小型化已經使得多個連接器對齊變得更加困難，而追求最優的設計實踐和盡早地與連接器提供商交流有助于確保設計成功

作者：Kevin Meredith，Samtec公司產品工程師

印刷電路板（PCB板）制造商在提高可靠性和降低成本的同時，也面臨著增加密度、縮小占位面積、減少側面尺寸、管理熱流和提高數據速率等重大壓力。隨著他們不斷成功地消減這些壓力，一個有趣的挑戰出現在設計師們的面前，即在兩片PCB板之間去對齊多個已配對連接器組。

我們所需要的是清晰明確的準則，以在不犧牲系統性能、密度和可靠性的情況下，懂得如何應對這些對齊挑戰，同時滿足日益嚴格的預算和上市時間要求。

本文在描述先進的PCB和更可靠的高密度連接器之間可能遇到的沖突性要求之前，將更詳細地討論對齊的挑戰，從而可以通過使用設計最佳實踐高效地滿足這些要求。

小型化使連接器對齊變得困難

PCB板有許多可以改進的方向，包括密度、更高的數據速率、熱管理和可靠性。然而，伴隨著這些改進的是小型化這一趨勢在連接器的選擇和實現方面為設計師帶來的壓力，特別是將多個連接器配對到PCB板上。

就連接器而言，在過去25年中，小型化導致間距從0.100英寸（2.54毫米）下降到0.016英寸（0.40毫米）—— 也就是減小了六倍，因此需要更嚴格的公差。然而，更嚴格的公差本身并不是問題，問題在于標稱公差周圍的可變性：如果多個連接器變至標稱的任一極限，則更有可能出現一些問題。

采用單個配對連接器組的應用不會出現問題：因為沒有公差累加，夾層卡被假定是自由浮動的，并且連接器的整體和局部對齊功能將確保完美對齊（圖1，頂部） 。

圖1：使用單個配對連接器的應用（頂部）沒有堆疊公差，并且連接器的整體和局部對齊功能將確保完美對齊。多個連接器就會引入公差，這些公差會累加并導致對齊錯誤。 （圖片來源：Samtec Inc.）

但是，在相同的母夾層卡以任何方向和任何距離增加更多配對的連接器組，都將會引入一些累加的公差（圖2，底部）。這些公差對于PCB加工車間、電子制造服務以及PCB板中使用材料的屬性都特別重要。

為了說明這個問題，請考慮使用一個多夾層連接器系統（圖2）。該項組裝包括六個或更多組件：主板（A）、夾層卡（B）、母頭連接器＃1（C），與配對的公頭連接器＃1（D），母頭連接器＃2（E）與公頭連接器#2（F）配對。

圖2：設計人員需要考慮并說明包括PCB板在內的所有組件公差的原因。

（圖片來源：Samtec Inc.）

假如夾層連接器和足夠剛性的PCB板能夠精確地按照標稱條件被制造、加工和組裝，那么可以在兩個PCB板之間成功部署無限數量的連接器；事實上，公差和材料性能的可變性是限制性或決定性因素。在圖2所示的情況下，設計人員需要考慮并說明所有組件的公差，包括（A）和（B）兩個PCB板經常被忽略但相關的公差。

如何解決PCB板到連接器對齊的問題

某些PCB板的采購僅受嵌入在Gerber數據包中的規格所控制（圖3）。可以通過這些數據包來打造PCB板，而無需考慮機械公差。

圖3：某些PCB板的采購項目僅受嵌入在Gerber數據包中的規格所控制，這樣就可以在不考慮機械公差的情況下依據這些數據包來打造PCB板。而對于多連接器應用，此數據包需要隨附單獨的機械圖紙一起使用。

（圖片來源：Samtec Inc.）

對于多連接器應用來說，此數據包必須隨附單獨的機械圖紙，以指示原圖、鉆孔和布線公差。

至此，設計師需要做兩件事來幫助確保得到一個成功的結果。首先是要了解PCB板供應商和連接器供應商能提供哪些支持以確保對齊。第二是確保已進行系統級公差的研究，以確定由其設計產生的連接器對齊偏差。

回看圖2中由A至F組件組成的多連接器夾層卡系統，連接器供應商只能控制連接器的公差。一家好的供應商將會達到或超過已發布的性能規格，提出PCB板公差和加工建議，甚至會根據需要為推薦的PCB供應商和設備提供參考建議。

系統或產品設計人員應參考連接器的占位尺寸和產品規格。這些文檔中包含的對齊偏差規格應該與系統級公差研究的結果進行比較，以幫助確保相同板卡之間的多個連接器被成功使用。

只要不超過初始和最終的角度及線性的對齊偏差，連接器系統就能正常運行。這些對齊偏差值是通過考慮諸如絕緣體干擾、光束偏轉和接觸摩擦等因素來計算的。超過對齊偏差值可能會導致電路和/或絕緣體斷路或損壞。

雖然設計、組件公差、設備和制造能力等所有必要的信息對于設計師通常是唾手可得，但能夠與連接器制造商取得聯系是很重要的，以提供更具體的指導和對對齊偏差公差累積的驗證。

定位銷不適用于多連接器應用

一些連接器制造商提供可選的定位銷，它們通常位于連接器底部的相對側（圖4）。這些定位銷有助于手動放置，可用于幫助連接器在PCB板上確定方向，且對于單連接器應用來說，它們不會增加整體公差累積。

圖4：雖然定位銷對于手動放置和確定方向都非常有用，但對于多連接器應用來說，不建議使用它們，因為它們會對整體公差累積產生影響。

（圖片來源：Samtec Inc.）

但是，對于多連接器應用來說，我們不建議使用定位銷，因為它們會對整體公差的累積產生影響。如果仍然需要在PCB板上進行定向，一個更好的選擇是在PCB板上鉆一些過大的孔，然后采用機器放置連接器。

同樣，不建議使用卡具或銷釘來輔助連接器的放置。這些方法通常依賴于PCB上相對于原圖的鉆孔，但是該孔的位置公差通常較差，相對另一個連接器，這就降低了最終放置的連接器的總體精度。

對于多連接器應用，更好的方法是從焊盤（solder pad）陣列A中的位置A1開始對所有焊盤進行位置校準，然后在回流之前將連接器精確放置在焊盤上。

用緊固螺釘來固定PCB板

一些特別堅固的應用可能需要使用緊固螺釘來保護兩個PCB板。在這種情況下，螺釘應盡可能靠近連接器系統（圖5）。

圖5：如果要使用緊固螺釘，則應將它們放置在盡可能靠近連接器系統的位置。

（圖片來源：Samtec Inc.）

將它們放置在靠近的位置將使應力集中在連接器附近，并減小了不受支撐的PCB板跨度。跨度的增加會在PCB板中引起彎曲應力，這可能會對其他元器件，尤其是表面安裝的元器件產生不利影響。

連接器衍生的PCB板應力的另一個來源是裝載過程，其中大量的插入和拔出（I / O）會產生非常大的插入力/拔出力。這些力會導致PCB板過度性偏移，以致于需要額外的加強筋來支撐PCB板。非常重要的是一定要確認連接器的插入力和拔出力，它們在產品質檢測試報告中可以找到。（圖6）。

圖6：為避免超規范加載，設計人員應一直確認連接器的插入力和拔出力，它們在產品質檢測試報告中可以找到。

（圖片來源：Samtec Inc.）

結論

盡管小型化趨勢使其更具挑戰性，但通過使用最佳設計實踐，還是能夠在兩個PCB板上使用多連接器組。這些措施包括進行系統公差研究以確定連接器對齊偏差，然后遵循連接器提供商建議的占位尺寸和模具設計，并利用機器來安放元器件。

另外，建議在設計過程的早期就與連接器提供商密切合作，因為他們可以為連接器的類型和安放提供建議，并就如何最大程度地降低PCB和連接器的整體應力提供咨詢，以有助于確保設計成功。

關于作者：

Kevin Meredith在連接器行業擁有27年的設計和產業經驗。Kevin目前在Samtec有限公司（Samtec Inc.）擔任產品工程師，此前曾在3M和Robinson Nugent就職。他是一名機械工程師，畢業于路易斯維爾大學J.B. Speed工程學院。