如何確保板對板連接器符合高速汽車組裝及使用要求

汽車系統設計人員在連接器的挑選和應用上必須謹慎，這樣一來，即使具有極端環境溫度濕度或遭受污染及振動，連接器的實體與電氣效能依然可靠。汽車猶如「裝了輪子的電腦」，功能強大，要滿足並承受現今對汽車效能及可靠度的要求，變得越來越難。連接器必須能以幾 Gbit/s 的通訊速度，在更狹窄的空間裡處理更多的傳輸線，才能符合 10GBASE-T1 和 PCI Express 第 3 版 (PCIe 3.0) 等標準。

雪上加霜的是，汽車公司需達到非常高的產量，因此為了跟上需求，電子組裝公司需改用高速組裝機器。但要維持高生產率和良率，還要為了日後順利配接而需準確放置連接器，難度相當高。

兼具可靠實體與電氣效能的浮動觸點連接器，能克服這些挑戰；它能處理自動組裝時位置偏移或錯位的問題。

本文將介紹汽車連接器面臨的電氣訊號要求，以及實體應用與製造要求。接著將介紹 JAE Electronics 的浮動連接器，設計人員能運用該產品滿足這些要求，其中包括高速通訊標準的細節，以及如何適當挑選和運用連接器，並指引讀者如何針對高速汽車通訊協定來挑選連接器，例如 10GBASE-T1 和 PCI Express 第 3 版 (PCIe 3.0)。

淺談高速通訊協定

10GBASE-T1 是 10 GbE 標準系列之一，其乙太網路訊框傳輸速率為 10 Gbps。10GBASE-T1 是一種「車用乙太網路」解決方案，使用雙絞線纜線在長達 15 m 的距離內運作。10 Gbps 數據傳輸量是現今最快的汽車通訊標準，能支援自駕等應用。

PCIe 3.0 是另一種高速序列電腦擴充匯流排標準。提供的傳輸率高達 8 GTps。在「16 通道」高端實作中，8 GTps 相當於綜合數據傳輸率 126 Gbps。

該技術過去一直作為電腦的高速匯流排，現今鎖定於未來車輛的汽車應用，因為硬體設計能確保傳輸的數據封包抵達預定目的地。這能創造出十分可靠、適用於自駕的系統。

用於高速汽車通訊的連接器

高速通訊協定需要藉助優質的連接器。連接器不僅必須穩固可靠地連接，以確保極高的訊號完整性，還必須在長年生命週期中方便斷開及接回。還必須能在緊密的間距下容納多個引腳和插座，確保在緊湊的尺寸下完成多通道連接。

現今用於 10GBASE-T1 和 PCIe 3.0 等高速通訊協定的連接器系列，包括 JAE Electronics 的 MA01 系列。這些連接器的特點包括滾製表面觸點和雙點觸點結構，確保即使在振動、衝擊和極端溫度等典型汽車應用狀況下，也能安全地進行機械與電氣連接 (圖 1)。

圖 1：MA01 系列連接器具有雙點觸點連接器，有助於在衝擊和振動時保持電氣連續性。(圖片來源：JAE Electronics)

MA01 系列連接器提供各種堆疊高度，介於 8 至 30 mm 不等 (圖 2)，並能傳輸 10 GBASE-T1 和 PCIe 3.0 所需要的 8 Gbps 速度，非常適合汽車板對板數位控制單元等應用。這種連接器插入和移除時不太費力，並有鍵控功能，防止配接錯誤。這種連接器具有廣大的工作溫度範圍，介於 -40 至 125 °C。

圖 2：MA01 系列連接器的堆疊高度介於 8 至 30 mm。(圖片來源：JAE Electronics)

該系列其中一款為 MA01F030VABBR300。這是一款汽車級高速傳輸板對板連接器。主體尺寸為 20.925 x 8.8 x 12.3 mm，在 0.635 mm 的間距下提供 30 個腳位。觸點由銅合金製成，搭配 0.1 µm (最小) 鍍金層。此連接器的電氣規格為額定電流 0.5 A、額定電壓 50 VAC。插拔次數可達 100 次。

MA01F030VABBR300 用於和 MA01R030VABBR600 配接，為高速汽車應用形成板對板連接 (圖 3)。

圖 3：MA01F030VABBR300 (底部) 具有 30 個腳位，並與 MA01R030VABBR600 配接，為板對板高速連接提供穩固性與可靠性。(圖片來源：JAE Electronics)

克服組裝挑戰

要進行大量電子製造，需運用機器人組裝技術。但是，用於此應用的自動置放機器具有機械限制。這可能會導致元件的擺放存在容差。位置稍有誤差雖然很常見、對主動與被動元件來說也不是問題，但配接間距很小的多位式連接器時，卻可能造成問題。一般的連接器沒有扁平的表面，使得置放機器真空管嘴無法妥善扣緊，因此問題變得更嚴重。

引腳之間的間距一般小於 1 mm，因此配接連接器時，觸點變得更容易因錯位而受損。

為了克服這一點，JAE MA01F030VABBR300 採用浮動觸點技術，能朝 X 和 Y 向移動 ±0.5 mm。此浮動特點能修正自動化機械安裝期間造成的位置偏移或錯位。連接器隨附可拆式蓋子，讓置放機器真空管嘴能扣緊。此蓋還能防止大型碎屑在安裝連接器之前進入配接區域 (圖 4 和圖 5)。

圖 4：MA01F030VABBR300 是此 MA01 連接的下半部，其採用浮動觸點技術，能朝 X 和 Y 向移動 ±0.5 mm。組裝時若位置偏移或錯位，這能幫助修正。(圖片來源：JAE Electronics)

圖 5：MA01 系列隨附可拆式蓋子，使置放機器真空管嘴能妥善扣緊。(圖片來源：JAE Electronics)

板對板連接器 MA01R030VABBR600 的母端為剛性連接器，因為連接部分只有一側需要浮動，以顧及放置時的位置容差。

MA01 系列連接器還有一項能簡化組裝的特點，它能清楚呈現連接器與電路板交會的焊點。傳統連接器通常隱藏這些焊點，因此提高檢查的難度，使用時也可能失效 (圖 6)。

圖 6：MA01 系列側面安裝式連接器的設計，方便為連接器與電路板相接的焊點處，進行品質檢查。(圖片來源：JAE Electronics)

確保可靠配接

雖然 MA01 系列的浮動連接器技術，在補償位置誤差時很有用，但手動夾合連接器時，可能會出現更大的錯位。當固定連接器兩半的上下電路板「盲接」時，可能會發生這種錯位情形，導致精細的觸點很容易錯位。更糟的是，即使觸點在過程中受損，連接器也可能誤以為正確配接。X 和 Y 水平方向都可能出現這種錯位。

JAE 連接器含有導桿，即使配接時連接器 X 和 Y 向嚴重錯位，也不會錯誤連接。導桿鑄於連接器主體中，並將連接器兩半領至正確的嚙合位置 (圖 7、8、9)。

圖 7：X 向發生錯位時，JAE Electronics MA01 系列上的導桿會將連接器上半部領至垂直向。(圖片來源：JAE Electronics)

圖 8：在 Y 向上，導桿能避免過度錯位，以免損壞觸點。(圖片來源：JAE Electronics)

圖 9：當兩塊電路板相接，導致連接器盲接插入時，導桿會補償水平錯位，最多 1 mm。(圖片來源：JAE Electronics)

配接後，連接器的浮動觸點特性，使其能吸收衝擊和振動 (汽車應用經常如此)，而不會損壞觸點。

高速連接器的選擇

設計高速通訊系統是一項棘手的工作，甚至在設計人員考慮連接器的訊號完整性之前，相關電路板的佈局就必須考量許多因素，例如目標阻抗和高速差動訊號通道的佈線，以限制串音與損耗。但是，假設設計人員已經考量這些及其他關鍵設計因素，那麼連接器在系統的最終頻寬、原始數據傳輸量和訊號完整性方面能發揮重要的作用。

挑選高速連接器時，首先要檢查的是該通訊協定的最大頻寬。如果連接器無法處理此協定的運作頻率，設計能高速作業的系統幾乎無任何意義。有個方法很簡單，就是挑選已認證符合協定標準的連接器。這樣一來，設計人員就能確信連接器經過專門設計，確保最大的傳輸量與頻寬。

一個合規的連接器，也會為相關高速協定提供目標阻抗，一般為 50 Ω。連接器製造材料、板式安裝風格和尺寸等選擇因素也很重要，但對訊號完整性的影響較小。

雖然合規性認證能讓設計人員確信該連接器能勝任工作，但選中的連接器仍必須在測試電路板上測試，而且電路板的佈局必須和生產項目類似，或一模一樣。實際使用時可能會出現規格書未列出的訊號完整性問題，而單獨測試連接器時也可能不會發生此類問題。對原型組件進行試驗，能清楚指出訊號反射及／或失真問題。

要判斷連接器的訊號完整性，S 參數和眼圖是關鍵的量測項目。S 參數會指出頻域的訊號返回和插入損耗情形。為運作的電路測量 S 參數時，連接器應插上，之後將 S 參數與結果進行比較時應拆下連接器，以便評估它對訊號完整性的影響。

示波器產生的眼圖，是電路數位域效能的一種視覺化呈現。這是視覺化損耗、串音、符際干擾 (ISI) 和位元錯誤率的標準方法。測試時也一樣，連接器一次接上、一次拆下，以確定它對訊號完整性的影響。

結論

設計人員很難滿足汽車板對板連接器嚴苛的實體與電氣效能要求，又同時避免在高速自動組裝時因擺放不當和錯位容差而損壞連接器。設計人員能使用 JAE Electronics 的 MA01 系列連接器來克服挑戰。

如本文所示，MA01 連接器符合數 Gigabit 通訊協定，並提供穩固可靠、插入和斷開皆不太費力的解決方案。而且，連接器的設計過程也將快速組裝納入考量。可拆式護蓋、浮動連接器和導桿等特點，能在板式安裝和板對板盲接時提供更大的容差，不會錯位和損壞觸點。