ตัวเชื่อมต่อระหว่างบอร์ด: ประเภท คุณสมบัติ และวิธีการเลือกใช้

ตัวเชื่อมต่อระหว่างแผงวงจรอาจดูเหมือนเป็นรายการชิ้นส่วนที่ไม่สำคัญในรายการวัสดุ (BOM) แต่เป็นหนึ่งในสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของความล้มเหลวในการใช้งานจริงของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบเรียงซ้อน ได้แก่ การสัมผัสที่ไม่เสถียร ข้อต่อบัดกรีแตก และตัวเชื่อมต่อที่ไม่สามารถเชื่อมต่อกันได้หลังจากปิดฝาครอบ เหตุผลก็คือ ตัวเชื่อมต่อเป็นชิ้นส่วนเชิงกลที่ทำหน้าที่ทางไฟฟ้า และข้อกำหนดทั้งสองขัดแย้งกัน คู่มือนี้จะเจาะลึกถึงตระกูลตัวเชื่อมต่อ ข้อกำหนดที่สำคัญในการเลือกใช้ ความสมบูรณ์ของสัญญาณและกฎเชิงกลสำหรับงานออกแบบที่มีระยะห่างแคบและความเร็วสูง และรายละเอียดการประกอบที่จะตัดสินว่าผลิตภัณฑ์แบบเรียงซ้อนจะใช้งานได้จริงหรือไม่ รวมถึงกรณีที่การถอดตัวเชื่อมต่อออกทั้งหมดเป็นทางเลือกที่ชาญฉลาดที่สุด

ประเด็นต่างๆ ด้านล่างนี้มาจากสิ่งที่วิศวกรประกอบชิ้นส่วนของเราที่ Highleap Electronics ตรวจสอบเมื่อออกแบบให้มีการวางแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สองแผ่นขึ้นไปเข้าด้วยกันโดยใช้ขั้วต่อแผงวงจร

1. ตัวเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดคืออะไร? ประเภทและการใช้งาน

ตัวเชื่อมต่อแบบบอร์ดต่อบอร์ดสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและทางกลระหว่างแผงวงจรพิมพ์สองแผ่นโดยไม่ต้องใช้สายเคเบิลคั่นกลาง แผงวงจรหนึ่งมีส่วนหัว (ด้านขา) อีกแผงหนึ่งมีส่วนหัว (ด้านซ็อกเก็ต) และการเชื่อมต่อเข้าด้วยกันจะจัดเรียงหน้าสัมผัสหลายสิบหรือหลายร้อยจุดพร้อมกัน การเลือกใช้ประเภทของตัวเชื่อมต่อจะขึ้นอยู่กับทิศทางการวางตำแหน่งของแผงวงจรทั้งสองเป็นหลัก

ตัวเชื่อมต่อชั้นลอย (แบบขนาน / แบบเรียงซ้อน)

ตัวเชื่อมต่อแบบเมซซานีน (Mezzanine connector)คือการวางแผงวงจรสองแผ่นขนานกัน โดยมีระยะห่างระหว่างแผ่นเท่ากับความสูงของตัวเชื่อมต่อ นี่คือรูปแบบการใช้งานหลักสำหรับผลิตภัณฑ์ขนาดกะทัดรัด เช่น แผงวงจรย่อย โมดูล RF และเซ็นเซอร์ และชุดประกอบแบบแซนด์วิช ซึ่งพื้นที่แนวตั้งมีราคาถูกกว่าพื้นที่ของแผงวงจร ความสูงของแผงเป็นพารามิเตอร์สำคัญ เนื่องจากเป็นตัวกำหนดช่องว่างที่แน่นอนระหว่างแผงวงจร

รูปแบบมุมฉาก ขอบ และขอบไพ่

ขั้วต่อแบบมุมฉากเชื่อมต่อแผงวงจรสองแผงเข้าด้วยกันที่มุม 90° ซึ่งพบได้ทั่วไปในกรณีที่การ์ดเสริมเสียบเข้ากับเมนบอร์ด ในแนวตั้งฉาก ขั้วต่อ แบบขอบการ์ดพัฒนาไปอีกขั้นโดยใช้หน้าสัมผัสทองคำที่สลักไว้บนขอบแผงวงจรโดยตรง ทำให้ลดจำนวนขั้วต่อลงและลดต้นทุนได้

สายเคเบิลต่อกับแผงวงจรและสายไฟต่อกับแผงวงจรเป็นญาติกัน

คอนเนคเตอร์แบบ สายเคเบิลต่อบอร์ดและแบบสายไฟต่อบอร์ดมีความเกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิด โดยคอน เนคเตอร์เหล่านี้จะทำหน้าที่ต่อปลายสายเคเบิลหรือสายไฟแทนที่จะต่อเข้ากับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ตัวที่สอง พวกมันแก้ปัญหาที่แตกต่างกันออกไป นั่นคือการเชื่อมต่อแผงวงจรเข้ากับชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่หรือวางอยู่ในตำแหน่งอื่นภายในตัวเครื่อง และคอนเนคเตอร์ขนาดเล็ก เช่น คอนเนคเตอร์แผงวงจร 4 พินพบได้ทั่วไปในฮาร์ดแวร์สำหรับผู้บริโภคและอุตสาหกรรม หลักการเลือก (ระยะห่างระหว่างขา, กระแสไฟฟ้า, การยึดจับ, รอบการเชื่อมต่อ) นั้นเหมือนกันแม้ว่าด้านหนึ่งจะเป็นสายไฟ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมคอนเนคเตอร์แบบแผงวงจรต่อบอร์ดและชิ้นส่วนแบบสายเคเบิลต่อบอร์ดจึงมักถูกกำหนดคุณสมบัติจากตระกูลเดียวกัน

2. ข้อกำหนดเฉพาะของตัวเชื่อมต่อระหว่างบอร์ด

เอกสารข้อมูลจำเพาะของตัวเชื่อมต่อระบุพารามิเตอร์มากมายหลายสิบรายการ แต่มีเพียงไม่กี่รายการเท่านั้นที่ช่วยในการจำกัดตัวเลือกได้อย่างแท้จริง

ระยะห่างระหว่างเกลียวเป็นการแลกเปลี่ยนระหว่างพื้นที่กับความทนทาน

ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของหน้าสัมผัส (Pitch) มีตั้งแต่แบบหยาบ 2.54 มม. ไปจนถึงแบบละเอียด 0.4 มม. ระยะห่างที่ละเอียดกว่าจะทำให้มีหน้าสัมผัสมากขึ้นในพื้นที่ที่น้อยลง ซึ่งเป็นเหตุผลที่โทรศัพท์และอุปกรณ์สวมใส่ใช้ระยะห่างแบบนี้ แต่ก็ทนต่อการวางตำแหน่งที่ไม่ตรงกันได้น้อยกว่า เสียหายได้ง่ายกว่าจากการใช้งานที่ไม่ระมัดระวัง และต้องจัดวางให้แน่นขึ้นระหว่างการประกอบ เลือกใช้ระยะห่างที่หยาบที่สุดเท่าที่พื้นที่ของคุณจะเอื้ออำนวย ไม่ใช่ระยะห่างที่ละเอียดที่สุดที่คุณหาได้

กระแสไฟฟ้า การลดพิกัด และความต้านทานการสัมผัส

แต่ละหน้าสัมผัสมีพิกัดกระแส แต่โดยปกติแล้วตัวเลขนั้นจะระบุไว้ที่อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นตามที่กำหนด และสำหรับหน้าสัมผัสเดียวที่แยกออกมา สำหรับรางจ่ายไฟ วิธีปฏิบัติมาตรฐานคือการต่อหน้าสัมผัสหลายๆ หน้าสัมผัสแบบขนานและลดพิกัดกระแสลงเมื่ออุณหภูมิแวดล้อมสูงขึ้น เนื่องจากพิกัดกระแสมีไว้เพื่อจำกัดความร้อนที่เกิดขึ้นเองความต้านทานของหน้าสัมผัส ที่ต่ำและคงที่ — เพียงไม่กี่มิลลิโอห์ม ซึ่งเกิดจากการชุบทองบนนิกเกิล — คือสิ่งที่ช่วยควบคุมความร้อนและป้องกันแรงดันตกที่เกิดขึ้นกับหน้าสัมผัสที่สึกหรอหรือปนเปื้อน

3. ความสมบูรณ์ของสัญญาณและการออกแบบทางกล

ตัวเชื่อมต่อเป็นส่วนประกอบที่อยู่ระหว่างกลไกและอิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นจึงต้องคำนึงถึงความต้องการที่แตกต่างกันสองอย่างพร้อมกัน

การจัดแนว การลอยตัว ความคลาดเคลื่อน และการกำหนดตำแหน่ง

แผ่นวงจรสองแผ่นที่เชื่อมต่อกันด้วยคอนเนคเตอร์จะต้องจัดเรียงให้ตรงกันภายในค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ ของคอนเนคเตอร์ ซึ่งชิ้นส่วนที่มีระยะห่างของขาละเอียดอาจระบุไว้ที่เศษส่วนของมิลลิเมตร บางรุ่นเพิ่มระยะลอยตัวหรือส่วนนำที่ปรับแนวได้เองเพื่อชดเชยความแปรผันระหว่างแผ่นวงจร ขนาดของแผ่นวงจร รูยึด และตัวรองรับจะต้องสอดคล้องกับค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้นี้ ไม่ใช่แค่คอนเนคเตอร์เพียงอย่างเดียวการกำหนดขั้วและการกำหนดร่องจะป้องกันไม่ให้ผู้ใช้งานเชื่อมต่อคอนเนคเตอร์แบบเยื้องศูนย์หรือกลับด้าน และการประกอบแบบมองไม่เห็นในขณะที่ปิดฝาครอบควรเลือกใช้ค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้และส่วนนำที่มีการลบมุมที่ชัดเจน

สัญญาณความเร็วสูงทำให้ตัวเชื่อมต่อเป็นส่วนหนึ่งของช่องสัญญาณ

สำหรับระบบดิจิทัลหรือ RF ความเร็วสูง ตัวเชื่อมต่อเป็นส่วนหนึ่งของสายส่งสัญญาณ เมื่ออัตราการเปลี่ยนแปลงสัญญาณเร็วขึ้น ตัวเชื่อมต่อทั่วไปจะกลายเป็นจุดที่ไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ ซึ่งสะท้อนพลังงาน เพิ่มสัญญาณรบกวน และแผ่รังสี การออกแบบความเร็วสูงใช้ตัวเชื่อมต่อที่ควบคุมอิมพีแดนซ์ โดยมีการกำหนดกราวด์รีเทิร์นและอัตราส่วนการสัมผัสกราวด์ต่อสัญญาณที่เหมาะสม และการส่งสัญญาณจากแผงวงจรไปยังตัวเชื่อมต่อต้องรักษาอิมพีแดนซ์ที่ควบคุมได้ตลอดช่วงการเปลี่ยนผ่าน การละเลยสิ่งนี้จะทำให้การออกแบบแผงวงจรที่เรียบร้อยกลายเป็นจุดเชื่อมต่อที่ไม่สมบูรณ์ตรงตัวเชื่อมต่อ

4. การประกอบตัวเชื่อมต่อระหว่างบอร์ด ความน่าเชื่อถือ และทางเลือกอื่นๆ

ปัญหาการเชื่อมต่อระหว่างแผงวงจรส่วนใหญ่ไม่ได้เกิดจากตัวตัวเชื่อมต่อเอง แต่เป็นปัญหาด้านการประกอบและการออกแบบทางกลที่ตัวเชื่อมต่อเพียงแต่ทำให้ปัญหาเหล่านั้นปรากฏชัดเจนขึ้น

ความเรียบระนาบ การคงไว้ และการแก้ไขใหม่

คอนเน็กเตอร์แบบบอร์ดต่อบอร์ดส่วนใหญ่เป็นแบบติดตั้งบนพื้นผิว (Surface-mount หรือ SMT) ซึ่งมีขาเล็กๆ จำนวนมากที่ต้องสัมผัสกับแผ่นรองรับ (pad) ทุกขา หากตัวคอนเน็กเตอร์บิดเบี้ยวเล็กน้อย หรือแผงวงจรไม่เรียบ จะทำให้ขาบางส่วนไม่สัมผัสกับแผ่นรองรับและเกิดการขาดตอน นี่คือเหตุผลที่ความแม่นยำในการวางตำแหน่งและการควบคุมการหลอมละลายมีความสำคัญมากในระหว่างการประกอบ SMTและเป็นเหตุผลที่ต้องตรวจสอบความเรียบของพื้นผิวในขั้นตอนการตรวจสอบ แรงทางกลจากการเสียบ การสั่นสะเทือน และการงอของแผงวงจรจะส่งผลต่อข้อต่อบัดกรี ดังนั้นคอนเน็กเตอร์ที่มีตัวล็อคแผงวงจร ตัวยึด หรือเสาสำหรับยึดแบบทะลุรูจึงมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าคอนเน็กเตอร์ที่ยึดด้วยแผ่นรองรับสัญญาณเพียงอย่างเดียว ควรเลือกอัตราการใช้งานให้เหมาะสมกับความถี่ในการเปิดผลิตภัณฑ์ และรักษาความสะอาดของหน้าสัมผัส คราบฟลักซ์หรือเศษสิ่งสกปรกจะเพิ่มความต้านทานและทำให้เกิดการทำงานไม่ต่อเนื่อง

เมื่อตัวเชื่อมต่อไม่ใช่คำตอบที่ถูกต้อง

บางครั้ง การเชื่อมต่อที่น่าเชื่อถือที่สุดก็คือการไม่ใช้ตัวเชื่อมต่อเลย หากไม่จำเป็นต้องแยกแผงวงจรสองแผ่นออกจากกัน ตัวเชื่อมต่อจะเพิ่มต้นทุน ความสูง และจุดที่อาจเกิดความเสียหายโดยไม่มีประโยชน์ ทางเลือกที่นิยมใช้กันคือ แผงวงจร แบบแข็ง-ยืดหยุ่นหรือแผงวงจรแบบยืดหยุ่น ซึ่งทำให้ส่วนแข็งสองส่วนกลายเป็นแผงวงจรต่อเนื่องแผ่นเดียวที่เชื่อมต่อกันด้วยส่วนที่ยืดหยุ่นได้ ช่วยขจัดส่วนเชื่อมต่อ ความต้านทานการสัมผัส และการสึกหรอของข้อต่อบัดกรี — ดูภาพรวมของเราเกี่ยวกับแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นและแบบแข็ง-ยืดหยุ่นสำหรับการเชื่อมต่อระยะสั้นและคงที่ระหว่างแผงวงจรที่อยู่ติดกันการชุบขอบแบบมีร่องช่วยให้สามารถบัดกรีแผงวงจรหนึ่งเข้ากับอีกแผงหนึ่งได้โดยตรงเหมือนโมดูล สำหรับผลิตภัณฑ์ขนาดกะทัดรัด ไวต่อการสั่นสะเทือน หรือต้องการความน่าเชื่อถือสูง ทางเลือกเหล่านี้มักจะคุ้มค่าในระยะยาว

5. การประกอบตัวเชื่อมต่อและแผงวงจรแบบเรียงซ้อนที่ Highleap

การประกอบแผงวงจรแบบซ้อนและมีตัวเชื่อมต่อเป็นเรื่องปกติสำหรับเรา และรูปแบบความล้มเหลวสามารถคาดการณ์ได้ ซึ่งหมายความว่าสามารถป้องกันได้ เมื่อเราประกอบแผงวงจรด้วยตัวเชื่อมต่อแบบละเอียด เราจะรักษาความแม่นยำในการวางตำแหน่งและโปรไฟล์การหลอมเพื่อให้ทุกขาเชื่อมต่อกับแผ่นรองอย่างถูกต้อง ตรวจสอบความเรียบของระนาบในการตรวจสอบ และทำเครื่องหมายตัวเชื่อมต่อที่อาศัยแผ่นรองสัญญาณเท่านั้นในการยึด เพื่อให้สามารถยึดได้อย่างถูกต้อง ในกรณีที่การออกแบบมีการซ้อนแผงวงจร เรายังตรวจสอบให้แน่ใจว่าความสูงของการซ้อนที่เลือกและฮาร์ดแวร์ทางกลนั้นสอดคล้องกันก่อนที่จะเริ่มการผลิตครั้งแรก

หากผลิตภัณฑ์ของคุณเชื่อมต่อแผ่นวงจรสองแผ่นขึ้นไปเข้าด้วยกัน ไม่ว่าจะเป็นด้วยตัวเชื่อมต่อ ร่อง หรือโครงสร้างแบบยืดหยุ่นได้ โปรดส่งแบบมาให้เรา เราจะตรวจสอบการประกอบและความเสี่ยงทางกล จากนั้นจึงสร้างผลิตภัณฑ์เพื่อให้การเชื่อมต่อมีความทนทานต่อการขนส่ง การสั่นสะเทือน และการใช้งานภาคสนาม สำหรับแบบที่การใช้ตัวเชื่อมต่อเกินความจำเป็น เราสามารถผลิตโครงสร้างแบบยืดหยุ่นแทนได้

ตรวจสอบการออกแบบแผ่นไม้ซ้อนกันของฉัน

6. คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับตัวเชื่อมต่อระหว่างบอร์ด

ตัวเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดคืออะไร?

เป็นคอนเนคเตอร์ที่เชื่อมต่อแผ่นวงจรพิมพ์สองแผ่นเข้าด้วยกันโดยตรง โดยไม่ต้องใช้สายเคเบิล โดยการเชื่อมต่อหัวต่อบนแผ่นหนึ่งเข้ากับตัวรับบนอีกแผ่นหนึ่ง ใช้สำหรับซ้อนหรือเชื่อมต่อแผ่นวงจรในผลิตภัณฑ์ขนาดกะทัดรัด และกำหนดคุณสมบัติหลักๆ โดยระยะห่างระหว่างขา ความสูงของแผ่นซ้อน และพิกัดกระแสไฟฟ้า

คอนเนคเตอร์แบบบอร์ดต่อบอร์ดกับคอนเนคเตอร์แบบสายเคเบิลต่อบอร์ดแตกต่างกันอย่างไร?

คอนเนคเตอร์แบบบอร์ดต่อบอร์ดใช้สำหรับเชื่อมต่อกับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) อีกแผ่นหนึ่ง ในขณะที่คอนเนคเตอร์แบบสายเคเบิลต่อบอร์ดใช้สำหรับต่อปลายสายเคเบิลหรือสายไฟที่วิ่งอยู่ในส่วนอื่นของผลิตภัณฑ์ เกณฑ์การเลือกใช้ — ระยะห่างระหว่างขา กระแสไฟฟ้า ความสามารถในการยึดจับ และรอบการเชื่อมต่อ — เหมือนกัน แต่ด้านหนึ่งเป็นแผงวงจรและอีกด้านหนึ่งเป็นสายเคเบิล

ความสูงของชั้นลอยในช่องเชื่อมต่อชั้นลอยคือเท่าไร?

ความสูงของแผ่นวงจรคือช่องว่างระหว่างแผ่นวงจรคู่ขนานสองแผ่นที่ประกบกันแล้ว ซึ่งกำหนดโดยคู่หัวต่อและตัวรับที่คุณเลือก ความสูงนี้ต้องตรงกับโครงสร้างทางกลของแผ่นวงจร ดังนั้นจึงต้องเลือกความสูงร่วมกับระยะห่างจากแกนกลางและขนาดของกล่องหุ้ม ไม่ใช่เลือกแยกต่างหาก

ฉันจะเลือกเสียงสูงต่ำที่เหมาะสมได้อย่างไร?

เลือกขนาดระยะห่างระหว่างขาที่หยาบที่สุดเท่าที่พื้นที่ที่มีอยู่จะเอื้ออำนวย ระยะห่างที่ละเอียดกว่า (ลงไปถึง 0.4 มม.) จะมีจำนวนขาสัมผัสมากกว่าในพื้นที่ที่น้อยกว่า แต่จะทนต่อการเยื้องศูนย์ได้น้อยกว่า เสียหายได้ง่ายกว่า และต้องการการควบคุมการประกอบที่เข้มงวดกว่า ในขณะที่ระยะห่างที่หยาบกว่าจะมีความทนทานมากกว่า

ขั้วต่อระหว่างแผงวงจรสามารถรองรับกระแสไฟฟ้าได้มากแค่ไหน?

แต่ละหน้าสัมผัสจะมีพิกัดระบุไว้ที่อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นตามที่กำหนด โดยทั่วไปจะเป็นพิกัดสำหรับหน้าสัมผัสเดียว สำหรับรางจ่ายไฟ ควรต่อขนานหน้าสัมผัสหลายๆ หน้าสัมผัสและลดพิกัดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แทนที่จะพึ่งพาขาเดียวในการรับกระแสหลายแอมป์

เหตุใดตัวเชื่อมต่อระหว่างแผงวงจรจึงเสียหายตรงจุดบัดกรี?

โดยทั่วไปแล้ว ตัวเชื่อมต่อเหล่านี้จะติดตั้งบนพื้นผิวและมีขาเล็กๆ จำนวนมาก ดังนั้นหากตัวเชื่อมต่อบิดเบี้ยวหรือแผงวงจรไม่เรียบ ขาของตัวเชื่อมต่อจะหลุดออกจากแผ่นรอง และแรงทางกลจากการเชื่อมต่อ การสั่นสะเทือน และการงอ จะทำให้ข้อต่อแตก การเลือกใช้ตัวเชื่อมต่อที่มีคุณสมบัติในการยึดและทำให้แผงวงจรเรียบตลอดการประกอบจะช่วยป้องกันความล้มเหลวส่วนใหญ่ได้

ควรใช้ข้อต่อแบบแข็ง-อ่อนแทนข้อต่อแบบธรรมดาเมื่อใด?

เมื่อไม่จำเป็นต้องแยกแผงวงจรทั้งสองออกจากกัน วงจรแบบแข็ง-ยืดหยุ่นจะทำให้แผงวงจรทั้งสองเชื่อมต่อกันเป็นแผงวงจรเดียวต่อเนื่องกันด้วยส่วนที่ยืดหยุ่นได้ ซึ่งช่วยขจัดความต้านทานการสัมผัสของขั้วต่อ การสึกหรอจากการเชื่อมต่อ และจุดที่อาจเกิดความเสียหายจากรอยเชื่อมบัดกรี ซึ่งมีประโยชน์อย่างมากในผลิตภัณฑ์ขนาดกะทัดรัด ผลิตภัณฑ์ที่ไวต่อการสั่นสะเทือน หรือผลิตภัณฑ์ที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง