淺談電子連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性

徐 祥

(安費(fèi)諾(常州)高端連接器有限公司上海分公司，上海閔行，201103)

1 引言

5G是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)(5th generation mobile networks)是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)。由于5G具備了前幾代通信技術(shù)所不具備的數(shù)據(jù)傳輸速度，所以5G通信技術(shù)商用以后，將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)拓展到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等更多領(lǐng)域。5G技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域深度融合，能夠更好的優(yōu)化資源，可使生產(chǎn)制造、供求關(guān)系更加精準(zhǔn)，減少不必要的浪費(fèi)。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，是通信技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)力，在前幾代通信技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，為了滿足不斷發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，傳輸速度更快的5G通信技術(shù)，成了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必然選擇。相比于前幾代通信技術(shù)，5G通信移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度更快，達(dá)到了10 Gbps(見(jiàn)表1)，這讓萬(wàn)物互聯(lián)成為可能。

表1 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度(單位：bps)

伴隨著通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，與通信技術(shù)相關(guān)的各個(gè)行業(yè)也在不斷的發(fā)展。對(duì)于連接器行業(yè)，應(yīng)用于通信設(shè)備里的背板連接器，其性能也在不斷的提高，為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的發(fā)展，連接器的傳輸速度也在不斷的提高，每一代連接器的傳輸速度都在不斷的增加，見(jiàn)表2。對(duì)應(yīng)于5G通信技術(shù)的要求，連接器的傳輸速度至少需要25Gbps。所以，背板連接器技術(shù)的發(fā)展，對(duì)5G通信技術(shù)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用，其性能的穩(wěn)定性直接影響到5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展。

表2 傳輸速度(單位：Gbps)

2 背板連接器簡(jiǎn)介

背板連接器(backplane connector)是用來(lái)連接單板(daughter card)和背板的一種連接器，單板和背板之間成90度垂直結(jié)構(gòu)。主要是傳遞高速差分信號(hào)(differential signal)或單端信號(hào)(single end signal)以及傳遞大電流，常用于集線器、交換機(jī)、路由器、服務(wù)器和存儲(chǔ)器。最常用的背板連接器有傳統(tǒng)的背板連接器、正交背板連接器以及線纜背板連接器。背板連接器最重要的性能指標(biāo)除了常規(guī)的機(jī)械性能以及耐環(huán)境性能指標(biāo)外，還包括特性阻抗(Characteristic Impedance)、串音雜訊(Crosstalk)、傳遞延遲(Propagation Delay)、偏移(Skew)、損耗(Insertion Loss/Return Loss)等信號(hào)完整性指標(biāo)。而保證背板連接器這幾個(gè)性能指標(biāo)能滿足設(shè)備傳輸高頻信號(hào)以及大電流的需求，背板連接器的結(jié)構(gòu)起到至為關(guān)鍵的作用。

背板連接器通常也是由塑料零件(工程塑料)、金屬零件(導(dǎo)體以及結(jié)構(gòu)件)、其他電子元器件通過(guò)特定的裝配過(guò)程組成，由于通信設(shè)備應(yīng)用環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜，有點(diǎn)應(yīng)用環(huán)境相當(dāng)惡劣，連接器任何失效，都有可能帶來(lái)很大的損失。所以說(shuō)，背板連接器的性能必須要相當(dāng)穩(wěn)定，而性能的穩(wěn)定性，很大程度上取決于連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是針對(duì)連接器產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。具體到背板連接器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體現(xiàn)在如何確保連接器的各個(gè)零件之間的裝配關(guān)系，以充分保證背板連接器最重要的性能指標(biāo)。

在連接器新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)連接器產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中最復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)，需要兼顧產(chǎn)品外形尺寸的要求和產(chǎn)品功能的要求，完成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。隨著電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，電子產(chǎn)品包括5G通信產(chǎn)品，對(duì)連接器的要求越來(lái)越高，在終端產(chǎn)品外形尺寸定好的前提下，連接器產(chǎn)品的外形尺寸也受到限制，所以連接器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也將變得更加挑戰(zhàn)。

4 本文所涉及背板連接器簡(jiǎn)介

本文所涉及的背板連接器是為客戶(hù)定制的一款公端連接器，應(yīng)用于客戶(hù)的5G通信設(shè)備，如集線器、交換機(jī)、路由器、服務(wù)器、存儲(chǔ)器?？蛻?hù)除了對(duì)信號(hào)完整性指標(biāo)、機(jī)械性能、環(huán)境性能等各項(xiàng)指標(biāo)提出一定的要求外，對(duì)產(chǎn)品的外形也提出了一定的要求，并且對(duì)尺寸的要求很苛刻。這就需要對(duì)連接器進(jìn)行高密度設(shè)計(jì)，使得單位面積內(nèi)盡可能多的容納更多的信號(hào)差分對(duì)。連接器產(chǎn)品外形尺寸如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品外形尺寸

在26.88mm×45.65mm的空間內(nèi)，需要容納96對(duì)差分對(duì)，并且還要布置一定數(shù)量的接地導(dǎo)體?？蛻?hù)對(duì)尺寸的限制，導(dǎo)致產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上的難度增加。所以說(shuō)，在保證一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提條件下，對(duì)塑膠材料的壁厚，以及金屬導(dǎo)體的材料厚度都想辦法控制到最小水平。本文所述的連接器涉及的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方面的研究點(diǎn)很多，在這里就以連接器的片式屏蔽片為例進(jìn)行闡述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，連接器爆炸圖如圖2所示。

圖2 連接器爆炸圖

4.1 片式屏蔽片功能說(shuō)明

如圖3所示，片式屏蔽片在本文所述的背板連接器中的位置，此背板連接器有橫向和縱向排列的信號(hào)差分對(duì)，片式屏蔽片布置在兩排橫向排列的差分對(duì)之間，對(duì)差分對(duì)起屏蔽的作用，用來(lái)防止電磁干擾。兩個(gè)屏蔽片之間的空間是用來(lái)與另外一個(gè)連接器上的差分對(duì)進(jìn)行相互配合的空間。

圖3 片式屏蔽片在產(chǎn)品中的位置

片式屏蔽片上的接觸點(diǎn)與連接器上的其他金屬接地零件接觸，將產(chǎn)品上的所有屏蔽片連接在一起，從而能夠更加有效防止電磁干擾的產(chǎn)生影響到高速信號(hào)的傳輸。

4.2 片式屏蔽片結(jié)構(gòu)說(shuō)明

如圖4所示，為片式屏蔽片的尺寸圖。片式屏蔽片是由銅帶經(jīng)過(guò)沖壓和電鍍加工后，提供給產(chǎn)品組裝使用。由于此連接器的外形尺寸的限制，所以對(duì)此片式屏蔽片的設(shè)計(jì)也有了一定的局限性，特別是片式屏蔽片的材料厚度不可能選得太厚，否則會(huì)影響到產(chǎn)品的外形尺寸。基于種種限制條件，最終片式屏蔽片的長(zhǎng)度和寬度分別達(dá)到42.3mm和6.95mm，長(zhǎng)度和寬度的比值達(dá)到6:1，由于長(zhǎng)度、寬度和厚度的限制，這樣設(shè)計(jì)必然會(huì)導(dǎo)致片式屏蔽片的剛性不足，而且片式屏蔽片在沖壓、電鍍后的卷帶包裝很容易產(chǎn)生變形。

圖4 片式屏蔽片尺寸圖

4.3 片式屏蔽片的功能實(shí)現(xiàn)

如圖5所示，為公端連接器和母端連接器相互配合的示意圖。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，連接器是分別壓接在不同印刷電路板上。其中，壓接公端連接器的印刷電路板是安裝在設(shè)備的機(jī)柜里面，壓接母端連接器的印刷電路板是由人工插入設(shè)備的機(jī)柜。這樣的應(yīng)用系統(tǒng)，必然會(huì)產(chǎn)生很大的系統(tǒng)累積公差，這對(duì)連接器的設(shè)計(jì)相當(dāng)有挑戰(zhàn)，對(duì)客戶(hù)的機(jī)柜設(shè)計(jì)也相當(dāng)有挑戰(zhàn)。實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常有發(fā)生因?yàn)閮蓧K印刷電路板對(duì)位不準(zhǔn)，而導(dǎo)致連接器被插壞的現(xiàn)象。

圖5 連接器相互配合的示意圖

針對(duì)本文所提到的連接器上的片式屏蔽片來(lái)說(shuō)，如果片式屏蔽片變形而用來(lái)組裝成連接器，當(dāng)這樣的連接器去和另外一個(gè)連接器進(jìn)行互配時(shí)，片式屏蔽片就會(huì)有被另外一個(gè)連接器給撞壞風(fēng)險(xiǎn)，從而使連接器的基本功能得不到保證，這種被撞壞的現(xiàn)象，在客戶(hù)早期的樣品測(cè)試過(guò)程中時(shí)有發(fā)生，如圖6所示。

圖6 片式屏蔽片撞壞異常

如圖7所示，公母連接器配合后橫切面圖。當(dāng)兩個(gè)連接器相互配合的過(guò)程中，片式屏蔽片會(huì)進(jìn)入母端連接器差分對(duì)組之間的狹小縫隙內(nèi)，片式屏蔽片上的觸點(diǎn)與母端連接器差分對(duì)組上的屏蔽片接觸，從而達(dá)到將母端連接器上的屏蔽片連接在一起。考慮到片式連接器的材料厚度和零件的公差以及連接器的組裝位置度，如果公端連接器的片式屏蔽片有變形的情形，母端連接器差分對(duì)組之間的狹小縫隙將不足以讓片式屏蔽片順利的進(jìn)入，所以片式屏蔽片在連接器相互配合時(shí)被損壞的現(xiàn)象就有可能發(fā)生。

圖7 公母連接器配合后橫切面圖

4.4 片式屏蔽片結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

綜合客戶(hù)的實(shí)際應(yīng)用，以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的局限性，在不能絕對(duì)保證片式屏蔽片的平面度以及其在產(chǎn)品中的位置精度的情況下，必須對(duì)片式屏蔽片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。在這樣的情形下，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行了深層次的檢討，采用了新的設(shè)計(jì)如圖8所示。設(shè)計(jì)變更前的屏蔽片上端為直線型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)變更后的屏蔽片上端為弧形設(shè)計(jì)。

圖8 設(shè)計(jì)變更前后對(duì)比

a) 片式屏蔽片結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案原理

圖9為片式屏蔽片裝配示意圖，在連接器裝配過(guò)程中，片式屏蔽片兩端會(huì)被限制在塑膠兩端狹長(zhǎng)形的槽中間，屏蔽片和塑膠槽之間的間隙很小，只有0.10mm，這樣的間隙足夠保證片式屏蔽片的兩端的位置度。片式屏蔽片兩端的位置度得到保證，也是設(shè)計(jì)變更后的屏蔽片能夠解決屏蔽片在連接器相互配合的過(guò)程中被撞壞的關(guān)鍵。

圖9 片式屏蔽片裝配示意圖

為了能夠更好的說(shuō)明設(shè)計(jì)變更后的片式屏蔽片解決問(wèn)題的原理，取公端母端連接器互配過(guò)程中某個(gè)狀態(tài)的剖視圖，來(lái)說(shuō)明在連接器互配過(guò)程中，片式屏蔽片和母端產(chǎn)品上的地片的位置關(guān)系。

如圖10所示，采用設(shè)計(jì)變更前片式屏蔽片連接器配合示意圖，由于母端連接器的地片的端部和公端連接器的片式屏蔽片的端部都是直線型的結(jié)構(gòu)。在虛線圈內(nèi)可以看到母端連接器的地片和公端連接器片式屏蔽片的相對(duì)位置關(guān)系。對(duì)于這樣的結(jié)構(gòu)，則需要公端連接器的片式屏蔽片端部同時(shí)進(jìn)入母端連接器差分對(duì)組之間的狹小縫隙，這樣才能保證連接器的各項(xiàng)性能得到保證。在這種狀況下，對(duì)片式屏蔽片的平面度和片式屏蔽片在連接器上的位置精度要求很高。當(dāng)出現(xiàn)片式屏蔽片變形，或者位置精度差的狀況時(shí)，片式屏蔽片都有被母端地片撞壞的可能。

圖10 采用設(shè)計(jì)變更前片式屏蔽片連接器配合示意圖

如圖11所示，采用設(shè)計(jì)變更后片式屏蔽片連接器配合示意圖，公端連接器的片式屏蔽片的端部是弧線型的結(jié)構(gòu)，母端連接器沒(méi)有做任何設(shè)計(jì)變更，在虛線圈內(nèi)可以看到母端連接器的地片和公端連接器片式屏蔽片的相對(duì)位置關(guān)系。對(duì)于這樣的結(jié)構(gòu)，由于片式屏蔽片在塑膠槽里的位置度能夠控制的很好，且屏蔽片的兩端直線段很短，變形也可以得到很好的控制，所以母端連接器差分對(duì)組之間的縫隙完全能夠包容片式屏蔽片兩端的位置偏差。公端產(chǎn)品和母端產(chǎn)品相互配合的時(shí)候，公端連接器的片式屏蔽片兩端會(huì)先進(jìn)入母端連接器差分對(duì)組之間的狹小縫隙，然后公端連接器片式屏蔽片的中間部分依次進(jìn)入母端連接器差分對(duì)組之間的狹小縫隙，公端連接器的片式屏蔽片進(jìn)入母端連接器差分對(duì)組之間的狹小縫隙是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，這樣即使是在片式屏蔽片變形，或者位置精度差的狀況下，都能順利保證連接器的相互配合，從而使連接器各項(xiàng)性能得到保證。

圖11 采用設(shè)計(jì)變更前片式屏蔽片連接器配合示意圖

5 應(yīng)用綜述

經(jīng)過(guò)理論上的論證，新的片式屏蔽片的設(shè)計(jì)得到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)和客戶(hù)的認(rèn)可，經(jīng)過(guò)對(duì)片式屏蔽片模具進(jìn)行設(shè)計(jì)變更后，采用新的片式屏蔽片在組裝成連接器，進(jìn)行內(nèi)部測(cè)試，得到預(yù)期的效果。送樣客戶(hù)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，片式屏蔽片被損壞的現(xiàn)象都沒(méi)有再發(fā)生。所以說(shuō)，新的片式屏蔽片的設(shè)計(jì)能夠很好的保證產(chǎn)品的基本功能。針對(duì)此結(jié)構(gòu)，申請(qǐng)實(shí)用新型專(zhuān)利，專(zhuān)利公開(kāi)號(hào) : CN211182700U。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著5G通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，必然會(huì)推動(dòng)背板連接器研發(fā)技術(shù)的發(fā)展。但通信設(shè)備的特殊應(yīng)用場(chǎng)合，也對(duì)連接器的可靠性提出嚴(yán)苛的要求，而連接器可靠性的保證則來(lái)自于連接器優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所以說(shuō)，在連接器設(shè)計(jì)之初，必須充分的了解客戶(hù)的需求，理解客戶(hù)的應(yīng)用場(chǎng)景，這樣才能在有好的設(shè)計(jì)思路的前提條件下，利用團(tuán)隊(duì)的智慧，用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案去保證連接器的基本性能。