使用高速板對板連接器提升電路密度並改善效能

電子裝置逐漸縮小，數據傳輸率也不斷提升。對設計人員而言，這些趨勢要求在更小的空間內裝入更多電路，同時還要維持數據傳輸率、可靠度及訊號完整性。設計人員還必須處理散熱用的氣流以及實體隔離，以便將電磁干擾 (EMI) 降至最低。

提高電路密度有個常見的解決方案就是印刷電路板 (PCB) 堆疊。使用子板與夾層子板就可增加電路板面積，同時提供散熱與訊號隔離用的路徑。

本文將概略回顧設計人員在高速電路上遭遇的難題。接著會介紹板 Würth Elektronik 的板對板連接器，並說明如何用來提供可靠的訊號連接以及維持訊號完整性。

夾層板

夾層板的佈局含有兩張平行 PCB 且堆疊在一起，並透過板對板連接器進行連接 (圖 1 左)。

圖 1：多種夾層安裝的 PCB 範例 (左)；次要板可安裝在連接器上，或使用表面黏著或螺紋隔離柱 (右) 進行安裝。(圖片來源：Würth Elektronik)

這種兩張 PCB 的板對板排列方式可提供額外的實體空間給電路使用。可用來增加容積效率、達到互換性，或提供實體隔離，以增進氣流並降低 EMI。板對板連接器可達到板互連，且無需使用纜線。夾層板連接器提供多種堆疊高度，且會以此決定板與板之間的間距。上層電路板可由連接器支撐固定，或使用表面黏著或螺紋隔離柱固定，以提高抗振動和抗衝擊能力 (圖 1 右)。

訊號完整性的考量

訊號完整性是指訊號從一張電路板傳輸至另一張電路板時，出現失真或衰減的情況。其中某些效應，例如接觸電阻，其實與頻率無關，且可以輕易進行考量並加以修正。

但有兩個關鍵的訊號完整性參數則受頻率影響，即反射係數 (ρ) 與透射係數(t) (圖 2)。透射係數通常以分貝 (dB) 為單位的插入損耗來表示。反射係數 (回波損耗) 是由於阻抗值出現階躍時，數據訊號反射回來源端所引起。插入損耗可將傳輸路徑中的衰減進行量化。兩者皆會受到連接器阻抗 (Z_CAB) 與 PCB 線路阻抗 (Z_s) 之間的關係而影響。

圖 2：回波損耗與插入損耗取決於連接器阻抗相對於 PCB 線路阻抗的關係。(圖片來源：Würth Elektronik)

傳輸損耗會在訊號通過連接器時降低訊號振幅，且此損耗與路徑長度及連接器的幾何形狀成正比。有些能量亦可能因近端串音 (NEXT) 或遠端串音 (FEXT) 而損失。回波損耗與傳輸係數皆是受頻率影響的參數，取決於連接器阻抗 (以纜線建模) 與 PCB 傳輸線阻抗之間的差異，在本例中則假設為 50 Ω。反射係數與傳輸係數的定義如方程式所示。

圖 2 顯示出這些參數隨連接器 (纜線) 阻抗變化的情況。如果連接器的阻抗為 50 Ω，理論上反射損耗為零，傳輸係數為 100%，表示無損耗。如果連接器阻抗並非 50 Ω，參數會隨著與 50 Ω 的差異以及隨頻率而成比例變化。在連接器中，阻抗取決於使用的絕緣材料，以及接觸針腳的幾何形狀，包括其寬度、長度和間隔 (間距)。也會受到相鄰針腳的接線影響。

有兩種常見的接線配置可傳輸高速數據 (圖 3)：單端配置，數據訊號會參考接地；差動配置，有兩條輔助的訊號線；數據訊號的振幅為其電壓差異。差動訊號可用於降低兩條訊號線上的雜訊和干擾。一般來說，差動訊號會以最高數據傳輸率使用。數據訊號通常會與一或多道接地訊號配對，以減少對雜訊的拾取。

圖 3：這三種常見的訊號接線配置指出如何使用中介接地導線來減少對雜訊和干擾的拾取。(圖片來源：Würth Elektronik，經作者修改)

單端接線通常針對特性阻抗為 50 Ω 而設計，差動接線則針對 100 Ω 設計。連接器對電路板的針腳選擇會影響接地導線的效能。

從訊號完整性的角度來看，板對板連接器的設計必須支援指定的阻抗和數據傳輸率。

板對板連接器的範例

在高速數據應用中，有個良好的訊號連接器選擇就是 Würth Elektronik 的 WR-BTB 系列。這些表面黏著式板對板連接器，提供 40、80 或 100 針，間距為 0.80 mm，也有 64 針款式，間距則為 1.00 mm。1.00 mm 間距的 64 針連接器可符合 IEEE 1386 夾層連接器的要求。0.80 mm 間距的連接器具有極性設計，可避免反向配接。各種針腳數款式皆提供多種堆疊高度。

WR-BTB 的所有連接器均採用銅合金接點，有些甚至鍍金，接觸電阻為 50 mΩ 或更低，視針腳數而定。連接器的本體採用保證無鹵素塑料製成，因此可在不犧牲強度、電氣阻抗、PCB 組裝時的焊接溫度耐受性或防火等級的前提下，提升環保表現。工作溫度範圍皆為 -55 至 85°C。此外，更符合 RoHS 3 規範。

與 RF 連接器不同的是，WR-BTB 連接器沒有固定的特性阻抗；其阻抗取決於接點尺寸、基板的介電常數以及 PCB 的接線佈局等因素。WR-BTB 連接器的設計可在高速 PCB 系統中，針對 50 Ω 單端或 100 Ω 差動對傳輸線，將訊號反射降至最低。舉例而言，0.8 mm 和 1 mm 間距的連接器可相容於 PCIe 2.0 訊號或 USB 2.0 差動訊號，速率為 480 Mbits/s。

有個特定 WR-BTB 插頭／插座連接器對的例子是 658158303064 64 針腳插頭 (圖 4 左) 及其 658101003064 配接插座 (圖 4 右)。這些護套式 64 針腳連接器，間距為 1.00 mm，接點寬度為 0.3 mm。這些連接器的額定工作電壓為 100 V_AC，工作電流為 1000 mA。這些連接器的最大接觸電阻為 30 mΩ。兩款連接器均具備整合式表面黏著式板導軌，並含有拾放 (PnP) 夾具。可提供一個平整的表面，以便 PnP 機械的真空吸頭能拾取連接器而不破壞接點。

圖 4：64 針腳、1.0 mm 間距的插頭／插座對搭配夾具。(圖片來源：Würth Elektronik)

此產品系列中最高的可用針腳數為 100 針，例如 658855603100，0.80 mm 間距 100 針插頭就可配接 658807713100 插座。這些連接器的額定電壓為 50 VAC，且可承受最高 500 mA 的電流。最大接觸電阻為 50 mΩ。

堆疊高度的選擇取決於插頭與插座的特定組合。可用的堆疊高度取決於針腳數與間距 (圖 5)。

圖 5：堆疊高度可依據連接器的間距及引線數挑選。(圖片來源：Würth Elektronik，經作者修改)

若要瞭解搭配方式，658158303064 插頭與 658101003064 插座 (藍色標示) 的堆疊高度在 配接後為 14.75 mm。如果插座更換為 658105303064 (綠色標示)，堆疊高度為 9.75 mm。此 64 針 1.0 mm 連接器提供兩種插頭元件和三種插座，可選擇六種堆疊高度，從 7.75 到 14.75 mm。0.80 mm 間距的連接器可提供更多種堆疊高度。

相比之下，658855603100 0.80 mm 間距的 100 針插頭與 658807713100 插座配接後，則僅提供 10 mm 單一種堆疊高度。

應用

板對板連接器應用在眾多領域，包括消費性電子、車用系統、工業自動化、醫療裝置等。

在下列情況中，可使用夾層板搭配板對板連接器：

• 子組件需要增進氣流和實體散熱空間
• 為了在多個產品型號中共用子組件，以降低成本
• 為了簡化組裝流程，允許兩張電路板先分別組裝，然後再進行連接
• 為了達到設計靈活性，允許 PCB 斷開後重新連接
• 針對專用電路，例如無線射頻 (RF) 或高壓 (HV) 電源供應器，可作為夾層子組件進行隔離
• 為了方便升級電路板

夾層板搭配板對板連接器可促成眾多功能，以上僅列舉一些。

環境與安全認證

WR-BTB 連接器已獲得其適用之常見環境與安全標準的認證或符合相關要求 (圖 6)。

認證：

圖 6：WR-BTB 的環境與安全認證。(圖片來源：Würth Elektronik)

結論

Würth Elektronik 的板對板連接器在夾層配置下，可增進電子裝置的容積效率、訊號完整性及可靠性。還可提供更高效率的氣流以利散熱、增進電磁隔離度，並可簡化組裝。