使用緊密間距板對板連接器達到最佳化系統封裝

單板解決方案會將系統的所有電子元件放在一個成本可能較低的小型 PC 板上，因此能節省空間。若使用單板電腦 (SBC)，設計人員必須盡可能給電路板賦予更多的處理能力、功能與 I/O。但事實上，在工業、消費性與醫療應用中，許多時候單一電路板並非最佳解決方案，因此需要多個 PC 板。此時，板對板 (BTB) 連接器的重要性更加凸顯。

儘管可能需費盡全力設計系統的多個板件，但如果未善加考量正確的 BTB 連接器，可能會讓設計前功盡棄。不是前期出現外形尺寸或訊號完整性的問題，就是之後在現場出現使用上或濫用的問題。

本文將會探討推動 BTB 連接器需求的設計問題，以及設計人員在眾多 BTB 連接器中挑選時必須考量的因素。這些因素包括電路效能、生產需求、使用模式、修復的簡便性、訊號類型、連接器尺寸、觸點腳位數、無線射頻干擾 (RFI) 以及電磁干擾 (EMI) 等等。本文接著會以 Phoenix Contact 的 BTB 連接器解決方案為例，說明這些產品如何解決設計人員的板件連接性問題。

為何要使用 BTB 連接器？

目前至少有十種設計、生產和行銷情況，使用兩個或更多互連 PC 板會比使用單板更合理，情況如下：

1. 單一大板件做法的整體尺寸受到外型尺寸的限制，因此需要採取三維度配置以善用封裝上可用深度。
2. 不允許在高速、多雜訊的數位電路附近放置低位準、高靈敏度類比 I/O 或 RF 電路。
3. 有高電壓，且為了符合良好工程實務以及法規標準而需強制隔離。
4. 基於散熱考慮，需將較熱的元件另外放置，以改善散熱和熱管理。
5. 指定電路段可能會在產品的多個版本中使用或重複使用，例如核心處理板會搭配基本的多行使用者顯示器及按鈕，也可在不同型號的警報或感測器系統中搭配更複雜的圖形觸控螢幕。
6. 生產作業需要使用特殊的元件，例如需採用特殊製造／組裝流程或人工插入作業的電源裝置和散熱片，而其餘部分則可使用自動化插入與焊接作業。
7. 廠商期望升級系統中的某一個功能 (如處理器和記憶體)，但又不想更動類比功能，以確保技術可靠性並攤平成本。
8. 現場經驗表明，系統的某一個零件部分 (如朝向外部的 I/O) 較可能需要現場更換，而內部的核心功能 (如處理器和記憶體) 有較長的平均故障時間 (MTTF)。
9. 有些元件需要較厚的 PC 板材料和較厚的銅覆層，例如用於電源元件時。
10. 基於 EMI/RFI 的考量與顧慮，必須隔離不同的功能，甚至對部分電路進行 RF 屏蔽。

顯然，從設計、生產和支援的角度來看，挑選或堅持使用多個 PC 板更為合理。許多應用都有這種情況，包括工業控制系統、馬達控制、可編程控制器 (PLC)、警報與安全裝置、醫療系統 (如可攜式 X 光或超音波機器)，以及具有各種人機介面 (HMI) 的裝置 (圖 1)。

圖 1：對許多產品來說，使用一個或多個 PC 板很有幫助，甚至有其絕對必要性，因此就必須用到 BTB 連接器。但是，挑選連接器時必須謹慎。(圖片來源：Phoenix Contact)

如何挑選 BTB 連接器

決定使用兩個或更多連接的 PC 板後，設計人員必須挑選合適的 BTB 連接器。幾乎所有情況下，做這個決定都不只是為了找到具有正確基本規格的單一連接器對。明智的做法是先找出可與不同 BTB 選項完全相容的連接器系列，以免設計在一開始就受到選擇上的限制。

您可能會覺得，即便是粗略瀏覽一家綜合性廠商提供的連接器種類，選擇起來也讓人頭疼，但事實並非如此。若設計人員專注於優先重點、限制條件以及「必備」條件時，可選用的特定連接器通常就會變少。此外，連接器款式眾多意味著，即使需要在技術上做出取捨，設計人員也可找到能以最小折衷達到完美平衡的配對。

設計人員可使用複雜的電腦輔助設計 (CAD) 工具，針對可能的實體配置以及可能的 BTB 方向建立模型，包括夾層、母子板、共面以及透過帶狀纜線達到的不受限配置等 (圖 2)。不過，設計人員也不必立馬「轉用 CAD」，因為有一些較為簡單的技術，也能非常有效地進行初始評估並已成功獲得採用，例如可使用紙板模型來評估各種板件尺寸和配置。

圖 2：板對板連接可以有多種方向與配置，包括夾層、母子板、共面以及不受限制的帶狀纜線。(圖片來源：Phoenix Contact)

探索自由度

除了基本的方向外，眾多的連接器型號能讓設計人員享有更多的佈局與放置選項。例如，設計人員可選擇使用兩個較小的 BTB 連接器，各有較少的腳位數，而非一個具有較多腳位數的連接器。這樣做可簡化板件的佈局，有些訊號就不用穿越整個 PC 板長度。

例如，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 1.27 系列 (1.27 mm 間距) 就提供多種腳位選項，包括 12、16、20、26、32、40、50、68 及 80 個腳位。請注意：1.27 mm 等於 0.05 in，即 50 mil，這個間距十分常用。以此系列的兩個垂直母端連接器為例，一個是寬度為 21.6 mm 的 26 觸點 1714894，另一個是其他規格相同但寬度為 12.71 mm 的 12 觸點 1714891，其寬度稍稍超過 26 觸點版本的一半 (圖 3)。

在 PC 板的不同位置使用這兩個較小的連接器，會產生少許覆蓋區損失，但卻能減少 PC 板走線所需的空間並改善訊號的完整性，因此這個損失可忽略不計。同樣地，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列 (0.8 mm 間距) 包含一系列間距為 0.8 mm 的連接器，涵蓋 12 個腳位、長 9.58 mm 的 1043682 連接器插座一直延伸到 80 個腳位 (圖 4)。

圖 3：在 FINEPITCH 1.27 mm 系列中，最小的連接器是這款 1714891 產品，腳位數為 12 個，長軸寬度為 12.71 mm。(圖片來源：Phoenix Contact)

圖 4：Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列連接器採用 0.8 mm 間距。最小的連接器是 1043682，腳位數為 12 個，長度為 9.58 mm。(圖片來源：Phoenix Contact)

另一個問題則是連接器的高度。合適的高度可讓設計人員確保兩個對齊的平行板件能彼此配接並裝入外殼中，且每個板件都安裝在最佳位置。處理器板可以連接到產品外罩的背面，而另一個含有使用者顯示器與按鈕的板件，則可與前面板平齊放置。

因此，連接器具有相同的腳位數、長度與寬度，但有個主要的差異，就是高度。混用不同的高度，即可支援多種板際間距，稱為堆疊高度。例如，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 1.27 系列中的垂直母端連接器有 6.25 和 9.05 mm 兩種高度，而配接的垂直公端連接器則有 1.75 和 3.25 mm 兩種高度。

此外，非常重要的是，配接的對組具有 1.5 mm 的「擦拭長度」，同時將可靠的表面觸點擦拭長度維持在 0.9 mm。因此，板對板間距具有 8.0 至 13.8 mm 的連續非步進範圍 (圖 5)。Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列連接器採用類似的機制，但高度及擦拭長度與 FINEPITCH 1.27 系列有所不同，其支援 6 至 12 mm 的連續範圍。BTB 配接距離固有的靈活性也有另一個優點，即放寬生產時的組裝容差。

圖 5：由於 FINEPITCH 1.27 系列公端和母端連接器具有不同的高度以及較長的擦拭長度，實際的 BTB 堆疊高度可能介於 8.0 至 13.8 mm 之間。(圖片來源：Phoenix Contact)

支援 EMC 與 RF 需求

高密度、多觸點 BTB 連接器預期可支援遠超過功率與低頻訊號的頻寬，因此能大幅減少對多個離散纜線組件的需求 (離散纜線組件的每條纜線只能支援一個訊號)。連接器在 GHz 範圍的效能以及在這些頻率下維持訊號完整性的能力，都是非常重要的參數。同時，還要考量電磁相容性 (EMC)，確保連接器的高速訊號不會受到影響，也不會受到附近訊號的影響。

有些連接器系列採用獨特設計，可符合頻寬與 EMC 的要求。例如，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列支援高達 16 Gbit/s 的數據傳輸率，並在配接時提供多條連接器對連接器的屏蔽路徑 (圖 6)，因而可達到出色的 EMC 屬性 (圖 7)。

圖 6：FINEPITCH 0.8 系列可在配接時提供多條連接器對連接器屏蔽路徑，從而加強屏蔽效果。(圖片來源：Phoenix Contact)

圖 7：這張 FINEPITCH 0.8 系列連接器周圍的電場圖片顯示出屏蔽效能；深藍色代表電場強度介於 0 至 0.1 V/m，深紅色代表 1.0 V/m。(圖片來源：Phoenix Contact)

這些連接器可使用 S 參數來支援高傳真 RF 訊號路徑的模型建立，也有提供插入損耗、遠端串音 (FEXT) 的資料，可從接收器端進行量測，而近端串音 (NEXT) 則可在發射器端測得。

圖 8：FINEPITCH 0.8 系列等高數據傳輸率連接器可提供有關插入損耗 (左) 和近端串音 (達 10 GHz) (右) 的圖形。(圖片來源：Phoenix Contact)

深入探究

儘管連接器的功能看起來很簡單，但選擇合適的連接器系列還有其他考量。考量因素包括：

• 可相容於標準大量生產製程 (裝載與焊接)，因此連接器的整個主體需具有高共面性，通常需優於 0.1 mm。
• 即使觸點表面鍍層因重複插拔循環而磨損，也能保證高效能的插拔循環次數；500 次循環視為最佳效能。Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 系列經過 500 次循環後，仍可將接觸電阻保持在 20 mΩ 以下，而 FINEPITCH 1.27 系列則可保持在 25 mΩ 以下 (根據 IEC 60512-2-1:2002-02 要求)。
• 當兩個板件和連接器配接時，還有徑向與角度錯位的現實問題。

錯位的問題需要設計人員加以考量。在理想情況下，公端和母端連接器的中心線會完美置中，且彼此之間不會傾斜。由於這些細間距連接器的尺寸很小，似乎不允許出現這種不匹配的情況，但是優良的連接器設計可以接受兩個參數有一定的不匹配度。

FINEPITCH 0.8 和 FINEPITCH 1.27 系列的 ScaleX 技術對此現實情況的考量相當周全，提供一種外罩幾何形狀，不僅能在不匹配時避免觸點受損，還提供相應的容差補償，中心偏移為 ±0.7 mm，斜軸和縱軸上的傾斜容差分別為 ±2°/±4° (圖 9)。

圖 9：現實情況下，要完美對齊是不可能的，因此 FINEPITCH 0.8 mm 和 FINEPITCH 1.27 連接器容許傾斜和縱向角度錯位最多分別達 ±2°/±4°，並容許中心偏移徑向錯位最多達 0.7 mm。(圖片來源：Phoenix Contact)

看不到的地方也很重要

雖然連接器沒有積體電路的奈米製程尺寸，但連接器觸點的機械結構包含微型元件，並且具有嚴格容差，以及超薄的貴重和非貴重金屬鍍層，而連接器主體亦經過精密製模。有鑒於金屬觸點面積的大小以及這些觸點「埋入」外罩的方法，我們無法看到建立高度可靠接觸區背後的過程。

在此尺寸規模下，不僅需要精密的設計，還要能以微型元件的規模在大量製造下實作此設計。這就是採用 ScaleX 技術的 FINEPITCH 0.8 系列具有獨特雙觸點的原因。配接時，觸點 (公端元件與母端元件) 可在非常小的空間內達到防振連接。此外，這些觸點也有鷗翼型焊接引腳，是適合自動焊接流程的最佳選擇。

無法直接連接板件的情形

雖然直接放置和連接 BTB 是很吸引人的做法，但總有情況無法讓兩個或更多 PC 板直接透過 BTB 連接器進行配對及配接。可能的原因包括整體產品封裝的尺寸、板件的形狀、置放板件時的電氣與電子考量因素或是散熱問題。

為了應對這些情況，Phoenix Contact 的 FINEPITCH 1.27 系列還提供母端絕緣置換連接器 (IDC)，可搭配扁平纜線使用。使用這些撓性扁平帶狀纜線連接兩個 PC 板，能達到板件實體分隔，卻保有電氣連接，且板件之間不需要平行或彼此呈直角。與 BTB 連接器一樣，這些產品也具有完整的腳位範圍 (12 至 80 個)；Phoenix Contact 的 1714902 是一款 12 腳位的自由懸掛式連接器 (圖 10)。此外，亦提供面板安裝式型號。

圖 10：FINEPITCH 1.27 系列的 12 腳位 1714902 自由懸掛式連接器等 IDC，可在無法或不適合直接建立 BTB 接觸的配置中使用撓性纜線連接。(圖片來源：Phoenix Contact)

IDC BTB 配置所用的扁平纜線，也是精心設計的產品，具有 AWG 30 (0.06 mm²) 李茲線導體以及三種絕緣類型選擇，包括基本 PVC 型 (-10°C 至 +105°C)、高溫型 (-40°C 至 +125°C) 及無鹵素類型。有些安裝位置依照規範必須使用無鹵素類型，以抑制火焰，並形成「炭焦」塗層，藉此減少排放有毒的碳氣體以及會降低能見度的煙霧和碳粒子。

由於有五種不同的纜線方向與連接器配置 (圖 11)、九種支援 12 至 80 個腳位的連接器尺寸、從短至 5 cm (約 2 in) 到長至 95 cm (約 37.5 in) 的撓性纜線長度，以及三種可用的絕緣類型，因此這些選項的潛在排列組合超過 10,000 種。要將上述所有產品都納入庫存，這種做法不切實際，因此只能根據所需的連接器／纜線配對與配置，隨需製造這些 IDC 纜線組件。

圖 11：此圖顯示 IDC 纜線連接器的三種配置與方向 (共五種)，透過簡化的纜線佈線與置放，為設計人員提供最大的纜線置放靈活性與最少的限制。(圖片來源：Phoenix Contact)

結論

連接器和互連元件是實作完整設計的關鍵要素，必須事前就考慮清楚。使用多個 PC 板時，BTB 連接器可提供方便、可靠、高效能的技術，在各種配置中連接兩個或更多板件。

這些連接器的細微差異與複雜度往往被人低估，但如本文所述，精密設計的 BTB 連接器 (如 Phoenix Contact 的 FINEPITCH 0.8 和 FINEPITCH 1.27 系列)，不僅能提供高密度的互連和優異的機械效能，還可與生產製程及流程相容。其電氣效能亦符合現今複雜產品設計對數據傳輸率和 EMC 的要求。