Les trois principaux objectifs des connecteurs PCB sont:
1. Interconnexion PCB: connexion rigide (ou flexible) entre deux PCB;
2. Connexion de câble PCB: connexion câblée groupée pour équipement périphérique externe;
3. Connexion de programmation / débogage PCB: connecteur (ou tableau de points de test) utilisé pour le débogage ou la programmation, généralement utilisé pour des choses comme les microcontrôleurs ou les réseaux de portes programmables sur site (FPGA)
Dans ces trois types de connexions PCB, toutes les formes de connexions et de fonctions varieront en fonction de l'application. Premièrement, il existe deux méthodes principales de montage du connecteur sur le PCB: montage en surface et trou traversant. Bien sûr, il existe de nombreuses méthodes de montage en surface, mais à toutes fins, le connecteur peut être monté à travers des vias de broches ou des tampons à broches. Cela nous amène à certains compromis initiaux qui devraient être pris en compte dans le processus de conception.
Compromis à considérer lors de la conception
Le montage de connecteurs à travers des trous traversants apporte de nombreux avantages, mais le principal avantage est généralement de renforcer la connexion mécanique. En effet, les broches / conducteurs traversent le PCB et sont généralement soudés aux couches supérieure et inférieure. Selon l'application, cela peut être très important, en particulier lorsque la fiabilité et la sécurité sont primordiales. S'il est simple et facile à utiliser et qu'il a un cycle d'utilisation fréquent, la connexion traversante offrira certainement une fiabilité plus élevée et la possibilité d'endommager l'appareil diminuera avec le temps. Un autre avantage majeur des composants traversants est qu'ils peuvent être plus facilement sondés et retravaillés pour le prototypage ou la réparation.
D'un autre côté, les connecteurs à montage en surface peuvent considérablement économiser de l'espace sur la carte de circuit imprimé (car le composant n'est soudé qu'à une seule couche) et, en fonction de l'application, cela peut également réduire les coûts de fabrication et d'assemblage. De nombreux connecteurs ont des bornes d'alignement, mais ne nécessitent pas de soudure. De même, les connecteurs montés en surface peuvent souvent inclure des densités de nombre de broches plus élevées, ce qui à son tour peut aider à regrouper plus de signaux dans une zone plus petite et à économiser de l'espace précieux sur la carte, voir Figure 1.
Figure 1: Connexions de trou traversant (gauche) et de montage en surface (droite) sur PCB
Étant donné que l'économie d'espace sur les cartes de circuits imprimés et l'optimisation de la densité / du volume sont des forces motrices courantes pour le développement de produits, de nombreuses conceptions comprennent plusieurs cartes de circuits interconnectées rigides ou flexibles. Cette méthode permet non seulement d'économiser de l'espace sur la carte, mais également de réduire les coûts. Par exemple, si une conception comprend un processeur BGA (256-pin ball grid array) qui nécessite plus de 10 couches (ce qui augmente considérablement le coût de fabrication du PCB), mais il doit interagir avec de nombreux périphériques / connecteurs (peut ne nécessiter que interface de connexion à deux ou quatre couches), le moyen d'économiser de l'espace et des coûts est de les diviser en deux PCB: un PCB intégré plus petit avec plus de 10 couches et un autre PCB secondaire avec seulement quatre couches et la plupart des composants périphériques (tels que connecteurs). Généralement, une connexion carte à carte à haute densité et à grand nombre de broches est utilisée pour monter le&'MCU PCB GG' sur le circuit imprimé de fond de panier&GG.
Si des éléments tels que les écrans et les boutons nécessitent de nombreux circuits imprimés satellites, des connexions flexibles peuvent être utilisées. Souvent appelé câble flexible, il est courant dans les connexions LCD et moteur, et contribue généralement à réduire le rayon de courbure (ce qui contribue à rendre la structure compacte et petite) et la contrainte physique associée à l'assemblage. La connexion flexible peut être un câble séparé inséré dans le connecteur, ou elle peut être réalisée directement avec un PCB. La figure 2 montre une lentille de caméra avec de nombreuses connexions de câbles flexibles (non enfichables), tandis que la figure 3 montre la différence entre un&'rigide flexible GG'; PCB avec câbles flexibles intégrés. Bien qu'il soit parfois difficile de concevoir et d'attribuer aux fournisseurs, l'utilisation de la technologie rigide-flex peut grandement contribuer à réduire les coûts de production et rendre la conception plus fiable et plus précise. Cependant, comme les deux PCB ne peuvent pas être physiquement séparés l'un de l'autre, l'assemblage d'une combinaison rigide-flexible peut être plus difficile.
Figure 2: Ensemble d'objectif de caméra avec câble flexible
Figure 3: Technologie PCB rigide-flexible
Considérez l'application du connecteur
Tout en prenant la connexion par câble comme thème, résolvons rapidement d'autres problèmes importants à prendre en compte. Un thème est la facilité d'utilisation, et un exemple parfait est le port USB standard.
Au fil des ans, les connecteurs USB ont été améliorés de diverses manières, notamment la capacité de courant, la densité du signal et les connexions non directionnelles réversibles via USB-C. Au contraire, un connecteur avec des touches fléchées qui n'autorise qu'un seul sens (comme un connecteur USB 2.0 classique) aide à guider les utilisateurs et à éviter les erreurs de connexion. Les connexions verrouillables offrent généralement un meilleur support mécanique et peuvent nécessiter des fiches rotatives (connecteurs BNC) ou des cosses de compression (câbles réseau RJ-45). Fondamentalement, si le connecteur doit être réutilisé, la facilité d'utilisation doit bien sûr être la priorité absolue des utilisateurs.
Certaines applications nécessitent des connexions sensibles à haut débit sur de plus longues distances, ce qui nous conduit à utiliser des fibres optiques. Il existe trois principaux types de connexions par fibre optique: monomode, multimode et fibre optique plastique (POF). Les connexions multimodes permettent des bandes passantes plus élevées, mais en raison de leurs taux de dispersion et d'atténuation élevés, elles subissent généralement des pertes dans les applications longue distance, ce qui les rend idéales pour les connexions LAN courtes. Le mode unique fonctionne bien sur de plus longues distances, ce qui le rend idéal pour les applications telles que le haut débit RF (votre câblodistributeur local). De plus, les bus de données parallèles via des connexions telles que Peripheral Component Interconnect (PCI) sont généralement beaucoup plus rapides que les connexions série telles que USB (bien que l'USB-C autorise également les connexions parallèles). La vitesse et les performances de l'application détermineront comment définir ces interconnexions.
Pour certaines applications, comme l'aérospatiale et l'armée, des conditions de travail difficiles peuvent éventuellement conduire à une augmentation de la demande. Certains connecteurs ont une protection spéciale contre les interférences électromagnétiques (EMI), les décharges électrostatiques (ESD), les vibrations et / ou l'humidité. Pour les concepteurs, une décision commune est de savoir si le connecteur doit être blindé. Les connecteurs blindés (recouverts d'un métal conducteur et peuvent inclure des joints EMI) peuvent fournir un niveau de protection plus élevé contre les rayonnements nocifs et les champs magnétiques localisés, mais sont généralement plus volumineux ou coûteux que les alternatives non blindées. Les connecteurs avec coques et broches correspondantes peuvent être mis à la terre pour aider les décharges électrostatiques introduites par contact humain ou d'autres sources transitoires locales. Certains connecteurs incluent même des contacts amortisseurs pour aider à faire face aux applications à fort impact et à haute fiabilité. Enfin, les connexions qui doivent être protégées de l'humidité extérieure comprennent souvent (ou permettent l'utilisation de) joints. La figure 4 montre ces quatre variations dans les connexions communes.
Figure 4: (LR) Prise d'alimentation CC blindée, prise RJ-45 blindée / mise à la terre, connecteur carte à carte résistant aux vibrations et connecteur USB étanche
Pour les applications à forte charge, le choix d'un connecteur avec le courant ou la tension nominale le plus élevé peut également accélérer le processus de conception. Certains connecteurs comprennent des broches de signal mixtes pour prendre en charge les connexions de données et d'alimentation. En règle générale, les broches d'alimentation ont une plus grande capacité de courant et peuvent être plus épaisses, ce qui permet d'éviter l'utilisation de deux connecteurs / câbles d'alimentation et de données séparés.
Les applications de tension alternative peuvent également guider le choix des connecteurs et nécessitent des espaces ou un espacement minimum entre chaque broche (en fonction de la tension maximale). Cela permet d'éviter les arcs électriques qui peuvent être nocifs pour le système et l'opérateur. Le connecteur listera toujours la puissance nominale. Il est important de suivre ces spécifications lors de la conception et d'assurer une bonne marge.
Enfin, la meilleure solution (et la moins chère) est parfois d'exposer le connecteur et d'utiliser simplement les pastilles de cuivre exposées pour l'interface à ressort. Tout en offrant un facteur de forme plus petit, il peut aider à réduire les coûts des composants et permettre une détection plus facile (basée sur la flexibilité de l'emplacement des PCB). L'interface de programmation ou de test est l'une des applications les plus courantes. Les conceptions intégrées incluent généralement des ports de débogage ou de programmation, mais si les connecteurs ne sont généralement pas utilisés (uniquement pour la production ou le service, pourquoi utiliser des connecteurs)? Les câbles tels que la technologie Tag-Connect (comme illustré à la figure 5) peuvent fournir une solution avec un facteur de forme plus petit et un coût moindre. Bien qu'il ne soit généralement utilisé que comme points de test, le réseau de pastilles doit également être pris en compte pour les connexions basées sur pogo-pin.
Figure 5: Technologie de câble Pogo-pin de Tag-Connect
Le kit de conception de circuits imprimés peut vous aider
De nos jours, de nombreux programmes de CAO prennent en charge la visualisation 3D et l'importation / exportation de fichiers mécaniques. Un exemple est Solidworks Electrical (SWE). Traditionnellement un programme de CAO pour la conception mécanique, il existe des kits électriques pour Solidworks qui peuvent être facilement intégrés avec le PCB schématiquement défini et les connexions associées. Les avantages des concepteurs comprennent des outils de conception électrique qui peuvent aider à définir les interconnexions et à générer des spécifications de câbles, des schémas de câblage et même des fichiers pouvant être utilisés dans d'autres programmes de conception de circuits imprimés pour faciliter les listes de réseaux, tout en offrant une visualisation complète des interconnexions du système. Bien que de nombreux programmes de conception de PCB incluent des capacités de visualisation 3D, certains programmes permettent l'échange de fichiers pour aider à définir les formes de PCB (via des fichiers 2D) et à importer des emballages de composants (via des fichiers 3D), ce qui peut grandement aider à vérifier les interférences et à optimiser la position des connecteurs.
En conclusion
La conception de la connexion PCB dépend entièrement de l'application, en commençant généralement par les exigences de l'utilisateur, en tenant compte des exigences de conception et en déterminant si des fonctionnalités spéciales sont nécessaires. Ce que l'on oublie souvent, c'est que les exigences de fabrication doivent également être prises en compte pour s'assurer qu'il peut être fabriqué et assemblé avec une simplicité et un coût raisonnables.
Les kits de conception de circuits imprimés de différentes formes et tailles contiennent des fonctions liées à la mécanique qui peuvent contribuer de manière significative à réduire le risque d'itérations de conception et à optimiser le placement des connecteurs.
