Разработчики оборудования постоянно нуждаются в повышении плотности, уменьшении занимаемой площади, уменьшении размеров профилей, управлении температурой и обеспечении более высоких скоростей передачи данных при одновременном повышении надежности и снижении затрат. По мере того, как они продолжают успешно реагировать на эти требования, перед разработчиками встает интересная задача: согласование нескольких наборов сопряженных разъемов между двумя печатными платами.

Что необходимо, так это четкие рекомендации относительно того, как решить эти проблемы выравнивания без ущерба для производительности, плотности и надежности системы, одновременно укладываясь в постоянно сокращающиеся бюджеты и сроки выхода на рынок.

В этой статье подробно рассматривается проблема выравнивания, а затем описывается, как противоречащие друг другу требования, предъявляемые к печатным платам и более надежным разъемам высокой плотности, могут быть экономично удовлетворены с использованием передового опыта проектирования.

 

Миниатюризация затрудняет выравнивание разъема

 

Существует множество способов усложнения печатных плат, включая плотность, более высокие скорости передачи данных, управление температурным режимом и надежность. Тем не менее, наряду с этими улучшениями существует тенденция к миниатюризации, которая оказывает давление на разработчиков, когда речь идет о выборе и реализации разъемов, особенно в отношении сопряжения нескольких разъемов на печатных платах.

Применительно к соединителям миниатюризация привела к уменьшению шага с 0,100 дюйма (2,54 мм) до 0,016 дюйма (0,40 мм) за последние 25 лет — шестикратное уменьшение создает соответствующую потребность в более жестких допусках. Однако более жесткие допуски сами по себе не являются проблемой. Проблема заключается в изменчивости номинальных допусков: если несколько соединителей отличаются от номинального до крайнего значения, вероятность возникновения проблем возрастает.

Приложения с одним набором сопрягаемых разъемов не представляют проблемы: нет допусков для установки, предполагается, что мезонинная плата свободно располагается, а функции макро- и микровыравнивания разъема обеспечивают идеальное выравнивание и последующее сопряжение (рис. 1 , вверху).

Рис. 1. В приложениях с одинарным сопряженным соединителем (вверху) нет допусков на стек, а функции макро- и микровыравнивания соединителя обеспечат идеальное выравнивание. Несколько соединителей вводят допуски, которые складываются и приводят к ошибкам выравнивания

 

Однако добавление большего количества сопрягаемых наборов разъемов на одну и ту же материнскую мезонинную плату — в любом направлении и на любом расстоянии — приведет к возникновению нескольких допусков, которые будут суммироваться (Рис. 1, внизу).

Чтобы прояснить проблему, рассмотрим систему с несколькими мезонинными разъемами (Рис. 2). Сборка состоит из шести или более компонентов: материнская плата (A), мезонинная плата (B), гнездовой разъем № 1 (C), который сопрягается со штекерным разъемом № 1 (D), и гнездовой разъем № 2 (E), который соединяется со штекерным разъемом № 2 (F).

 

Рис. 2. Конструкторы должны учитывать допуски всех компонентов

Если бы мезонинные соединители и жесткие печатные платы были изготовлены, обработаны и собраны в точных номинальных условиях, то между двумя печатными платами можно было бы успешно разместить бесконечное количество соединителей. В действительности отклонения в пределах допуска и свойств материала становится ограничивающим или определяющим фактором. В случае с Рис. 1 проектировщики должны учитывать допуски всех компонентов, включая часто игнорируемые, но важные допуски двух печатных плат (A) и (B).

 

Как справиться с выравниванием разъема печатной платы

 

Некоторые закупки печатных плат контролируются только спецификациями, встроенными в пакет Gerber ( рис. 3 ). Из этих пакетов можно собирать печатные платы без учета механических допусков.

Рис. 3. Заказ печатных плат контролируются только спецификациями, встроенными в пакет Gerber, из которых можно создавать печатные платы без учета механических допусков. Приложения с несколькими разъемами требуют отдельных механических чертежей вместе с пакетом.

 

Для приложений с несколькими соединителями к этому пакету файлов должны прилагаться отдельные механические чертежи, которые определяют допуски на размещени элементов, сверление и фрезерование.

Именно в этот момент дизайнер должен сделать две вещи, чтобы обеспечить хороший результат. Во-первых, нужно понять, чего ожидать от поставщика печатных плат и поставщика соединителей, чтобы обеспечить хорошее сочленение разъемов. Во-вторых, необходимо провести исследование допусков на уровне системы, чтобы определить несоосность соединителей, вызванную их конструкцией.

Возвращаясь к системе мезонинных плат с несколькими соединителями на рис. 2, от A до F, поставщик соединителей может только контролировать допуски соединителей. Хороший поставщик будет стараться обеспечить заявленные допуски в спецификации или превосходить их, даст рекомендации по допуску и обработке печатных плат и даже предоставит рекомендации для поставщиков печатных плат.

Разработчики системы или продукта должны учитывать площадь разъема и технические характеристики продукта. Спецификации смещения, содержащиеся в этих документах, следует сравнивать с результатами исследования допусков в системе, чтобы гарантировать успешное использование нескольких разъемов на одной плате.

Соединительная система должна функционировать должным образом до тех пор, пока не будут превышены начальные и конечные угловые и линейные смещения. Значения рассогласования рассчитываются с учетом таких факторов, как деформация изолятора, отклонение осевой линии и износ контактов. Превышение значений несоосности может привести к обрыву или повреждению цепей и/или изоляторов.

Хотя конструкторы обычно имеют под рукой всю необходимую информацию о своей конструкции, допусках компонентов, оборудовании и производственных возможностях, важно иметь возможность обратиться к производителю соединителя за более конкретными рекомендациями и проверкой наборов допусков на несоосность.

 

Подходят ли установочные штифты?

 

Некоторые производители соединителей предлагают дополнительные направляющие штифты, обычно расположенные на противоположных сторонах нижней части соединителя (рис. 4). Эти контакты упрощают размещение вручную и могут использоваться для позиционирования разъема на печатной плате.

Однако для приложений с несколькими соединителями установочные штифты не рекомендуются, поскольку они вносят свой вклад в общий набор допусков. Если точное позиционирование на печатной плате все же желательна, лучшим вариантом будет просверлить в печатной плате отверстия увеличенного размера и установить разъемы на станке.

Рис. 4. Хотя штифты для совмещения полезны для ручного размещения, для приложений с несколькими разъемами они не рекомендуются, поскольку они влияют на общий допуск в конструкции

Точно так же не рекомендуется использовать приспособления или дюбели для облегчения размещения соединителя. Эти методологии часто основаны на просверленном отверстии в печатной плате относительно графического объекта, но позиционный допуск этого отверстия, как правило, плохой, что снижает общую точность окончательного размещения разъема относительно друг друга.

Лучшим подходом для приложений с несколькими разъемами является привязка всех контактных площадок от позиции A1 в массиве контактных площадок A, а затем тщательное размещение разъемов на контактных площадках перед оплавлением.

 

Крепление печатных плат с помощью домкратных винтов

 

В некоторых особенно тяжелых условиях может потребоваться использование прижимных винтов для крепления двух печатных плат. В таких случаях винты следует располагать как можно ближе к соединительной системе (Рис. 5).

Рис. 5. Если используются домкратные винты, их следует размещать как можно ближе к соединительной системе.

Размещение их близко позволит локализовать нагрузку в районе разъема и уменьшить неподдерживаемый пролет печатной платы. Это вызовет изгибающие напряжения в печатной плате, которые могут отрицательно сказаться на других компонентах, особенно на тех, которые монтируются на поверхности.

Еще одним источником нагрузки на печатную плату, связанной с разъемом, является нагрузка, при которой значительное количество входов и выходов (вводов/выводов) может создавать чрезвычайно большие усилия сопряжения и расцепления, что может вызвать чрезмерные деформации печатной платы до такой степени, что для поддержки печатных плат потребуются дополнительные элементы жесткости. Важно всегда обеспечивать усилие сопряжения и разъединения соединителя, как указано в отчетах о квалификационных испытаниях продукта (Рис. 6).

Рис. 6. Чтобы избежать чрезмерной нагрузки, проектировщики должны всегда обеспечивать усилия стыковки и разъединения соединителя в отчетах о квалификационных испытаниях продукта.

Несмотря на то, что тенденции миниатюризации усложнили задачу, по-прежнему можно использовать несколько наборов разъемов на двух печатных платах, используя передовой опыт проектирования. К ним относятся выполнение исследования допусков системы для определения смещения соединителя, соблюдение рекомендуемых поставщиком соединителей посадочных мест и рекомендаций по дизайну трафарета, а также машинное размещение компонентов.

Также рекомендуется тесно сотрудничать с поставщиками соединителей на ранних этапах процесса проектирования, поскольку они могут посоветовать типы соединителей и их размещение, а также дать рекомендации о том, как минимизировать общую нагрузку на печатную плату и соединители, чтобы обеспечить надежную работу изделия.

 

Источник: www.edn.com