De tre hovedformål med PCB-stik er:
1. PCB-sammenkobling: stiv (eller fleksibel) forbindelse mellem to PCB'er
2. PCB-kabelforbindelse: samlet kabelforbindelse til eksternt perifert udstyr
3. PCB programmering / fejlfinding forbindelse: stik (eller testpunkt array), der anvendes til fejlfinding eller programmering, der normalt anvendes til ting som mikrocontrollere eller felt programmerbare gate arrays (FPGA'er)
I disse tre typer PCB-forbindelser vil alle former for forbindelser og funktioner variere afhængigt af applikationen. For det første er der to hovedmetoder til montering af stikket til PRINT: overflademontering og gennemhul. Selvfølgelig er der mange overflademonteringsmetoder, men til alle formål kan stikket monteres gennem pin vias eller pin pads. Dette bringer os til nogle indledende kompromiser, der bør overvejes i designprocessen.
Kompromiser at overveje, når de designer
Montering af stik gennem gennem huller giver mange fordele, men den største fordel er normalt at styrke den mekaniske forbindelse. Dette skyldes, at stifter / fører passerer gennem PRINT og er normalt loddet til toppen og bunden lag. Afhængigt af applikationen kan dette være meget vigtigt, især hvor pålidelighed og sikkerhed er altafgørende. Hvis det er enkelt og nemt at bruge og har en hyppig brugscyklus, vil gennemhulsforbindelsen helt sikkert give højere pålidelighed, og muligheden for skade på enheden vil falde over tid. En anden stor fordel ved gennemgående hul komponenter er, at det lettere kan undersøges og omarbejdes til prototyper eller reparation.
På den anden side kan overflademonteringsforbindelser i høj grad spare plads på kredsløbet (fordi komponenten kun loddes til et lag), og afhængigt af applikationen kan det også spare produktions- og montageomkostninger. Mange stik har justeringsstolper, men kræver ikke lodning. På samme måde kan overflademonteringsstik ofte omfatte højere pin count-tætheder, hvilket igen kan hjælpe med at pakke flere signaler ind i et mindre område og spare værdifuld plads på brættet, se Figur 1.
Figur 1: Gennem hulforbindelser (venstre) og overflademontering (højre) på PCB
Da besparelse af printkortplads og optimering af tæthed/volumen er almindelige drivkræfter for produktudvikling, omfatter mange designs flere stive eller fleksible sammenkoblede kredsløbskort. Denne metode sparer ikke kun bordplads, men sparer også flere omkostninger. Hvis et design f.eks. indeholder en BGA-processor (256-benet kuglematrix), der kræver mere end 10 lag (hvilket i høj grad øger produktionsomkostningerne for PRINT), men det skal interagere med mange eksterne enheder/stik (kræver muligvis kun to lag- eller firelags) forbindelsesgrænseflade, Måden at spare plads og omkostninger på er at opdele dem i to PCB'er: en mindre integreret PCB med mere end 10 lag og en anden sekundær PCB med kun fire lag og de fleste perifere komponenter (f.eks. stik). Generelt bruges en high-density, high-pin-count board-to-board-forbindelse til at montere "MCU PCB" på "backplane PCB".
Hvis ting som skærme og knapper kræver mange satellit-PCB'er, kan fleksible forbindelser bruges. Ofte omtalt som et flexkabel, er dette almindeligt i LCD- og motorforbindelser og hjælper normalt med at reducere bøjningsradius (hvilket hjælper med at gøre strukturen kompakt og lille) og den fysiske stress, der er forbundet med samling. Den fleksible forbindelse kan være et separat kabel, der er indsat i stikket, eller det kan laves direkte med en PRINT. Figur 2 viser en kameralinse med mange (ikke-plug) fleksible kabelforbindelser, mens Figur 3 viser forskellen mellem en "stiv fleksibel" PCB med integrerede fleksible kabler. Selvom det nogle gange er vanskeligt at designe og tildele leverandører, kan brugen af stiv flex-teknologi i høj grad hjælpe med at spare produktionsomkostninger og gøre designet mere pålideligt og strammere. Da de to PCB imidlertid ikke kan adskilles fysisk fra hinanden, kan det være vanskeligere at samle en stiv fleksibel kombination.
Figur 2: Samling af kameralinser med fleksibelt kabel
Figur 3: Stiv fleksibel PCB-teknologi
Overvej anvendelsen af stikket
Mens du tager kabelforbindelsen som tema, lad os hurtigt løse nogle andre vigtige problemer at overveje. Et tema er brugervenlighed, og et perfekt eksempel er standard USB-porten.
I årenes løb er USB-stik blevet forbedret på forskellige måder, herunder strømkapacitet, signaltæthed og vendbare ikke-retningsbestemte forbindelser ved hjælp af USB-C. Tværtimod hjælper et stik med piletaster, der kun tillader envejs (f.eks. et klassisk USB 2.0-stik), brugerne med at guide og forhindre forbindelsesfejl. Låseforbindelser giver normalt bedre mekanisk støtte og kan kræve roterende stik (BNC-stik) eller kompressionsslugs (RJ-45-netværkskabler). Dybest set, hvis stikket skal genbruges, bør brugervenlighed naturligvis være den højeste prioritet for brugerne.
Nogle applikationer kræver højhastighedsfølsomme, følsomme forbindelser over længere afstande, hvilket får os til at bruge optiske fibre. Der er tre hovedtyper af optiske fiberforbindelser: single-mode, multi-mode, og plast optisk fiber (POF). Multimodeforbindelser giver mulighed for højere båndbredder, men på grund af deres høje sprednings- og dæmpningshastigheder lider de normalt tab i langdistanceapplikationer, hvilket gør dem ideelle til korte LAN-baserede forbindelser. Single-mode fungerer godt over længere afstande, hvilket gør det ideelt til applikationer som RF-bredbånd (dit lokale kabelselskab). Derudover er parallelle databusser via forbindelser som PERIPHERAL Component Interconnect (PCI) generelt meget hurtigere end serielle forbindelser som USB (selvom USB-C også tillader parallelle forbindelser). Programmets hastighed og ydeevne bestemmer, hvordan disse sammenkoblinger defineres.
For visse anvendelser, såsom luft- og rumfart og militær, kan barske arbejdsvilkår i sidste ende føre til en stigning i efterspørgslen. Visse stik har særlig beskyttelse mod elektromagnetisk interferens (EMI), elektrostatisk udledning (ESD), vibrationer og/eller fugt. For designere er en fælles beslutning, om stikket skal afskærmes. Afskærmede stik (dækket af noget ledende metal og kan omfatte EMI-pakninger) kan give et højere beskyttelsesniveau mod skadelig stråling og lokaliserede magnetfelter, men er generelt mere omfangsrige eller dyre end ikke-afskærmede alternativer. Stik med skaller og tilsvarende stifter kan jordes for at hjælpe ESD introduceret ved menneskelig berøring eller andre lokale forbigående kilder. Nogle stik indeholder endda stødabsorberende kontakter, der hjælper med at håndtere applikationer med stor effekt og høj pålidelighed. Endelig omfatter forbindelser, der skal beskyttes mod ekstern fugt, ofte (eller tillader brug af) tætninger. Figur 4 viser alle fire af disse variationer i fælles forbindelser.
Figur 4 :(LR) Afskærmet DC-stik, afskærmet/jordet RJ-45-stik, vibrationsbestandigt bord-til-bord-stik og vandtæt USB-stik
Til applikationer med høj belastning kan valg af et stik med den største strøm- eller spændingsklassificering også fremskynde designprocessen. Nogle stik indeholder blandede signalstifter til understøttelse af data og strømforbindelser. Generelt har strømstifterne større strømkapacitet og kan være tykkere, hvilket hjælper med at forhindre brugen af to separate strøm- og datastik / kabler.
Vekselstrømsspændingsapplikationer kan også drive valget af stik og kræve minimale mellemrum eller afstand mellem hver pin (afhængigt af den maksimale spænding). Dette hjælper med at forhindre lysbuer, hvilket kan være skadeligt for systemet og operatøren. Stikket viser altid den nominelle effekt. Det er vigtigt at følge disse specifikationer, når du designer og for at sikre en god margen.
Endelig er den bedste (og billigste) løsning nogle gange at eksponere stikket og blot bruge de udsatte kobberpuder til den fjederbelastede grænseflade. Samtidig med at det giver en mindre formfaktor, kan det hjælpe med at reducere komponentomkostningerne og gøre det lettere at registrere (baseret på fleksibiliteten i PCB-placering). Programmerings- eller testgrænseflade er et af de mest almindelige applikationer. Integrerede design omfatter normalt fejlfindings- eller programmeringsporte, men hvis forbindelser normalt ikke bruges (kun til produktion eller service, hvorfor bruge forbindelser)? Kabler som Tag-Connect (som vist i figur 5) Teknologi kan give en løsning med en mindre formfaktor og lavere omkostninger. Selvom det normalt kun bruges som testpunkter, bør pad array også overvejes for pogo-pin-baserede forbindelser.
Figur 5: Tag-Connects Pogo-pin-kabelteknologi
PCB design kit kan hjælpe
I dag har mange CAD-programmer 3D-visualisering og mekanisk filimport / eksportunderstøttelse. Et eksempel er Solidworks Electrical (SWE). Traditionelt et CAD-program til mekanisk design, der er elektriske kits til Solidworks, der let kan integreres med den skematisk definerede PCB og tilhørende forbindelser. Designernes fordele omfatter elektriske designværktøjer, der kan hjælpe med at definere sammenkoblinger og generere kabelspecifikationer, ledningsdiagrammer og endda filer, der kan bruges i andre PCB-designprogrammer til at hjælpe med netlister, samtidig med at de giver fuldstændig visualisering af systemsammenkoblinger. Selvom mange PCB-designprogrammer indeholder 3D-visualiseringsfunktioner, tillader nogle programmer filudveksling for at hjælpe med at definere PCB-figurer (via 2D-filer) og importere komponentemballage (via 3D-filer), hvilket i høj grad kan hjælpe med at kontrollere interferens og optimere stikkenes placering.
Afslutningsvis vil jeg gerne
Designet af PCB-forbindelsen afhænger helt af applikationen, der normalt starter fra brugerkrav, i betragtning af designkravene og bestemmer, om der er behov for særlige funktioner. Det, der ofte glemmes, er, at produktionsbehov også skal overvejes for at sikre, at det kan fremstilles og samles med rimelig enkelhed og omkostninger.
PCB-designsæt i forskellige former og størrelser indeholder mekaniske funktioner, der kan reducere risikoen for design iterationer og optimere stikkets placering betydeligt.