Använd kort-till-kortkontaktdon med täta stiftavstånd för att optimera systemstorleken

Enkelkortlösningar sparar utrymme genom att placera all elektronik i ett system på ett litet och förmodligen billigare kretskort. När det gäller enkelkortdatorer (SBC:er) måste konstruktörerna arbeta hårt för att kunna få plats med så mycket processorkraft, funktion och I/O som möjligt på kortet. Dock finns det många tillfällen i industri-, konsument- och medicintillämpningar där ett enkelkort inte är den bästa lösningen och så krävs flera kretskort. Här blir kort-till-kortkontaktdon (BTB) mycket viktiga.

Alla ansträngningar med att utforma alla kort i ett system kan vara bortkastade om inte tillräcklig tid läggs på att hitta rätt BTB-kontaktdon. Det kan visa sig direkt genom format- eller signalintegritetsproblem eller senare på fältet genom fel som uppstår vid användning (eller påfrestningar).

Den här artikeln går igenom de designfrågor som driver behovet av BTB-kontaktdon samt de faktorer som konstruktörerna måste överväga vid val av BTB-kontaktdon bland stora urvalet av tillgängliga alternativ. Dessa inkluderar kretsprestanda, produktionskrav, användningsmodell, hur lätt det är att reparera, signaltyper, kontaktdonsstorlek och antalet kontaktpositioner, radiofrekvensstörningar (RFI) och elektromagnetiska störningar (EMI). Till exempel visas exempel på BTB-kontaktdonslösningar från Phoenix Contact för att visa hur de kan lösa konstruktörens kortanslutningsproblem.

Varför använda BTB-kontaktdon?

Det finns minst tio design-, produktions- och marknadsföringssituationer där det är logiskt att använda två eller fler sammankopplade kretskort snarare än ett:

1. Om formatbegränsningar begränsar den totala storleken hos ett enda större kort och en tredimensionell lösning krävs för att utnyttja det tillgängliga djupet i konstruktionen.
2. Där det inte är godtagbart att placera mycket känsliga analoga I/O- eller RF-lågnivåkretsar nära digitala höghastighetskretsar med högt brus.
3. Där det förekommer höga spänningsnivåer och där ingenjörssed samt lagstadgade standarder kräver åtskiljning.
4. Där temperaturavvägningar kräver att hetare komponenter placeras separat för bättra värmeavledning och temperaturhantering.
5. Om ett givet kretsunderavsnitt används eller återanvänds i flera versioner av en produkt som ett kärnprocessorkort som kopplas till en grundläggande flerradig användardisplay och tryckknappar, samt med en mer sofistikerad grafikpekskärm för olika modeller av ett larm eller sensorsystem.
6. I de fall produktionen kräver specialkomponenter, som kraftenheter och kylare som kräver en särskild tillverknings-/monteringsprocess eller manuell isättning, medan resten kan använda automatiserad isättning och lödning.
7. Där återförsäljaren förväntar sig att uppgradera en funktion i ett system, till exempel processorn och minnet, men vill lämna den analoga funktionen oförändrad för teknisk stabilitet och kostnadsavskrivning.
8. I de fall fälterfarenheter visar att en del av systemet, som utåtriktad I/O, mer troligen kommer att behöva bytas på fältet, medan interna kärnfunktioner som processor och minne kommer att ha längre medeltid till fel (MTTF).
9. I de fall där vissa komponenter kräver tjockare kretskortsmaterial och tyngre kopparöverdrag, till exempel för kraftkomponenter.
10. I de fall där EMI/RFI-hänsyn kräver åtskilda funktioner och kanske till och med RF-skärmning som en del av kretsen.

Det är tydligt att det finns många legitima konstruktions-, produktions- och stödbaserade anledningar att välja eller att insistera på att välja flera kretskort. Bland de tillämpningar där detta gäller finns industriella styrsystem, motorstyrning, programmerbara logikstyrenheter (PLC), larm- och säkerhetsenheter, medicinska system som bärbara röntgen- eller ultraljudsmaskiner samt enheter med olika människa-maskingränssnitt (HMI) (figur 1).

Figur 1: Många produkter kan antingen dra nytta av eller måste ha ett eller flera kretskort, vilket gör BTB-kontaktdon nödvändiga, men de måste väljas med omsorg. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Så väljer du BTB-kontaktdon

Efter att ha valt ett eller flera hopkopplade kretskort måste konstruktörerna välja lämpliga BTB-kontaktdon. I nästan alla fall handlar det inte bara om att hitta ett enda kontaktdonspar med rätt grundspecifikationer för att fatta det här beslutet. Istället är det klokt att först identifiera en familj av helt kompatibla kontaktdon med olika BTB-alternativ så att konstruktionsvalet inte är begränsat från början.

En snabb titt på de olika kontaktdon som erbjuds av en enda generell återförsäljare kan få beslutsprocessen att verka överväldigande, men det behöver inte vara så. När konstruktörerna fokuserar på sina prioriteringar, begränsningar och "obligatoriska" val blir urvalet av vilka specifika kontaktdon som kan användas relativt litet. Dessutom innebär tillgången till så många kontaktdonstyper att konstruktörerna kan hitta en kombination med minimala tekniska kompromisser.

Konstruktörerna använder sofistikerade datorstödda konstruktionsverktyg (CAD) för att modellera de möjliga fysiska konfigurationerna och möjliga BTB-inriktningar inklusive mezzanine, moder-dotter och koplanar, samt obegränsad via flatkablar (figur 2). Men du behöver inte gå direkt till CAD eftersom mindre sofistikerade tekniker också kan vara mycket effektiva för inledande utvärderingar och har använts med framgång, inklusive att använda kartongavbildningar av olika kortstorlekar och arrangemang.

Figur 2: Kort-till-kortanslutningar kan ha olika inriktningar och arrangemang inklusive mezzanine, moder-dotter, koplanar och obegränsade flatkablar. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Utforska frihetsgrader

Utöver grundläggande inriktning ger tillgängligheten till så många kontaktdonsversioner konstruktörerna layout- och placeringsalternativ. Till exempel kan en konstruktör välja att använda två mindre BTB-kontaktdon, vart och ett med färre positioner, snarare än ett kontaktdon med fler positioner. Att göra detta kan förenkla kortlayouten och eliminera behovet för vissa signaler att korsa hela kretskortets längd.

Till exempel finns Phoenix Contact FINEPITCH 1.27 series (1,27 millimeter (mm) stiftavstånd) i versioner med 12, 16, 20, 26, 32, 40, 50, 68 och 80 positioner. Obs! 1,27 mm är exakt 0,05 tum, ett vanligt stiftavstånd). Om vi tittar på två vertikala honkontaktdon i serien: 1714894 med 26 stift, som har en bredd på 21,6 mm och den i övrigt identiska 1714891 med 12 stift med en bredd på 12,71 mm, drygt hälften av versionen med 26 stift (figur 3).

Att använda dessa två mindre kontaktdon på olika platser på kretskortet tar inte ut särskilt mycket extra utrymme och det uppvägs ofta av den minskade plats som krävs för kretskortsspår samt den förbättrade signalintegriteten. På liknande sätt innehåller Phoenix Contact FINEPITCH 0.8-serien (0,8 mm stiftavstånd) ett antal kontaktdon med 0,8 mm stiftavstånd från 1043682-kontaktdonet med 12 positioner och en längd på 9,58 mm ända upp till 80 positioner (figur 4).

Figur 3: Det minsta kontaktdonet i FINEPITCH 1,27 mm-serien är 1714891-versionen med 12 positioner med en lång axelbredd på 12,71 mm. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Figur 4: Phoenix Contact FINEPITCH 0.8-serien av kontaktdon har 0,8 mm stiftavstånd, där den minsta delen är 1043682 med 12 positioner med 9,58 mm längd. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Ett annat problem är kontaktdonets höjd, vilket tillåter konstruktörerna att säkerställa att två inriktade, parallella kort kan kopplas ihop och passa i höljet, med varje kort på en optimal plats. Ett processorkort kan anslutas till produkthusets baksida medan ett andra kort med användardisplayen och knapparna kan sitta direkt mot frontpanelen.

Av den här anledningen är kontaktdonen tillgängliga med identiskt antal positioner, längd och bredd, men med en nyckelskillnad: deras höjd. Genom att kombinera höjder kan ett brett område av mellanrum mellan korten, kallat staplingshöjd, uppnås. Till exempel är vertikala honkontaktdon i Phoenix Contact FINEPITCH 1.27-familjen tillgängliga med två höjder på 6,25 och 9,05 mm, medan hopkopplade vertikala hankontaktdon erbjuds med 1,75 och 3,25 mm höjd.

Dessutom – och detta är kritiskt – har det hopkopplade paret en glidlängd på 1,5 mm samtidigt som en tillförlitlig ytkontaktglidlängd på 0,9 mm bibehålls. Det innebär att det finns ett kontinuerligt, steglöst sortiment av kortutrymmen från 8,0 till 13,8 mm (figur 5). På liknande sätt finns Phoenix Contact FINEPITCH 0.8-familjen av kontaktdon, med andra höjder och glidlängder än FINEPITCH 1.27-familjen, som ett kontinuerligt område på 6 till 12 mm. Som en ytterligare fördel gör den inneboende flexibiliteten i BTB-kopplingsavståndet även att monteringstoleranserna mildras i produktionen.

Figur 5: På grund av de tillgängliga diskreta höjderna hos han- och honkontaktdonen i FINEPITCH 1.27-serien och deras långa glidlängd kan den faktiska BTB-staplingshöjden vara vad som helst från 8,0 till 13,8 mm. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Stöd för EMC- och RF-behov

BTB-kontaktdon med hög densitet och flera kontakter förväntas ge stöd åt bandbredder som går långt bortom strömsignaler och signaler med lägre frekvenser, vilket minimerar behovet av flera separata kabelenheter där varje kabel ger stöd åt en enskild signal. Kontaktdonsprestanda i gigahertzområdet, tillsammans med förmågan att hålla signalintegritet vid dessa frekvenser är kritiska parametrar. Samtidigt måste elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) vägas in för att se till att höghastighetssignalerna i kontaktdonet inte påverkas, eller inte påverkas av närliggande signaler.

Vissa kontaktdonsfamiljer är unikt utformade för att uppfylla bandbredds- och EMC-krav. Till exempel har Phoenix Contact FINEPITCH 0.8-serien stöd för datahastigheter upp till 16 gigabit/sekund (Gbit/s) och inkluderar flera skärmningsvägar från kontaktdon till kontaktdon vid hopkoppling (figur 6), vilket resulterar i utmärkta EMC-egenskaperna (figur 7).

Figur 6: FINEPITCH 0.8-serien inkluderar flera skärmningsvägar kontaktdon till kontaktdon när de kopplats ihop för förbättrad skärmning. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Figur 7: Den här bilden på det elektriska fältet runt ett kontaktdon i FINEPITCH 0.8-serien visar prestandan hos dess skärmning. Mörkblått anger en styrka hos det elektriska fältet på 0 till 0,1 volt/meter (V/m) medan mörkrött är 1,0 V/m. (Bildkälla: Phoenix Contact)

S-parametrar är tillgängliga för dessa kontaktdon för att ge stöd för modellering av HiFi-RF-signalväg, tillsammans med data om införingsförlust, framåtöverhörning (FEXT) som mäts på mottagarsidan och bakåtöverhörning (NEXT) som mäts på sändarsidan (figur 8).

Figur 8: Kontaktdon för höga datahastigheter som FINEPITCH 0.8-serien inkluderar kurvor över (vänster) införingsförlust och (höger) bakåtöverhörning till 10 GHz. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Bortom det uppenbara

Trots enkelheten i kontaktdonsfunktionen kräver valet av en lämplig kontaktdonsfamilj även andra överväganden. Några av dessa är:

• Kompatibilitet med standardproduktionsprocesser med hög volym (belastning och lödning), vilket även kräver en hög grad av koplanaritet hos kontaktdonen över hela höljet, typiskt sett bättre än 0,1 mm.
• Antal införingscykler för vilka prestanda garanteras även när kontaktytans plätering slits ner efter upprepade cykler – 500 cykler anses vara högsta gradens prestanda. Phoenix Contact FINEPITCH 0.8-familjen bibehåller kontaktmotstånd under 20 milliohm (mΩ) medan FINEPITCH 1.27-familjen fortfarande håller sig under 25 mΩ efter 500 cykler (enligt IEC 60512-2-1:2002-02).
• Dessutom finns felinriktning radiellt och i vinkel när två kort och deras kontaktdon paras ihop.

Felinriktning är en praktisk verklighet som konstruktörerna måste ta hänsyn till. I en perfekt värld skulle mittlinjerna hos han- och honkontaktdonen centreras perfekt och inte ha någon lutning i förhållande till varandra. Med tanke på de minimala måtten hos dessa kontaktdon med korta stiftavstånd kan det tyckas att inga sådana felmatchningar är tillåtliga, men en bra kontaktdonskonstruktion tillåter en viss grad av felmatchning för båda parametrarna.

ScaleX-tekniken i FINEPITCH 0.8- och FINEPITCH 1.27-serien väger in den här verkligheten bra genom att tillhandahålla en husgeometri som inte bara skyddar kontaktdonen mot skador vid felmatchning. Den erbjuder även motsvarande toleranskompensation med en mittförskjutning på ±0,7 mm och en lutningstolerans på ±2°/±4° längs lutnings- och längdaxeln (figur 9).

Figur 9: Inriktningen är aldrig perfekt i verkligheten, så FINEPITCH 0,8 mm- och FINEPITCH 1.27-kontaktdonen har en tolerans för lutande och längsgående vinkelfelinriktning upp till ±2° respektive ±4° och radiell felinriktning från centrum upp till 0,7 mm. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Det du inte kan se är också viktigt

Kontaktdon har inte nanometerprocessmåtten hos integrerade kretsar, men deras kontakter är mekaniska strukturer med små element, snäva toleranser och ultratunn plätering av ädel- och basmetaller medan deras höljen också är precisionsgjutna. Med tanke på storleken på metallkontaktområdet och sättet dessa kontakter är inbyggda i husen går det inte att se vad som krävs för att skapa en mycket tillförlitlig kontaktzon.

Med dessa mått krävs sofistikerad design i kombination med förmågan att implementera den vid högvolymtillverkning i mikroelementskala. Därför har FINEPITCH 0.8-serien med ScaleX-teknik en unik dubbelkontakt. När den kopplats samman tillåter dess kontaktdon – ett hanelement och ett honelement – vibrationssäker anslutning i mycket trånga utrymmen. Kontakterna har även lödstift med måsvingar, som är optimala för automatiska lödningsprocesser.

När kort inte kan anslutas direkt

Även om direkt BTB-placering och anslutning är ett lockande alternativ finns det situationer där det inte är möjligt för två eller fler kretskort att matchas och kopplas ihop direkt via BTB-kontaktdon. Det kan beror på det övergripande produktpaketets format, kortens form, elektriska och elektroniska avväganden när ett kort placeras, eller temperaturproblem.

För att hantera dessa situationer erbjuder Phoenix Contact FINEPITCH 1.27-serien även IDC-kontaktdon (insulation displacement connectors) med honkoppling som kan användas med flatkablar. När de här flexibla flatkabelanslutningarna används mellan två kretskort kan de hållas fysiskt, men inte elektriskt åtskilda och korten behöver inte vara parallella eller ha rät vinkel till varandra. Som BTB-kontaktdonen finns de i hela skalan från 12 till 80 positioner. Phoenix Contact 1714902 är den frihängande versionen med 12 positioner (figur 10). Det finns även en panelmonterad version.

Figur 10: IDC-kontaktdon som det frihängande kontaktdonet 1714902 med 12 positioner från FINEPITCH 1.27-serien tillåter användning av flexibla kablar i konfigurationer där direkt BTB-kontakt inte är möjlig eller önskvärd. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Flatkabeln för IDC BTB-arrangemanget är också en noga konstruerad produkt med AWG 30 (0,06 mm²) Litz-ledare och tre isoleringstyper att välja mellan: vanlig PVC (-10 °C till +105 °C), högtemperatur (-40 °C till +125 °C) samt en halogenfri version. Den senare är obligatorisk i vissa installationer för at motverka brand och bildar även en beläggning som minskar utsläppen av giftiga kolbaserade gaser samt siktförsämrande rök- och kolpartiklar.

Eftersom det finns fem distinkta kabelinriktningar och kontaktdonsarrangemang (figur 11), nio kontaktdonsstorlekar med stöd för 12 till 80 positioner, flexibla kabellängder från relativt kort på 5 cm (~2 tum) till betydligt längre 95 cm (~37,5 tum) och tre tillgängliga isoleringstyper finns det över 10 000 möjliga variationer som täcker dessa alternativ. Det är opraktiskt att hålla alla dessa i lager, så dessa IDC-kabelenheter tillverkas efter behov med önskad kombination av kontaktdon och kabel samt konfiguration.

Figur 11: Här visas tre av de tillgängliga fem arrangemangen och inriktningarna av kontaktdonen på en IDC-kabel, vilket ger konstruktörerna maximal flexibilitet vi kabelplaceringen och minimala begränsningar genom att förenkla kabeldragningar och placeringar. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Slutsats

Kontaktdon och kopplingar är kritiska delar av en komplett design som kräver noggrant övervägande från början. När flera kretskort används erbjuder BTB-kontaktdon en praktisk och tillförlitlig högpresterande teknik för anslutning mellan två eller fler kort i olika kombinationer.

Nyanserna och komplexiteten hos dessa kontaktdon underskattas ofta, men som vi visat erbjuder precisionsutformade BTB-kontaktdon som FINEPITCH 0.8- och FINEPITCH 1.27-seriesen från Phoenix Contact hög kopplingsdensitet, överlägsen mekanisk prestanda, kompatibilitet med produktprocesser och flöde samt elektrisk prestanda som uppfyller kraven på datahastighet och EMC i dagens sofistikerade produktkonstruktioner.