【導讀】今天的電子設計人員面臨著在可靠性、適用性和成本之間找到適當平衡的挑戰，因為他們指定了創建成功和有競爭力的產品所需的組件。搜索過程的第一步是充分了解應用及其對所涉及連接器的要求。如果沒有經過驗證的便于小型化和連接的連接器技術，我們的便攜式設備將無法實現。
在某些應用中，連接器在生產過程中進行接配。在其他情況下，連接器是設備的組成部分，例如在擴展塢或充電器中。每個應用都需要不同的解決方案。正確應用的連接器將比那些與應用不匹配的連接器更好地工作并且持續更長時間。收集和使用這些知識是當今設計師面臨的另一個與連接器相關的挑戰。
有幾種方法可用于創建連接器中使用的引腳。最靈活的是精密加工。這不僅提供高水平的質量和可靠性，而且在設計和材料方面提供了極大的靈活性，使得設計人員能夠指定連接器以滿足其確切需求。由此產生的高精度引腳具有圓柱形幾何形狀，有時也稱為轉腳（turned pin）。
典型的轉腳尺寸范圍從0.008英寸（0.2032mm）到0.250英寸（6.35mm）。高速轉動可以始終如一地生產精密加工的引腳，引腳在所有關鍵特征上的嚴格公差為±0.0005英寸（0.0127mm），這對于連接器引腳功能至關重要。這個過程不僅高度準確，而且其重復性非常好——無論是制造數千還是數百萬個引腳。
彈簧式連接器（SLC）中的主要部件是彈簧引腳，有時稱為彈簧觸點、彈簧探針。它們提供高度可靠、精確制造的互連解決方案，是各種苛刻應用的理想選擇。每個彈簧引腳都經過精密加工，以確保高質量、低電阻和兼容的連接器，這使其優于其他技術。
彈簧引腳通常由三個或更多個機加工部件組成，這些部件與內部彈簧組裝在一起以提供所需的運動范圍。所有這些組件均采用鍍鎳金電鍍，從而確保看在產品的整個使用壽命期間具有出色的導電性、耐用性和防腐蝕性。除了彈簧引腳的電壓能力、電流處理和接觸電阻的基本電氣要求外，在指定SLC時還需要考慮許多選項。
雖然垂直安裝是最常見的布置，但某些應用需要兩個或更多個板的水平接配。直角引腳和目標可提供0.1英寸（2.54毫米）或0.05英寸（1.27毫米）間距的通孔和表面安裝配置，從而為這一挑戰提供可靠、低高度的解決方案。SLC通常需要在同一組件內承載電源和信號。標準電源引腳可承受高達9A的電流，溫度高于環境溫度10°C（20°C）。在需要更高電流或更低溫升的應用中，引腳可以加倍，或者可以指定更大的引腳，特別是對于接地連接。
通過在陣列中指定具有不同長度和柱塞行程的彈簧引腳，可以創建所謂的先合后斷連接。這些在需要在信號連接之前將電源施加到電路的應用中特別有用，從而避免可能導致不穩定電路行為的未定義狀態。這些連接還允許關鍵信號根據應用的要求進行隨時接配。
根據應用的機械配置，可能需要不同的行程距離以及定制的彈簧力。大多數SLC通常在中風時提供60g的力，盡管可以使用替代彈簧。對于復雜的多板組件，可提供雙作用SLC。一旦將它們安裝到堆疊的中間板上，就可以方便地在上方和下方安裝板子。
SLC不限于PCB應用。這種多功能技術還可以通過帶有焊杯或壓接桶的引腳提供電線端接連接。市面上有各種尺寸的產品，可容納高達16AWG的電線，具有9A電流處理能力。具有與大多數焊接工藝兼容的高溫尼龍46絕緣體的SLC可用于穿過金屬或導電材料（例如導電殼體或外殼）的連接。
在SLC中進行設計時，通常最好的目標是在行程范圍的中間行程附近操作。通常建議壓縮25-75％；但是，一些一次性按壓應用可以可以采用最大限度的按壓操作。對于具有最小行程能力的超薄型彈簧引腳，最好的壓縮范圍是在50-85％內。
彈簧引腳能夠與非平行表面匹配，但重要的是確保接配力軸向施加到活塞/柱塞上。應避免活塞的側向接合或側向加載，因為彎曲或破裂會造成活塞或彈簧引腳損壞。
在接配受控較少的應用中，良好的設計方法是結合支座硬件或其他特征，以提供機械支撐，以避免彈簧引腳過度按壓。
SLC的一大好處是它的多功能性和與各種表面配合的能力。只要彈簧引腳柱塞/活塞與平坦或凹陷的電鍍表面接觸，就可以形成良好的連接。這消除了傳統插針連接器系統的一面，并且減少了部件成本、生產時間和復雜性。
雖然與鍍金PCB焊盤配合是最常見的方式，但其他機械選項可用于滿足特定的應用要求。對于通孔應用，可以使用專用的釘頭引腳或目標引腳。在表面貼裝應用中，可提供薄型鍍金目標焊盤，為電路板表面提供高導電、耐磨的延伸。通過將彈簧引腳與適當的目標組合，可以實現不同的配合距離以適應幾乎任何應用。
由于設計不良或磨損導致的較差的連接質量，對整個系統的可靠性產生負面影響。因此，在為應用指定正確的SLC時，經過驗證和證明的可靠性至關重要。自從1976年推出以來，IEC 60512一直是測試連接器機械、電氣和氣候特性的權威標準。該標準規定了許多評估連接器質量和可靠性的測試，包括彈簧力、接觸電阻、隨機，半竇和正弦振動、快速溫度變化、干熱、循環熱、冷和載流能力。這些測試非常廣泛，可以在原始零件以及預先循環的零件上進行，以確保連接器在實際應用中具有長期可靠性。一些制造商使用IEC 60512作為基準，但添加了特定的附加測試以反映已知應用或解決技術變化時的其他潛在弱點。
在指定SLC時，設計人員應檢查所有可用的測試數據。信譽良好的制造商通常會引入某些類型連接器的特定非標準測試，這將為設計人員提供有關連接器在某種應用中進行可靠工作的進一步保證。
選擇一個品牌的SLC而不是另一個品牌的另一個有價值的標準是設計支持材料的可用性。大多數制造商將提供多種工具，包括用于快速設計模型的詳細3D模型（例如，IGES或STEP）和PCB布局建議，以確保實現正確的焊盤圖案以實現最佳SLC操作。
隨著創新帶來新的產品類別，多功能SLC連接器在支持未來技術方面發揮著重要作用。迄今為止最流行的SLC應用之一是兩個或更多PCB之間的板對板連接。隨著產品尺寸的縮小，高端模塊化設計方法變得越來越流行，制造商正在產品中增加PCB數量。SLC允許容易地堆疊多個板，因為SLC容納公差疊加，包括由于非平行固定或PCB翹曲所導致的較小的失準。無論電路板是平行的、垂直的還是水平的，SLC的多功能性都可使它們成為可行的解決方案。
當今設計中有限的空間也意味著盲配變得越來越普遍。接合過程中引腳到插座的錯位會導致引腳損壞或彎曲，觸點損壞以及連接不良或缺失。SLC是理想的解決方案，因為不需要插入。當柱塞尖端接觸導電表面（通常是PCB上的焊盤或目標引腳的表面）時就進行連接。這些接配表面通常比彈簧銷柱塞大，這進一步消除了對準和對部件的潛在損壞的擔憂。
隨著越來越多的設備變得便攜化，它們依賴于電池電源并且需要頻繁充電（通常在充電座中）。SLC是便攜式儀器中電池充電以及用于數據和電力傳輸目的的對接手持設備的完美解決方案。它們可以輕松集成到任何系統中，提供多種高度、行程和彈簧力選擇。接觸采用了柱塞頭，因此當將電池或裝置放置在支架中時，彈簧引腳可以實現盲插和一些失準。這使其成為最終用戶進行連接應用的理想選擇。
在設計利用高速互連的應用時，在信號路徑上瀏覽所有潛在的減速帶是至關重要。必須了解并掌握以下因素：疊層、公差、通孔設計、跡線寬度、鍍層和銅蝕刻，以實現最佳信號路徑。 任何設計清單都應該包含連接器，而這些連接器往往被忽略。如果沒有仔細檢查，連接器可能會嚴重影響系統的信號完整性。
正確的連接器應該提供幾個關鍵要素：
在目標帶寬上配接阻抗
低于目標帶寬的插入損耗
可靠連接到PCB
可靠連接到電纜系統
為了確保連接器可以為信號提供低損耗和配接阻抗，必須查看散射或s參數。S參數詳細說明了線性電網的特性，并確定了帶寬和電路損耗，從而揭示了其性能潛力。S參數數據由制造商提供，作為表征其連接器的一種方式，并應成為設計高速連接器時首先考慮的標準。設計師還應該在時域中轉換并觀察s參數，以及時域反射（TDR）圖，并查看內部阻抗曲線。
由于連接器有很多種類（例如，端子類型、內部信號長度、材料等），設計人員需要了解s參數文件是如何創建的。在盲目地將touchstone文件放入仿真并相信結果之前，詢問供應商幾個問題是很重要的，其中包括：
1. 你想要的插針與仿真的插針配接嗎？
2. 其他插針如何端接？
3.在提供的數據中使用了什么樣的布局？
4.有沒有殘端？
5.用于表征的端子類型是什么？（例如電鍍通孔、表面安裝、壓接）
6.夾具如何嵌入或測量中包含什么？
7.這是我需要的準確零件號嗎？
優質供應商為每個客戶的預期用途提供仿真和與測量相關的數據，從而為他們提供更準確的連接器對設計影響的評估，并增強他們在仿真數據中的置信度。
選擇連接器時的另一個重要標準是PCB端接選項。連接器通常有多種端接形式，包括（但不限于）表面安裝、壓接和通孔錫膏（PIH），每種形式都有其獨特的優缺點。壓接端子結構非常堅固，可為PCB提供最大的保持力和連接性，但對高速應用也提出了嚴峻的挑戰。從高密度壓合連接器發送信號可能需要高層數PCB，從而通過電鍍孔向上延伸得到最長路徑，以到達連接器。鉆孔的細長路徑和固定直徑可能會對較高頻率的信號產生明顯的不連續性，并可能阻礙高數據速率。
表面貼裝端接更適合高速設計，并連接器發射點的配接阻抗可獲得最大的靈活性。設計人員可以直接進入連接器的焊盤或使用選擇的鉆孔來提供通過PCB的路徑。此外，導通孔可以埋入PCB內，或反向鉆孔以減少未使用的通孔殘端，并改善壓接端接方式的頻率響應。這種端接方法為高頻設計提供了最大的好處，但不一定是穩健的。表面貼裝連接器通常需要一些額外的加固件，例如安裝硬件，以確保與PCB的牢固連接。
PIH端接是前兩種風格之間的混合。與壓接類似，PIH端子具有較短的非壓接插針——插入鍍通孔足跡并焊接到位。主要區別在于它的插針短得多，可以對鉆孔進行反鉆以去除信號上多余的殘端。這種高密度連接器要做入PCB仍然存在挑戰。選擇供應商提供這些短至10mm的插針，可以提供改進的高頻響應和與PCB的堅固連接。在從PCB轉換到連接器時，每種端接類型都存在一些信號阻抗不連續性，并且每種端接類型都使得設計人員能夠改變自由度以最小化不連續性對信號完整性的影響。
選擇用于高速設計的連接器時，考慮接觸配接連接器的方式也很重要。有幾種配接接觸的方法，每種方法都有其獨特的一系列優點和局限，從而影響整體設計的信號完整性。邊緣安裝連接器是一種流行的配接接觸方法。這些連接器具有可沿PCB焊盤滑動的彈簧指，可以在單一點處進行電氣接觸，從而使信號的間斷性最小，但在高沖擊和振動應用中可能有害（或需要額外的保持方法）。許多MSA標準設計（例如SFP、SFP +和QSFP）都使用這種類型的電氣接口。
壓接連接更加廣泛地用于堅固的應用中。這個相當基本的系統由一個帶插座的母頭和一個帶彈簧插針的公頭組成。這種配接類別有兩個或兩個以上的接觸點，與邊緣安裝配接系統提供的單點接觸相比，可以提供多種優勢。特別為高可靠性、高速度產品設計，圖1所示的多個接觸點可實現較低的接觸電阻和信號電感，以及可靠耐用的連接，可承受極端振動。但是，插針和插座觸點可能比邊緣接觸長，如果設計不當，可能會出現較大的不連續點。因此，研究制造商提供的s參數和阻抗圖是至關重要的。
圖1：Airborn的verSI®壓接插針和插座連接器可在極端振動的高速應用中提供堅固可靠的低電感連接。
另外，在速度設計方面，重要的是要考慮相對于占地面積的吞吐量。圖2比較了兩個基本系統：一個采用25G /通道QSFP連接器，另一個采用10G /通道HD4連接器。由此產生的輸出（4320Gbps與3600Gbps）表明，通過連接器設計實現的卓越密度，在相同托架系統中，與更高速度的25G QSFP連接器相比，10G HD4連接器可以產生更高的數據吞吐量，從而節省組件和能源成本，并且甚至數據中心平方英尺更具潛力。
圖2：針對高密度設計的AirBorn 10GHD4®連接器可在同一托架系統內提供比25G QSFP連接器更高的吞吐量，從而實現組件和能源成本節省。
最終，設計師需要從A點到B點獲得一個強大而不受干擾的信號，而正確的連接器是這段旅程的關鍵要素。畢竟，即使是最高速度的連接器如果經歷間歇性打開，也是不利的。最優質的供應商提供多種連接器，以提供高速和高可靠性解決方案，端到端通道解決方案，與客戶密切合作以評估他們的個別需求，并以最小的信號衰減開發最佳互連解決方案。設計師有多種連接器可供選擇，因此應密切關注關聯數據并明智地選擇。
作者：Mill-Max Mfg公司產品工程經理Stephen Capitelli
