板对板连接方案(板对板连接器优化系统封装)
单板解决方案通过将系统的所有电子器件放在一块成本较低的小印刷电路板上来节省空间。对于单板计算机 (SBC) 来说，设计人员必须努力在这一块电路板上配置尽可能多的处理能力、功能和 I/O。但现实情况是，在工业、消费和医疗应用中，很多时候单板并不是最佳解决方案，因此需要多块印刷电路板。在这种情况下，板对板 (BTB) 连接器就变得非常重要。
即使将所有设计精力放在为系统设计多块电路板上，但若未能选择到合适的 BTB 连接器，则可能会完全破坏设计。这样可能会造成前期出现外形尺寸或信号完整性问题，或者可能之后在现场出现使用(或滥用)故障。
本文将探讨推动 BTB 连接器需求的设计问题，以及设计人员从众多可用选择中挑选 BTB 连接器时必须考虑的因素。这些因素包括电路性能、生产要求、使用模型、维修简便性、信号类型、连接器尺寸和触头位置数、射频干扰 (RFI) 和电磁干扰 (EMI) 等。文中将以 Phoenix Contact 的 BTB 连接器解决方案为例，说明它们如何解决设计人员的电路板连接问题。
为什么要使用 BTB 连接器?
从设计、生产和销售角度来看，目前至少有十种情况是使用两块或多块块互连印刷电路板比使用单块板更为合理：
外形尺寸约束使得使用单块较大电路板方式的整体尺寸受限，则需要采用立体布局以利用可用的封装深度。
无法将低电平、高灵敏度模拟 I/O 或射频电路放置在高速、嘈杂的数字电路附近。
存在高电压，而工程惯例以及法规标准要求采取强制隔离措施。
散热考量要求将较热的元器件放在单独的位置，以改善散热和热管理。
多个产品版本可能要使用或重复使用某个既定电路分段，例如核心处理板可与基本多行用户显示屏和按钮配对，也可与用于不同型号警报或传感器系统的更复杂图形触摸屏配对。
生产需要使用特殊元器件，例如要求特殊制造/组装工艺或手动插入的电源装置和散热器，而其余元器件可使用自动插入和焊接。
供应商希望在系统中升级一项功能(例如处理器和内存)，但希望保持模拟功能不变，以提高技术信心并摊销成本。
现场经验表明，系统的某个零部件(例如朝向外部的 I/O)更可能需要现场更换，而内部核心功能(例如处理器和内存)将会有更长的平均无故障时间 (MTTF)。
某些元器件需要较厚的印刷电路板材料和更厚重的铜覆层，例如用于电源器件。
需要考虑和关注 EMI/RFI，功能之间必须进行隔离，甚至可能对部分电路进行射频屏蔽。
显然，选择或坚持使用多块印刷电路板有很多合理的设计、生产和支持理由。许多应用都存在这种情况，包括工业控制系统、电机控制、可编程逻辑控制器 (PLC)、报警和安防装置、医疗系统(如便携式 X 光机或超声仪器)，以及具有不同人机界面 (HMI) 的设备(图 1)。
图 1：对于许多产品来说，要么一块或多块印刷电路板更有优势，要么绝对需要，这就使得 BTB 连接器成为必备元器件，但是必须仔细选择这些连接器。(图片来源：Phoenix Contact)
如何选择 BTB 连接器
一旦决定使用两块或多块连接的印刷电路板，设计人员就必须选择合适的 BTB 连接器。在几乎所有情况下，这不只是一个寻找一个符合基本规格要求的连接器对的问题，而且是要先找到一系列具有不同 BTB 选项的全兼容连接器，这样设计选择就不会事先被限制，这才是明智之举。
连接器产品种类多样，即便是一家供应商提供的连接器一眼望去都可能会让人难以决定，但其实不然。当设计人员专注于他们的优先事项、约束条件和必备条件时，可选用的特定连接器范围通常会变得相当小。此外，如此多的连接器样式选择，意味着设计人员可以找到一种最佳搭配，以最小的妥协来平衡不可避免的技术取舍。
设计人员可以使用先进的计算机辅助设计 (CAD) 工具，来对可能的物理配置和可能的 BTB 方位进行建模，其中包括夹层、子母卡和共面，以及无约束过孔带状电缆(图 2)。但也不必“直接跳到 CAD”，因为较为简单的技术也能非常有效地进行初始评估，并且已成功采用，包括使用纸板模型评估各种板尺寸和排列方式。
图 2：板对板连接可以有各种方位和排列方式，包括夹层、子母卡、共面和无约束带状电缆。(图片来源：Phoenix Contact)
探索自由度
除了基本方位外，如此多的连接器版本还为设计人员提供了布局和放置选择。例如，设计人员可以选择使用两个较小的 BTB 连接器，每个连接器具有较少的针位，而不是使用一个具有较多针位的连接器。这样做可以简化电路板的布局，并避免一些信号需要跨越整个印刷电路板长度。
例如，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 1.27 系列(1.27 毫米 (mm) 间距)可提供 12、16、20、26、32、40、50、68、80 针位版本。注：1.27 mm 正好是 0.05 英寸，即 50 密耳，这是一种常用间距。考虑该系列中的两款垂直母头连接器：一个宽度为 21.6 mm 的 26 触点 1714894，一个其他规格相同但宽度为 12.71 mm 的 12 触点 1714891，该宽度稍微超过 26 触点款的一半宽度(图 3)。
在印刷电路板的不同位置使用两个较小的连接器，所带来的板空间损失微不足道，而印刷电路板所需走线空间的减少以及信号完整性的改善，往往会抵消这些损失。同样，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列(0.8 mm 间距)包括一系列间距为 0.8 mm 的连接器，范围从 12 针位 9.58 mm 长 1043682 连接器插座一直扩展至 80 针位版本(图 4)。
图 3：在 FINEPITCH 1.27 mm 系列中，最小的连接器是此 12 针位 1714891 版本，长轴宽度为 12.71 mm。(图片来源：Phoenix Contact)
图 4：Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列连接器的间距为 0.8 mm，最小的成员是长度为 9.58 mm 的 12 针位 1043682。(图片来源：Phoenix Contact)
另一个问题是连接器的高度，让设计人员能够确保两块排列整齐的平行电路板在机壳内互相配接，并使每块板都处于最佳位置。处理器板可以装到产品外壳的背部，而带有用户显示屏和按钮的第二块板可以与前面板齐平放置。
因此，连接器具有相同的针位数、长度和宽度，但有一个主要区别：它们的高度。通过混合不同的高度，可以支持各种板间间距，称为叠接高度。例如，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 1.27 系列中的垂直母头连接器具有 6.25 和 9.05 mm 两种高度，而配接的垂直公头连接器则提供 1.75 和 3.25 mm 高度。
另外，非常重要的是，配接对具有 1.5 mm 的“拭接长度”，同时保持 0.9 mm 的可靠表面接触拭接长度。因此，板到板之间会有一个非阶跃的连续可用间距范围：8.0 mm 至 13.8 mm(图 5)。Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列连接器采用了类似的方案，与 FINEPITCH 1.27 系列相比，具有不同的高度和拭接长度，并支持 6 至 12 mm 的连续范围。BTB 配接距离的固有灵活性也带来另一个好处，即放宽了生产中的装配公差。
图 5：由于 FINEPITCH 1.27 系列中的公头和母头连接器提供了多个独立高度选择以及较长的拭接长度，因此实际的 BTB 叠接高度可以是 8.0 到 13.8 mm 之间的任意值。(图片来源：Phoenix Contact)
支持 EMC 和射频需求
高密度、多触点 BTB 连接器有望支持的带宽远远超出功率和低频信号需要，因此可最大程度地减少对多个分立电缆组件(一根电缆支持一个单一信号)的需要。关键参数是连接器在千兆赫兹范围内的性能，以及在这些频率下保持信号完整性的能力。同时，还要考虑电磁兼容性 (EMC)，以确保高速信号在连接器中不受影响，也不受附近信号的影响。
有些连接器系列采用独特的设计，可以满足带宽和 EMC 注意事项。例如，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列支持高达 16 千兆位/秒 (Gb/s) 的数据速率，并且包括多个配接后连接器到连接器屏蔽路径(图 6)，从而实现出色的 EMC 性能(图 7)。
图 6：FINEPITCH 0.8 系列包括多个配接后连接器到连接器屏蔽路径，可实现增强屏蔽能力。(图片来源：Phoenix Contact)
图 7：FINEPITCH 0.8 系列连接器周围的电场图片显示了屏蔽性能;深蓝色表示 0 至 0.1 伏/米 (V/m) 的电场强度，深红色表示 1.0 V/m。(图片来源：Phoenix Contact)
这些连接器提供了 S 参数，以支持高保真射频信号路径建模，同时还提供了关于插入损耗、接收器侧测得的远端串扰 (FEXT) 和发射器侧测得的近端串扰 (NEXT) 的数据(图 8)
图 8：诸如 FINEPITCH 0.8 系列之类高数据速率连接器的 0 到 10 GHz 插入损耗(左)和近端串扰(右)图形。(图片来源：Phoenix Contact)
深度剖析
尽管连接器功能看起来很简单，但选择合适的连接器系列还需要考虑其他因素。其中包括：
与标准的大批量生产工艺(装载和焊接)的兼容性，这还要求连接器整个主体具有高共面度，通常优于 0.1 mm。
即使在多次重复插拔后，接触面镀层磨损的情况下，仍保证可靠的性能;500 次视为最高性能水平。经过 500 次插拔后，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列可保持接触电阻小于 20 毫欧 (mΩ)，而 FINEPITCH 1.27 系列则仍保持低于 25 mΩ(符合 IEC 60512-2-1:2002-02 标准)。
当两块板和相应的连接器配接时，还会出现径向和角度错位的情况。
后面的错位问题，就是设计人员需要考虑的一个现实因素。在理想情况下，公头和母头连接器的中心线将完美对中，并且彼此之间无倾斜。鉴于这些细间距连接器的尺寸很小，似乎不允许出现这种错位的情况，但是良好的连接器设计可以允许两个参数有一定的不匹配度。
FINEPITCH 0.8 和 FINEPITCH 1.27 系列的 ScaleX 技术很好地解决了这一现实问题。这些系列提供了一种特殊的外壳几何形状，不仅能够在错位的情况下保护触点免受损坏，还提供了相应的公差补偿，中心偏移为 ±0.7 mm，沿斜轴和纵轴的倾角公差分别为 ±2°/±4°(图 9)。
图 9：现实中的对准从来都不完美，因此 FINEPITCH 0.8 mm 和 FINEPITCH 1.27 连接器分别可容许最大 ±2°/±4° 的倾斜和纵向角度错位，以及最大 0.7 mm 的偏心径向错位。(图片来源：Phoenix Contact)
看不到的东西也很重要
虽然连接器没有集成电路的纳米工艺尺寸，但连接器触头的机械结构包含微小元件，并且具有紧公差及超薄贵金属和非贵金属镀层，而它们的主体也是精密成型件。鉴于金属接触面积的大小以及这些触头“埋入”壳体中的方式，您是无法看到一个高度可靠的接触区域是如何形成的。
在这些尺寸下，不仅需要精密的设计，还需要能够在微元件级以大批量生产实现此设计。这就是采用 ScaleX 技术的 FINEPITCH 0.8 系列具有独特双接触方式的原因。当配接时，触头(公元件和母元件)可在非常狭窄的空间内实现防振连接。此外，这些触点还具有鸥翼形焊针，这是自动焊接工艺的最佳选择。
电路板无法直接连接的情况
尽管直接放置和连接 BTB 是很有吸引力的选择，但在某些情况下，无法通过 BTB 连接器直接配对和连接两块或多块印刷电路板。这可能是由于整体产品封装的外形尺寸、电路板的形状、放置电路板时的电气和电子考量或散热问题。
为了应对这些情况，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 1.27 系列还提供了母头绝缘穿刺连接器 (IDC)，可与扁平电缆搭配使用。在两块印刷电路板之间使用这些柔性的扁平带状电缆连接，可以让它们实现物理隔离而不是电气隔离，并且这些板不必互相平行或垂直放置。与 BTB 连接器一样，这些产品同样提供 12 至 80 个完整针位选择范围;Phoenix Contact 的 1714902 是自由悬挂式 12 针位版本产品(图 10)。另提供面板安装版本。
图 10：IDC 连接器(例如 FINEPITCH 1.27 系列中的 12 针位 1714902 自由悬挂式连接器)允许在无法(或不希望)直接 BTB 接触的配置中使用柔性电缆。(图片来源：Phoenix Contact)
用于 IDC BTB 布局的扁平电缆也是一种经过精心设计的产品，采用 AWG 30 (0.06 mm²) 利兹导线，并提供三种绝缘类型选择：基本 PVC(-10°C 至 +105°C)、高温型(-40°C 至 +125°C)和无卤素版本。某些设施的规范要求使用无卤素产品来防止火灾，并能形成“炭化”涂层，以减少排放有毒含碳气体以及降低可见度的烟尘和碳颗粒。
由于有五种不同的电缆方向和连接器布置方式(图 11)、九种支持 12 至 80 针位的连接器尺寸、非常短的 5 cm(约 2 英寸)到长得多的 95 cm(约 37.5 英寸)柔性电缆长度，以及三种可用的绝缘类型，因此这些选项可产生 10,000 多种可能的排列组合。由于储备所有这些产品库存不切实际，因此会根据所需的连接器/电缆对和配置，按需生产这些 IDC 电缆组件。
图 11：所示为 IDC 电缆连接器的三种布置和方向(共五种)，通过简化电缆走线和放置，为设计人员提供最大的电缆放置灵活性和最小的限制。(图片来源：Phoenix Contact)
总结
连接器和互连器件是完成设计的关键要素，需要事先给予适当的考虑。当使用多块印刷电路板时，BTB 连接器可提供一种方便、可靠、高性能的技术，以各种布局方式连接两块或多块电路板。
这些连接器的细微差别和复杂性常常被低估，但是如上所述，经过精密设计的 BTB 连接器(例如 Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 和 FINEPITCH 1.27 系列)可实现高互连密度、卓越的机械性能、与生产工艺和流程的兼容性，以及符合当今复杂产品设计中数据速率和 EMC 要求的电气性能。
