Board-to-board connector: typen, specificaties en hoe u er een kiest

Een connector tussen printplaten lijkt misschien een onbeduidende regel op de materiaallijst, maar het is een van de meest voorkomende oorzaken van storingen in gestapelde elektronica: intermitterende contacten, gebarsten soldeerverbindingen en connectoren die niet meer aansluiten nadat de behuizing is gesloten. De reden hiervoor is dat een connector een mechanisch onderdeel is dat een elektrische functie vervult, en deze twee eisen staan ​​lijnrecht tegenover elkaar. Deze handleiding gaat diep in op de verschillende connectorfamilies, de specificaties die de selectie bepalen, de signaalintegriteit en mechanische regels voor ontwerpen met fijne pitch en hoge snelheden, en de montagedetails die bepalen of een product met gestapelde printplaten de testfase overleeft – inclusief de gevallen waarin het verstandiger is om de connector volledig te verwijderen.

De onderstaande punten zijn gebaseerd op de controles die onze assemblage-ingenieurs bij Highleap Electronics uitvoeren wanneer een ontwerp twee of meer printplaten met connectoren combineert.

1. Wat is een printplaatconnector? Soorten en toepassingen

Een board-to-board connector creëert een elektrische en mechanische verbinding tussen twee printplaten zonder tussenliggende kabel. De ene printplaat heeft de header (de pinzijde), de andere de contactdoos (de socketzijde), en door ze te koppelen worden tientallen of honderden contacten tegelijk uitgelijnd. De keuze voor een bepaalde connectorfamilie hangt voornamelijk af van de oriëntatie van de twee printplaten ten opzichte van elkaar.

Tussenverdieping (parallelle/stapelende) verbindingsstukken

Een mezzanineconnector stapelt twee printplaten parallel aan elkaar, gescheiden door de hoogte van de connector. Dit is de meest gebruikte configuratie voor compacte producten – dochterkaarten, RF- en sensormodules en sandwichassemblages – waar verticale ruimte goedkoper is dan printplaatoppervlak. De stapelhoogte is een bepalende parameter omdat deze de precieze afstand tussen de printplaten bepaalt.

Stijlen voor rechte hoeken, randen en kaartranden

Een haakse connector verbindt twee printplaten onder een hoek van 90°, wat vaak voorkomt wanneer een dochterkaart loodrecht op een moederbord wordt aangesloten. Card-edge connectoren gaan nog een stap verder door vergulde contactpunten te gebruiken die direct op de rand van de printplaat zijn geëtst, waardoor een connectorhelft en de bijbehorende kosten worden geëlimineerd.

Kabel-naar-printplaat en draad-naar-printplaat verwanten

Nauw verwant zijn kabel-naar-printplaat- en draad-naar-printplaatconnectoren, die een kabel of draad afsluiten in plaats van verbinding te maken met een tweede printplaat. Ze lossen een ander probleem op: het verbinden van een printplaat met iets dat beweegt of zich elders in de behuizing bevindt. Kleine versies zoals een 4-pins printplaatconnector zijn overal te vinden in consumenten- en industriële hardware. De selectielogica (steekafstand, stroomsterkte, retentie, koppelingscycli) is identiek, ook al is één kant een draad. Daarom worden printplaat-naar-printplaatconnectoren en kabel-naar-printplaatcomponenten vaak uit dezelfde productfamilie gespecificeerd.

2. Specificaties voor de printplaatconnector

Een specificatieblad van een connector bevat tientallen parameters, maar slechts een handvol daarvan maakt de keuze echt makkelijker.

Pitch is een afweging tussen ruimte en robuustheid.

De pitch (de afstand tussen de middelpunten van de contactpunten) varieert van grof (2.54 mm) tot fijn (0.4 mm). Een fijnere pitch zorgt ervoor dat er meer contactpunten op een kleiner oppervlak passen, vandaar dat telefoons en wearables deze pitch gebruiken. Het nadeel is echter dat een fijnere pitch minder goed bestand is tegen verkeerde uitlijning, sneller beschadigd raakt door onzorgvuldig gebruik en een nauwkeurigere plaatsing vereist tijdens de montage. Kies de grofste pitch die de beschikbare ruimte toelaat, niet de fijnste die je kunt vinden.

Stroomsterkte, vermogensreductie en contactweerstand

Elk contact heeft een stroomsterkte, maar die waarde wordt meestal opgegeven bij een bepaalde temperatuurstijging en voor een enkel contact in isolatie. Bij een voedingsrail is het gebruikelijk om meerdere contacten parallel te schakelen en de stroomsterkte te verlagen naarmate de omgevingstemperatuur stijgt, omdat de stroomsterkte bedoeld is om zelfverwarming te beperken. Een lage en stabiele contactweerstand – een paar milliohm, dankzij de vergulde nikkellaag – zorgt ervoor dat die verwarming onder controle blijft en voorkomt de spanningsval die optreedt bij versleten of vervuilde contacten.

3. Signaalintegriteit en mechanisch ontwerp

Een connector bevindt zich op het snijvlak van mechanica en elektronica, waardoor aan twee totaal verschillende eisen tegelijkertijd moet worden voldaan.

Uitlijning, speling, tolerantie en sleutelgaten

Twee printplaten die met een connector verbonden zijn, moeten binnen de tolerantie van de connector uitgelijnd kunnen worden . Bij componenten met een fijne pitch kan deze tolerantie een fractie van een millimeter bedragen. Sommige series hebben extra speling of zelfuitlijnende aanloopvlakken om variaties tussen de printplaten op te vangen. Deze tolerantie moet worden gerespecteerd door de afmetingen van de printplaat, de montagegaten en de afstandhouders – niet alleen door de connector. Polarisatie en sleuteling voorkomen dat een operator de connector scheef of omgekeerd aansluit. Bij een blindmontage, waarbij de connector niet zichtbaar is tijdens het sluiten van de behuizing, is een ruime tolerantie en een duidelijke afschuining van de aanloopvlakken aan te raden.

Hogesnelheidssignalen maken de connector onderdeel van het kanaal.

Bij snelle digitale of RF-verbindingen maakt de connector deel uit van de transmissielijn. Zodra de flankssnelheden hoog genoeg worden, vormt een gewone connector een impedantie-discontinuïteit die energie reflecteert, overspraak verhoogt en straling uitzendt. Ontwerpen voor hoge snelheden maken gebruik van impedantiegecontroleerde connectoren met gedefinieerde massa-aansluitingen en een adequate massa-signaal-contactverhouding. De overgang van de printplaat naar de connector moet een gecontroleerde impedantie behouden . Als dit wordt genegeerd, verandert een nette printplaatlay-out in een zwakke verbinding direct bij de connector.

4. Montage, betrouwbaarheid en alternatieven van de printplaatconnector

De meeste problemen met connectoren tussen printplaten zijn niet de schuld van de connector zelf, maar van de assemblage en het mechanisch ontwerp, die de connector slechts aan het licht brengt.

Coplanariteit, retentie en herwerking

De meeste printplaatconnectoren zijn SMD-connectoren (surface mount), met veel dunne contactpunten die allemaal contact moeten maken met de soldeerpunten. Een connectorbehuizing die licht vervormd is, of een printplaat die niet vlak is, zorgt ervoor dat contactpunten de soldeerpunten niet raken en er onderbrekingen ontstaan. Daarom zijn nauwkeurige plaatsing en reflow-controle zo belangrijk tijdens SMT-assemblage , en wordt coplanariteit tijdens de inspectie gecontroleerd. Mechanische spanning door het aansluiten, trillingen en buiging van de printplaat wordt doorgegeven aan de soldeerverbindingen. Daarom gaan connectoren met vergrendelingen, klemmen of doorsteekmontagepunten veel langer mee dan connectoren die alleen door hun signaalpads worden vastgehouden. Stem de levensduur van de connector af op hoe vaak het product wordt geopend en houd de contacten schoon. Fluxresten of ander vuil verhogen de weerstand en veroorzaken storingen.

Wanneer een connector niet de juiste oplossing is

Soms is de meest betrouwbare verbinding helemaal geen connector. Als twee printplaten nooit van elkaar gescheiden hoeven te worden, voegt een connector kosten, hoogte en een potentieel storingspunt toe zonder enig voordeel. Het gangbare alternatief is een rigid-flex of flex printplaat, waarbij de twee stijve delen één doorlopende printplaat vormen die met elkaar verbonden is door een flexibel deel. Dit elimineert de verbindingsinterface, de contactweerstand en de slijtage van de soldeerverbindingen – zie ons overzicht van flexibele en rigid-flex printplaten . Voor korte, vaste verbindingen tussen aangrenzende printplaten maakt gekartelde randplating het mogelijk om de ene printplaat direct op de andere te solderen, net als een module. Voor compacte, trillingsgevoelige of zeer betrouwbare producten verdienen deze alternatieven zichzelf vaak terug.

5. Connector- en gestapelde-printplaatassemblage bij Highleap

Gestapelde en van connectoren voorziene printplaten zijn voor ons routine, en de mogelijke storingen zijn voorspelbaar – wat betekent dat ze te voorkomen zijn. Wanneer we een printplaat assembleren met connectoren met een fijne pitch, bewaken we de plaatsingsnauwkeurigheid en het reflow-profiel zodat elke draad op de juiste pad terechtkomt, controleren we de coplanariteit tijdens de inspectie en markeren we connectoren die alleen op signaalpads vertrouwen voor bevestiging, zodat deze correct verankerd kunnen worden. Bij ontwerpen met gestapelde printplaten controleren we bovendien of de gekozen stapelhoogte en de mechanische hardware daadwerkelijk overeenkomen vóór de eerste assemblage.

Als uw product twee of meer printplaten verbindt – door middel van een connector, een verbindingsstuk of een stijf-flexibele verbinding – stuur ons dan het ontwerp. Wij beoordelen de montage- en mechanische risico's en bouwen de verbinding zodanig dat deze bestand is tegen hantering, trillingen en gebruik in het veld. Voor ontwerpen waarbij een connector overbodig is, kunnen we in plaats daarvan de stijf-flexibele variant produceren.

Review mijn ontwerp met gestapelde planken

6. Veelgestelde vragen over board-to-board connectoren

Wat is een board-to-board connector?

Het is een connector die twee printplaten rechtstreeks met elkaar verbindt, zonder kabel, door een connector op de ene printplaat te koppelen aan een contactdoos op de andere. Het wordt gebruikt om printplaten in compacte producten te stapelen of te verbinden en wordt hoofdzakelijk gedefinieerd door de pitch, de stapelhoogte en de stroomsterkte.

Wat is het verschil tussen een board-to-board-connector en een cable-to-board-connector?

Een board-to-board-connector verbindt een tweede printplaat; een cable-to-board-connector sluit een kabel of draad aan die elders in het product loopt. De selectiecriteria — pitch, stroomsterkte, retentie, aantal koppelingscycli — zijn hetzelfde, maar de ene kant is een printplaat en de andere een kabel.

Wat is de stapelhoogte in een tussenverdiepingsverbinding?

De stapelhoogte is de afstand tussen twee parallelle printplaten wanneer deze gekoppeld zijn, bepaald door de header-en-connectorcombinatie die u kiest. Deze moet overeenkomen met uw mechanische opbouw, dus wordt de stapelhoogte samen met de afstandhouders en de afmetingen van de behuizing gekozen, niet los daarvan.

Hoe kies ik de juiste toonhoogte?

Kies de grofste steek die de beschikbare ruimte toelaat. Fijnere steken (tot 0.4 mm) bevatten meer contactpunten op een kleiner oppervlak, maar tolereren minder uitlijningsfouten, zijn gevoeliger voor beschadiging en vereisen een nauwkeurigere montage; grovere steken zijn robuuster.

Hoeveel stroom kan een printplaatconnector transporteren?

Elk contact heeft een nominale waarde die wordt aangegeven bij een bepaalde temperatuurstijging, meestal voor één enkel contact. Voor voedingsrails is het beter om meerdere contacten parallel te schakelen en de nominale waarde te verlagen naarmate de temperatuur stijgt, in plaats van te vertrouwen op één pin om een ​​stroom van meerdere ampères te verwerken.

Waarom begeven de connectoren tussen printplaten het bij de soldeerverbindingen?

Ze zijn meestal SMD-componenten met veel dunne contactpunten, waardoor een kromgetrokken connector of een niet-vlakke printplaat contactpunten loskoppelt. Mechanische spanning door het aansluiten, trillingen en buiging kunnen vervolgens scheuren in de verbindingen veroorzaken. Door connectoren met een goede borging te kiezen en de printplaat tijdens de montage vlak te houden, worden de meeste storingen voorkomen.

Wanneer moet ik rigid-flex gebruiken in plaats van een connector?

Wanneer de twee printplaten nooit van elkaar gescheiden hoeven te worden. Een rigid-flex circuit maakt er één doorlopende printplaat van, verbonden door een flexibel gedeelte. Dit elimineert de contactweerstand van de connector, slijtage aan de verbinding en potentiële soldeerfouten – waardevol in compacte, trillingsgevoelige of zeer betrouwbare producten.