【導(dǎo)讀】今天的電子設(shè)計(jì)人員面臨著在可靠性、適用性和成本之間找到適當(dāng)平衡的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄冎付藙?chuàng)建成功和有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品所需的組件。搜索過(guò)程的第一步是充分了解應(yīng)用及其對(duì)所涉及連接器的要求。如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的便于小型化和連接的連接器技術(shù)，我們的便攜式設(shè)備將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
在某些應(yīng)用中，連接器在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行接配。在其他情況下，連接器是設(shè)備的組成部分，例如在擴(kuò)展塢或充電器中。每個(gè)應(yīng)用都需要不同的解決方案。正確應(yīng)用的連接器將比那些與應(yīng)用不匹配的連接器更好地工作并且持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。收集和使用這些知識(shí)是當(dāng)今設(shè)計(jì)師面臨的另一個(gè)與連接器相關(guān)的挑戰(zhàn)。
有幾種方法可用于創(chuàng)建連接器中使用的引腳。最靈活的是精密加工。這不僅提供高水平的質(zhì)量和可靠性，而且在設(shè)計(jì)和材料方面提供了極大的靈活性，使得設(shè)計(jì)人員能夠指定連接器以滿足其確切需求。由此產(chǎn)生的高精度引腳具有圓柱形幾何形狀，有時(shí)也稱為轉(zhuǎn)腳（turned pin）。
典型的轉(zhuǎn)腳尺寸范圍從0.008英寸（0.2032mm）到0.250英寸（6.35mm）。高速轉(zhuǎn)動(dòng)可以始終如一地生產(chǎn)精密加工的引腳，引腳在所有關(guān)鍵特征上的嚴(yán)格公差為±0.0005英寸（0.0127mm），這對(duì)于連接器引腳功能至關(guān)重要。這個(gè)過(guò)程不僅高度準(zhǔn)確，而且其重復(fù)性非常好——無(wú)論是制造數(shù)千還是數(shù)百萬(wàn)個(gè)引腳。
彈簧式連接器（SLC）中的主要部件是彈簧引腳，有時(shí)稱為彈簧觸點(diǎn)、彈簧探針。它們提供高度可靠、精確制造的互連解決方案，是各種苛刻應(yīng)用的理想選擇。每個(gè)彈簧引腳都經(jīng)過(guò)精密加工，以確保高質(zhì)量、低電阻和兼容的連接器，這使其優(yōu)于其他技術(shù)。
彈簧引腳通常由三個(gè)或更多個(gè)機(jī)加工部件組成，這些部件與內(nèi)部彈簧組裝在一起以提供所需的運(yùn)動(dòng)范圍。所有這些組件均采用鍍鎳金電鍍，從而確保看在產(chǎn)品的整個(gè)使用壽命期間具有出色的導(dǎo)電性、耐用性和防腐蝕性。除了彈簧引腳的電壓能力、電流處理和接觸電阻的基本電氣要求外，在指定SLC時(shí)還需要考慮許多選項(xiàng)。
雖然垂直安裝是最常見(jiàn)的布置，但某些應(yīng)用需要兩個(gè)或更多個(gè)板的水平接配。直角引腳和目標(biāo)可提供0.1英寸（2.54毫米）或0.05英寸（1.27毫米）間距的通孔和表面安裝配置，從而為這一挑戰(zhàn)提供可靠、低高度的解決方案。SLC通常需要在同一組件內(nèi)承載電源和信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)電源引腳可承受高達(dá)9A的電流，溫度高于環(huán)境溫度10°C（20°C）。在需要更高電流或更低溫升的應(yīng)用中，引腳可以加倍，或者可以指定更大的引腳，特別是對(duì)于接地連接。
通過(guò)在陣列中指定具有不同長(zhǎng)度和柱塞行程的彈簧引腳，可以創(chuàng)建所謂的先合后斷連接。這些在需要在信號(hào)連接之前將電源施加到電路的應(yīng)用中特別有用，從而避免可能導(dǎo)致不穩(wěn)定電路行為的未定義狀態(tài)。這些連接還允許關(guān)鍵信號(hào)根據(jù)應(yīng)用的要求進(jìn)行隨時(shí)接配。
根據(jù)應(yīng)用的機(jī)械配置，可能需要不同的行程距離以及定制的彈簧力。大多數(shù)SLC通常在中風(fēng)時(shí)提供60g的力，盡管可以使用替代彈簧。對(duì)于復(fù)雜的多板組件，可提供雙作用SLC。一旦將它們安裝到堆疊的中間板上，就可以方便地在上方和下方安裝板子。
SLC不限于PCB應(yīng)用。這種多功能技術(shù)還可以通過(guò)帶有焊杯或壓接桶的引腳提供電線端接連接。市面上有各種尺寸的產(chǎn)品，可容納高達(dá)16AWG的電線，具有9A電流處理能力。具有與大多數(shù)焊接工藝兼容的高溫尼龍46絕緣體的SLC可用于穿過(guò)金屬或?qū)щ姴牧希ɡ鐚?dǎo)電殼體或外殼）的連接。
在SLC中進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常最好的目標(biāo)是在行程范圍的中間行程附近操作。通常建議壓縮25-75％；但是，一些一次性按壓應(yīng)用可以可以采用最大限度的按壓操作。對(duì)于具有最小行程能力的超薄型彈簧引腳，最好的壓縮范圍是在50-85％內(nèi)。
彈簧引腳能夠與非平行表面匹配，但重要的是確保接配力軸向施加到活塞/柱塞上。應(yīng)避免活塞的側(cè)向接合或側(cè)向加載，因?yàn)閺澢蚱屏褧?huì)造成活塞或彈簧引腳損壞。
在接配受控較少的應(yīng)用中，良好的設(shè)計(jì)方法是結(jié)合支座硬件或其他特征，以提供機(jī)械支撐，以避免彈簧引腳過(guò)度按壓。
SLC的一大好處是它的多功能性和與各種表面配合的能力。只要彈簧引腳柱塞/活塞與平坦或凹陷的電鍍表面接觸，就可以形成良好的連接。這消除了傳統(tǒng)插針連接器系統(tǒng)的一面，并且減少了部件成本、生產(chǎn)時(shí)間和復(fù)雜性。
雖然與鍍金PCB焊盤(pán)配合是最常見(jiàn)的方式，但其他機(jī)械選項(xiàng)可用于滿足特定的應(yīng)用要求。對(duì)于通孔應(yīng)用，可以使用專用的釘頭引腳或目標(biāo)引腳。在表面貼裝應(yīng)用中，可提供薄型鍍金目標(biāo)焊盤(pán)，為電路板表面提供高導(dǎo)電、耐磨的延伸。通過(guò)將彈簧引腳與適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)組合，可以實(shí)現(xiàn)不同的配合距離以適應(yīng)幾乎任何應(yīng)用。
由于設(shè)計(jì)不良或磨損導(dǎo)致的較差的連接質(zhì)量，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在為應(yīng)用指定正確的SLC時(shí)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和證明的可靠性至關(guān)重要。自從1976年推出以來(lái)，IEC 60512一直是測(cè)試連接器機(jī)械、電氣和氣候特性的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了許多評(píng)估連接器質(zhì)量和可靠性的測(cè)試，包括彈簧力、接觸電阻、隨機(jī)，半竇和正弦振動(dòng)、快速溫度變化、干熱、循環(huán)熱、冷和載流能力。這些測(cè)試非常廣泛，可以在原始零件以及預(yù)先循環(huán)的零件上進(jìn)行，以確保連接器在實(shí)際應(yīng)用中具有長(zhǎng)期可靠性。一些制造商使用IEC 60512作為基準(zhǔn)，但添加了特定的附加測(cè)試以反映已知應(yīng)用或解決技術(shù)變化時(shí)的其他潛在弱點(diǎn)。
在指定SLC時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)檢查所有可用的測(cè)試數(shù)據(jù)。信譽(yù)良好的制造商通常會(huì)引入某些類型連接器的特定非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，這將為設(shè)計(jì)人員提供有關(guān)連接器在某種應(yīng)用中進(jìn)行可靠工作的進(jìn)一步保證。
選擇一個(gè)品牌的SLC而不是另一個(gè)品牌的另一個(gè)有價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)支持材料的可用性。大多數(shù)制造商將提供多種工具，包括用于快速設(shè)計(jì)模型的詳細(xì)3D模型（例如，IGES或STEP）和PCB布局建議，以確保實(shí)現(xiàn)正確的焊盤(pán)圖案以實(shí)現(xiàn)最佳SLC操作。
隨著創(chuàng)新帶來(lái)新的產(chǎn)品類別，多功能SLC連接器在支持未來(lái)技術(shù)方面發(fā)揮著重要作用。迄今為止最流行的SLC應(yīng)用之一是兩個(gè)或更多PCB之間的板對(duì)板連接。隨著產(chǎn)品尺寸的縮小，高端模塊化設(shè)計(jì)方法變得越來(lái)越流行，制造商正在產(chǎn)品中增加PCB數(shù)量。SLC允許容易地堆疊多個(gè)板，因?yàn)镾LC容納公差疊加，包括由于非平行固定或PCB翹曲所導(dǎo)致的較小的失準(zhǔn)。無(wú)論電路板是平行的、垂直的還是水平的，SLC的多功能性都可使它們成為可行的解決方案。
當(dāng)今設(shè)計(jì)中有限的空間也意味著盲配變得越來(lái)越普遍。接合過(guò)程中引腳到插座的錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致引腳損壞或彎曲，觸點(diǎn)損壞以及連接不良或缺失。SLC是理想的解決方案，因?yàn)椴恍枰迦搿．?dāng)柱塞尖端接觸導(dǎo)電表面（通常是PCB上的焊盤(pán)或目標(biāo)引腳的表面）時(shí)就進(jìn)行連接。這些接配表面通常比彈簧銷柱塞大，這進(jìn)一步消除了對(duì)準(zhǔn)和對(duì)部件的潛在損壞的擔(dān)憂。
隨著越來(lái)越多的設(shè)備變得便攜化，它們依賴于電池電源并且需要頻繁充電（通常在充電座中）。SLC是便攜式儀器中電池充電以及用于數(shù)據(jù)和電力傳輸目的的對(duì)接手持設(shè)備的完美解決方案。它們可以輕松集成到任何系統(tǒng)中，提供多種高度、行程和彈簧力選擇。接觸采用了柱塞頭，因此當(dāng)將電池或裝置放置在支架中時(shí)，彈簧引腳可以實(shí)現(xiàn)盲插和一些失準(zhǔn)。這使其成為最終用戶進(jìn)行連接應(yīng)用的理想選擇。
在設(shè)計(jì)利用高速互連的應(yīng)用時(shí)，在信號(hào)路徑上瀏覽所有潛在的減速帶是至關(guān)重要。必須了解并掌握以下因素：疊層、公差、通孔設(shè)計(jì)、跡線寬度、鍍層和銅蝕刻，以實(shí)現(xiàn)最佳信號(hào)路徑。 任何設(shè)計(jì)清單都應(yīng)該包含連接器，而這些連接器往往被忽略。如果沒(méi)有仔細(xì)檢查，連接器可能會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的信號(hào)完整性。
正確的連接器應(yīng)該提供幾個(gè)關(guān)鍵要素：
在目標(biāo)帶寬上配接阻抗
低于目標(biāo)帶寬的插入損耗
可靠連接到PCB
可靠連接到電纜系統(tǒng)
為了確保連接器可以為信號(hào)提供低損耗和配接阻抗，必須查看散射或s參數(shù)。S參數(shù)詳細(xì)說(shuō)明了線性電網(wǎng)的特性，并確定了帶寬和電路損耗，從而揭示了其性能潛力。S參數(shù)數(shù)據(jù)由制造商提供，作為表征其連接器的一種方式，并應(yīng)成為設(shè)計(jì)高速連接器時(shí)首先考慮的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)師還應(yīng)該在時(shí)域中轉(zhuǎn)換并觀察s參數(shù)，以及時(shí)域反射（TDR）圖，并查看內(nèi)部阻抗曲線。
由于連接器有很多種類（例如，端子類型、內(nèi)部信號(hào)長(zhǎng)度、材料等），設(shè)計(jì)人員需要了解s參數(shù)文件是如何創(chuàng)建的。在盲目地將touchstone文件放入仿真并相信結(jié)果之前，詢問(wèn)供應(yīng)商幾個(gè)問(wèn)題是很重要的，其中包括：
1. 你想要的插針與仿真的插針配接嗎？
2. 其他插針如何端接？
3.在提供的數(shù)據(jù)中使用了什么樣的布局？
4.有沒(méi)有殘端？
5.用于表征的端子類型是什么？（例如電鍍通孔、表面安裝、壓接）
6.夾具如何嵌入或測(cè)量中包含什么？
7.這是我需要的準(zhǔn)確零件號(hào)嗎？
優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商為每個(gè)客戶的預(yù)期用途提供仿真和與測(cè)量相關(guān)的數(shù)據(jù)，從而為他們提供更準(zhǔn)確的連接器對(duì)設(shè)計(jì)影響的評(píng)估，并增強(qiáng)他們?cè)诜抡鏀?shù)據(jù)中的置信度。
選擇連接器時(shí)的另一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是PCB端接選項(xiàng)。連接器通常有多種端接形式，包括（但不限于）表面安裝、壓接和通孔錫膏（PIH），每種形式都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。壓接端子結(jié)構(gòu)非常堅(jiān)固，可為PCB提供最大的保持力和連接性，但對(duì)高速應(yīng)用也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。從高密度壓合連接器發(fā)送信號(hào)可能需要高層數(shù)PCB，從而通過(guò)電鍍孔向上延伸得到最長(zhǎng)路徑，以到達(dá)連接器。鉆孔的細(xì)長(zhǎng)路徑和固定直徑可能會(huì)對(duì)較高頻率的信號(hào)產(chǎn)生明顯的不連續(xù)性，并可能阻礙高數(shù)據(jù)速率。
表面貼裝端接更適合高速設(shè)計(jì)，并連接器發(fā)射點(diǎn)的配接阻抗可獲得最大的靈活性。設(shè)計(jì)人員可以直接進(jìn)入連接器的焊盤(pán)或使用選擇的鉆孔來(lái)提供通過(guò)PCB的路徑。此外，導(dǎo)通孔可以埋入PCB內(nèi)，或反向鉆孔以減少未使用的通孔殘端，并改善壓接端接方式的頻率響應(yīng)。這種端接方法為高頻設(shè)計(jì)提供了最大的好處，但不一定是穩(wěn)健的。表面貼裝連接器通常需要一些額外的加固件，例如安裝硬件，以確保與PCB的牢固連接。
PIH端接是前兩種風(fēng)格之間的混合。與壓接類似，PIH端子具有較短的非壓接插針——插入鍍通孔足跡并焊接到位。主要區(qū)別在于它的插針短得多，可以對(duì)鉆孔進(jìn)行反鉆以去除信號(hào)上多余的殘端。這種高密度連接器要做入PCB仍然存在挑戰(zhàn)。選擇供應(yīng)商提供這些短至10mm的插針，可以提供改進(jìn)的高頻響應(yīng)和與PCB的堅(jiān)固連接。在從PCB轉(zhuǎn)換到連接器時(shí)，每種端接類型都存在一些信號(hào)阻抗不連續(xù)性，并且每種端接類型都使得設(shè)計(jì)人員能夠改變自由度以最小化不連續(xù)性對(duì)信號(hào)完整性的影響。
選擇用于高速設(shè)計(jì)的連接器時(shí)，考慮接觸配接連接器的方式也很重要。有幾種配接接觸的方法，每種方法都有其獨(dú)特的一系列優(yōu)點(diǎn)和局限，從而影響整體設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性。邊緣安裝連接器是一種流行的配接接觸方法。這些連接器具有可沿PCB焊盤(pán)滑動(dòng)的彈簧指，可以在單一點(diǎn)處進(jìn)行電氣接觸，從而使信號(hào)的間斷性最小，但在高沖擊和振動(dòng)應(yīng)用中可能有害（或需要額外的保持方法）。許多MSA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)（例如SFP、SFP +和QSFP）都使用這種類型的電氣接口。
壓接連接更加廣泛地用于堅(jiān)固的應(yīng)用中。這個(gè)相當(dāng)基本的系統(tǒng)由一個(gè)帶插座的母頭和一個(gè)帶彈簧插針的公頭組成。這種配接類別有兩個(gè)或兩個(gè)以上的接觸點(diǎn)，與邊緣安裝配接系統(tǒng)提供的單點(diǎn)接觸相比，可以提供多種優(yōu)勢(shì)。特別為高可靠性、高速度產(chǎn)品設(shè)計(jì)，圖1所示的多個(gè)接觸點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)較低的接觸電阻和信號(hào)電感，以及可靠耐用的連接，可承受極端振動(dòng)。但是，插針和插座觸點(diǎn)可能比邊緣接觸長(zhǎng)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)出現(xiàn)較大的不連續(xù)點(diǎn)。因此，研究制造商提供的s參數(shù)和阻抗圖是至關(guān)重要的。
圖1：Airborn的verSI®壓接插針和插座連接器可在極端振動(dòng)的高速應(yīng)用中提供堅(jiān)固可靠的低電感連接。
另外，在速度設(shè)計(jì)方面，重要的是要考慮相對(duì)于占地面積的吞吐量。圖2比較了兩個(gè)基本系統(tǒng)：一個(gè)采用25G /通道QSFP連接器，另一個(gè)采用10G /通道HD4連接器。由此產(chǎn)生的輸出（4320Gbps與3600Gbps）表明，通過(guò)連接器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的卓越密度，在相同托架系統(tǒng)中，與更高速度的25G QSFP連接器相比，10G HD4連接器可以產(chǎn)生更高的數(shù)據(jù)吞吐量，從而節(jié)省組件和能源成本，并且甚至數(shù)據(jù)中心平方英尺更具潛力。
圖2：針對(duì)高密度設(shè)計(jì)的AirBorn 10GHD4®連接器可在同一托架系統(tǒng)內(nèi)提供比25G QSFP連接器更高的吞吐量，從而實(shí)現(xiàn)組件和能源成本節(jié)省。
最終，設(shè)計(jì)師需要從A點(diǎn)到B點(diǎn)獲得一個(gè)強(qiáng)大而不受干擾的信號(hào)，而正確的連接器是這段旅程的關(guān)鍵要素。畢竟，即使是最高速度的連接器如果經(jīng)歷間歇性打開(kāi)，也是不利的。最優(yōu)質(zhì)的供應(yīng)商提供多種連接器，以提供高速和高可靠性解決方案，端到端通道解決方案，與客戶密切合作以評(píng)估他們的個(gè)別需求，并以最小的信號(hào)衰減開(kāi)發(fā)最佳互連解決方案。設(shè)計(jì)師有多種連接器可供選擇，因此應(yīng)密切關(guān)注關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)并明智地選擇。
作者：Mill-Max Mfg公司產(chǎn)品工程經(jīng)理Stephen Capitelli
