)位。（圖片來(lái)源：Phoenix Contact）

　　看不到的東西也很重要

　　雖然連接器沒(méi)有集成電路的納米工藝尺寸，但連接器觸頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)包含微小元件，并且具有緊公差及超薄貴金屬和非貴金屬鍍層，而它們的主體也是精密成型件。鑒于金屬接觸面積的大小以及這些觸頭“埋入”殼體中的方式，您是無(wú)法看到一個(gè)高度可靠的接觸區(qū)域是如何形成的。

　　在這些尺寸下，不僅需要精密的設(shè)計(jì)，還需要能夠在微元件級(jí)以大批量生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)。這就是采用 ScaleX 技術(shù)的 FINEPITCH 0.8 系列具有獨(dú)特雙接觸方式的原因。當(dāng)配接時(shí)，觸頭（公元件和母元件）可在非常狹窄的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)防振連接。此外，這些觸點(diǎn)還具有鷗翼形焊針，這是自動(dòng)焊接工藝的最佳選擇。

　　電路板無(wú)法直接連接的情況

　　盡管直接放置和連接 BTB 是很有吸引力的選擇，但在某些情況下，無(wú)法通過(guò) BTB 連接器直接配對(duì)和連接兩塊或多塊印刷電路板。這可能是由于整體產(chǎn)品封裝的外形尺寸、電路板的形狀、放置電路板時(shí)的電氣和電子考量或散熱問(wèn)題。

　　為了應(yīng)對(duì)這些情況，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 1.27 系列還提供了母頭絕緣穿刺連接器 （IDC），可與扁平電纜搭配使用。在兩塊印刷電路板之間使用這些柔性的扁平帶狀電纜連接，可以讓它們實(shí)現(xiàn)物理隔離而不是電氣隔離，并且這些板不必互相平行或垂直放置。與 BTB 連接器一樣，這些產(chǎn)品同樣提供 12 至 80 個(gè)完整針位選擇范圍；Phoenix Contact 的 1714902 是自由懸掛式 12 針位版本產(chǎn)品（圖 10）。另提供面板安裝版本。

　　用于 IDC BTB 布局的扁平電纜也是一種經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，采用 AWG 30 （0.06 mm2） 利茲導(dǎo)線，并提供三種絕緣類(lèi)型選擇：基本 PVC（-10°C 至 +105°C）、高溫型（-40°C 至 +125°C）和無(wú)鹵素版本。某些設(shè)施的規(guī)范要求使用無(wú)鹵素產(chǎn)品來(lái)防止火災(zāi)，并能形成“炭化”涂層，以減少排放有毒含碳?xì)怏w以及降低可見(jiàn)度的煙塵和碳顆粒。

　　由于有五種不同的電纜方向和連接器布置方式（圖 11）、九種支持 12 至 80 針位的連接器尺寸、非常短的 5 cm（約 2 英寸）到長(zhǎng)得多的 95 cm（約 37.5 英寸）柔性電纜長(zhǎng)度，以及三種可用的絕緣類(lèi)型，因此這些選項(xiàng)可產(chǎn)生 10，000 多種可能的排列組合。由于儲(chǔ)備所有這些產(chǎn)品庫(kù)存不切實(shí)際，因此會(huì)根據(jù)所需的連接器/電纜對(duì)和配置，按需生產(chǎn)這些 IDC 電纜組件。

圖 11：所示為 IDC 電纜連接器的三種布置和方向（共五種），通過(guò)簡(jiǎn)化電纜走線和放置，為設(shè)計(jì)人員提供最大的電纜放置靈活性和最小的限制。（圖片來(lái)源：Phoenix Contact）

　　總結(jié)

　　連接器和互連器件是完成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素，需要事先給予適當(dāng)?shù)目紤]。當(dāng)使用多塊印刷電路板時(shí)，BTB 連接器可提供一種方便、可靠、高性能的技術(shù)，以各種布局方式連接兩塊或多塊電路板。

　　這些連接器的細(xì)微差別和復(fù)雜性常常被低估，但是如上所述，經(jīng)過(guò)精密設(shè)計(jì)的 BTB 連接器（例如 Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 和 FINEPITCH 1.27 系列）可實(shí)現(xiàn)高互連密度、卓越的機(jī)械性能、與生產(chǎn)工藝和流程的兼容性，以及符合當(dāng)今復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)速率和 EMC 要求的電氣性能。