Optimoi järjestelmän kotelointi käyttämällä tiiviitä kortista korttiin -liittimiä

Yhden piirikortin ratkaisuissa säästetään tilaa sijoittamalla kaikki järjestelmän elektroniikka yhdelle pienelle piirikortille, jota pidetään edullisempana. Yhden piirikortin tietokoneissa (SBC) suunnittelijoiden haasteena on mahduttaa kortille mahdollisimman paljon suoritustehoa, toiminnallisuutta ja I/O-liitäntöjä. Totuus on kuitenkin, että on lukuisia teollisuus-, kuluttaja- ja lääketiedesovelluksia, joihin yksittäinen piirikortti ei ole paras ratkaisu, vaan piirikortteja tarvitaan useita. Tällöin kortista korttiin -liittimet (Board-to-Board, BTB) tulevat erittäin tärkeiksi.

Vaikka järjestelmän useiden piirikorttien suunnitteluun käytettäisiin huomattavasti vaivaa, väärän BTB-liittimen valinta voi tehdä tyhjäksi kaiken tämän työn. Näin voi käydä jo heti alussa, jos liitinkoko on väärä tai signaalin siirto ei onnistu, tai myöhemmin kentällä käytöstä (tai väärinkäytöstä) seuraavien vikaantumisten vuoksi.

Tässä artikkelissa tutustutaan BTB-liitinten tarvetta ohjaaviin suunnittelukysymyksiin sekä tekijöihin, joita suunnittelijoiden on huomioitava valitessaan BTB-liittimiä laajasta saatavana olevien vaihtoehtojen valikoimasta. Näihin lukeutuvat piirin suorituskyky, tuotannon vaatimukset, käyttömalli, korjauksen helppous, signaalien tyypit, liittimen koko sekä nastojen lukumäärä, radiotaajuiset häiriöt (RFI) ja sähkömagneettiset häiriöt (EMI), vain muutamia mainitaksemme. Artikkelissa kerrotaan esimerkin kautta Phoenix Contactin BTB-liitinratkaisuista ja osoitetaan, miten niillä voidaan ratkaista suunnittelijoiden kohtaamat piirikorttien yhteysongelmat.

Miksi käyttää BTB-liittimiä?

On ainakin kymmenen suunnitteluun, tuotantoon ja markkinointiin liittyvää tilannetta, joissa on järkevää käyttää kahta tai useampaa toisiinsa yhdistettyä piirikorttia yhden sijaan:

1. kun tilavaatimukset rajoittavat yhden, suuremman piirikortin käyttöä ja koteloinnin syvyyden hyödyntäminen vaatii kolmiulotteista järjestelyä
2. kun matalan tason herkkiä, analogisia I/O- tai RF-piirejä ei voi asettaa kohinaltaan korkeiden digitaalisten suurnopeuspiirien lähelle
3. kun käytetään suurjännitteitä ja hyvä suunnittelutapa sekä säännökset vaativat, että ne erotetaan
4. kun kuumemmat komponentit on lämmönhallinnan vuoksi sijoitettava erilleen. Tämä parantaa lämmön haihtumista ja helpottaa lämmönhallintaa
5. kun tiettyä piirin osiota käytetään tuotteen eri versioissa. Tällainen voi olla esimerkiksi prosessointikortti, johon yhdistetään perustason monirivinen näyttö ja painonapit, tai monimutkaisempi graafinen kosketusnäyttö riippuen siitä, mikä hälytys- tai anturijärjestelmän versio on käytössä
6. kun tuotanto edellyttää erikoiskomponentteja, kuten virtalähteitä tai jäähdytyslevyjä, joissa käytetään erityistä valmistus- tai kokoonpanoprosessia tai manuaalista asettelua, kun loput voidaan asetella ja juottaa automaattisesti
7. kun toimittaja ennakoi päivittävänsä myöhemmin järjestelmän jotakin toimintoa, kuten suoritinta ja muistia, mutta haluaa jättää analogisen toiminnon ennalleen teknisen luotettavuuden ja kustannusten kuolettamisen vuoksi
8. kun kentältä saatu kokemus osoittaa, että järjestelmän tietty osa, esimerkkinä ulospäin suunnattu I/O, on todennäköisesti vaihdettava kentällä, kun taas suorittimen ja muistin kaltaisilla ydintoiminnoilla on pidempi toiminta-aika
9. kun joissakin komponenteissa tarvitaan paksumpaa piirikorttimateriaalia ja painavampaa kuparipinnoitetta, kuten esimerkiksi tehokomponenttien tapauksessa
10. kun sähkömagneettisten ja radiotaajuisten häiriöiden vuoksi toimintoja on erotettava ja osa piiristä on jopa RF-suojattava.

On selvää, että useiden piirikorttien käytölle on monia suunnitteluun, tuotantoon ja tuotetukeen liittyviä perusteita. Niitä esiintyy muun muassa teollisuuden ohjausjärjestelmissä, moottorien ohjauksessa, ohjelmoitavissa logiikkaohjaimissa (PLC), hälytys- ja turvayksiköissä, lääketieteellisissä järjestelmissä kuten kannettavissa röntgen- tai ultraäänilaitteissa sekä erilaisia käyttöliittymiä (HMI) sisältävissä laitteissa (kuva 1).

Kuva 1: Monet tuotteet joko hyötyvät useammasta piirikortista tai jopa vaativat niitä. Tällöin tarvitaan BTB-liittimiä . Ne on kuitenkin valittava huolellisesti. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Miten BTB-liitin valitaan

Kun päätös kahdesta tai useammasta toisiinsa yhdistetystä piirikortista on tehty, suunnittelijoiden on valittava sopivat BTB-liittimet. Useimmiten kyse ei ole vain siitä, että löydetään yksi liitinpari, jonka perusominaisuudet ovat sopivat. Sen sijaan on ensin etsittävä yhteensopivien liitinten mallisto, jossa on erilaisia BTB-vaihtoehtoja, jotta vaihtoehtoja ei turhaan rajoiteta ennalta.

Nopea vilkaisu yhdenkin toimittajan liitinvalikoimaan voi saada valintaprosessin vaikuttamaan ylivoimaiselta, mutta asia ei ole niin. Keskittymällä prioriteetteihin, rajoitteisiin ja pakollisiin ominaisuuksiin suunnittelija saa yleensä rajattua liitinvalikoiman suhteellisen pieneksi. Lisäksi runsas erilaisten liitinten tarjonta tarkoittaa myös sitä, että suunnittelija voi löytää yhdistelmän, joka minimoi välttämättömät tekniset kompromissit.

Sofistikoituneiden tietokoneavusteisten suunnittelutyökalujen (CAD) avulla suunnittelijat voivat mallintaa mahdollisia konfiguraatioita sekä BTB-liitinten käyttöä asennettaessa kortteja päällekkäin, äiti- ja tytärkorteiksi, samaan tasoon tai kuitunauhakaapeleilla liitettyinä erilleen (kuva 2). CAD-ohjelmien käyttö ei kuitenkaan ole pakollista, sillä myös vähemmän sofistikoituneet tekniikat voivat olla tehokkaita ensivaiheen arvioinneissa, ja niitä onkin käytetty onnistuneesti. Eräs tällainen on pahvista tehtyjen mallien käyttö erikokoisten ja eri tavoin aseteltujen korttien tilalla.

Kuva 2: Kortista korttiin -liitoksissa voidaan käyttää monia eri suuntia ja järjestelyitä, kuten päällekkäiset kortit, äiti- ja tytärkortti, samassa tasossa sijaitsevat kortit ja kuitunauhakaapelilla yhdistetyt kortit. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Tutki vapausasteita

Erilaisten suuntien lisäksi liitinversioiden runsaus antaa suunnittelijoille valinnanvaraa asemoinnin ja sijoittelun suhteen. Suunnittelija voi esimerkiksi valita käyttävänsä kahta pienempää BTB-liitintä, joissa on vähemmän nastoja, sen sijaan että käytettäisiin yhtä moninastaista liitintä. Tällä tavoin voidaan helpottaa piirikortin suunnittelua ja poistaa tarve kuljettaa tiettyjä signaaleita koko piirikortin matkan.

Esimerkiksi Phoenix Contactin FINEPITCH 1.27 -mallisto (1,27 millimetrin (mm) johdinväli) on saatavana 12, 16, 20, 26, 32, 40, 50, 68 ja 80 nastan versioina. Huomaa: 1,27 mm on täsmälleen 0,05 tuumaa eli 50 mil, mikä on yleinen johdinväli. Ajatellaanpa malliston kahta vertikaalista naarasliitintä: 26-nastainen 1714894 on leveydeltään 21,6 mm ja muuten identtinen 12-nastainen 1714891 on leveydeltään 12,71 mm, hieman yli puolet 26-nastaisen leveydestä (kuva 3).

Näiden kahden pienemmän liittimen käyttäminen eri puolilla piirikorttia vie vain vähän enemmän tilaa, minkä usein korvaa se, että piirikortin johtimille tarvitaan vähemmän tilaa ja signaalin laatu paranee. Vastaavasti Phoenix Contactin FINEPITCH 0.8 -mallistossa (0,8 mm:n johdinväli) on useita liittimiä alkaen 12-nastaisesta 9,58 mm pitkästä 1043682-naarasliittimestä ja ulottuen aina 80 nastaan asti (kuva 4).

Kuva 3: 1,27 mm:n FINEPITCH-sarjan pienin liitin on tämä 12-nastainen 1714891-versio, jonka pitkän sivun pituus on 12,71 mm. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Kuva 4: Phoenix Contactin FINEPITCH 0.8 -liitinmallistossa johdinväli on 0,8 mm ja malliston pienin liitin on 9,58 mm pitkä 12-nastainen 1043682. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Toinen huomioitava seikka on liittimen korkeus. Jos korkeus on sopiva, suunnittelijat voivat yhdistää kaksi rinnakkaista korttia ja mahdutettua ne kotelon sisään optimaalisiin sijainteihin. Suoritinkortti voidaan kiinnittää tuotteen kotelossa sen takaosaan, kun taas näytön ja painikkeet sisältävä toinen kortti voi olla suoraan samalla tasolla etulevyn kanssa.

Tätä varten on saatavana liittimiä, joiden nastamäärä, pituus ja leveys on identtinen, mutta joiden korkeus vaihtelee. Yhdistämällä eri korkeuksia voidaan muodostaa erikorkuisia korttipinoja. Esimerkiksi Phoenix Contact FINEPITCH 1.27 -malliston vertikaalisia naarasliittimiä on saatavana korkeuksina 6,25 mm ja 9,05 mm, kun taas vastaavat urosliittimet ovat korkeudeltaan 1,75 ja 3,25 mm.

Lisäksi on tärkeää, että tällä tavoin kohdistetun liitinparin "kosketuspituus" on 1,5 mm samalla kun luotettavan pintakontaktin kosketuspituutena pysyy 0,9 mm. Näin korttien väliä voidaan säätää portaattomasti alueella 8,0–13,8 mm (kuva 5). Samalla tavoin Phoenix Contactin FINEPITCH 0.8 -liitinmallisto, jonka korkeudet ja kosketuspituudet ovat erilaisia kuin FINEPITCH 1.27 -mallistossa, tukee aluetta 6–12 mm. Lisäetuna on se, että BTB-liitinten joustavuus helpottaa myös tuotannon kokoonpanotoleransseja.

Kuva 5: FINEPITCH 1.27 -malliston uros- ja naarasliitinten korkeusvalikoiman ja liitinten pitkän kosketuspituuden vuoksi BTB-liitännässä käytetty pinon korkeus voi olla mitä tahansa väliltä 8,0–13,8 mm. (Kuvan lähde: Phoenix Contact

EMC- ja RF-tarpeiden huomiointi

Tiheiden, useita nastoja sisältävien BTB-liitinten odotetaan tukevan kaistanleveyksiä, jotka ylittävät huomattavasti teho- ja matalataajuussignaalit. Näin minimoidaan tarve useille erillisille kaapelikokoonpanoille, joissa kukin kaapeli tukee vain yhtä signaalia. Kriittisiä parametreja ovat liittimen toiminta gigahertsialueelle asti sekä kyky säilyttää signaalin eheys näillä taajuuksilla. Samaan aikaan on otettava huomioon sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC), jotta lähellä kulkevat signaalit eivät vaikuta liittimen suurnopeussignaaleihin eikä toisinpäin.

Jotkin liitinmallistot on erityisesti suunniteltu kaistanleveys- ja EMC-näkökohtia ajatellen. Esimerkiksi Phoenix Contactin FINEPITCH 0.8 -sarjan datansiirtonopeudet ovat jopa 16 gigabittiä sekunnissa (Gbit/s) ja se sisältää yhdistettynä useita suojattuja yhteyksiä liittimestä toiseen (kuva 6). Näiden ansiosta sen EMC-ominaisuudet ovat erinomaiset (kuva 7).

Kuva 6: FINEPITCH 0.8 -sarja tarjoaa yhdistettynä useita suojattuja yhteyksiä liittimestä toiseen sekä parannetun suojauksen. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Kuva 7: Tämä kuva sähkökentästä FINEPITCH 0.8 -sarjan liittimen ympärillä osoittaa sen suojakuoren tehokkuuden: tummansininen väri ilmaisee sähkökentän voimakkuutta 0–0,1 volttia/metri (V/m), kun taas tummanpunainen on 1,0 V/m. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Näistä liittimistä on saatavana S-parametrit, jotka tukevat tarkkaa RF-signaalipolun mallinnusta, sekä tiedot väliinkytkemisvaimennuksesta, kaukopään ylikuulumisesta (FEXT) mitattuna vastaanottimen puolelta sekä lähipään ylikuulumisesta (NEXT) mitattuna lähettimen puolelta (kuva 8).

Kuva 8: Korkeiden datanopeuksien liittimistä, kuten FINEPITCH 0.8 -sarja, on saatavana kaaviot väliinkytkemisvaimennuksesta (vas.) ja lähipään ylikuulumisesta (oik.) taajuuteen 10 GHz asti. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Vähemmän ilmiselvät asiat

Vaikka liittimen toiminta on näennäisen yksinkertainen, sopivaa liitinmallistoa valittaessa on huomioitava muitakin seikkoja. Näihin kuuluvat seuraavat:

• yhteensopivuus standardin mukaisten suuren volyymin tuotantoprosessien kanssa (asettelu ja juottaminen), mikä vaatii myös liittimen rungon samantasoisuutta yleensä alle 0,1 mm:n toleranssilla
• kuinka monelle liitäntäkerralle suorituskyky taataan kontaktipinnan kuluessa: korkeimpana tasona pidetään 500 liitäntäkertaa. Phoenix Contact FINEPITCH 0.8 -sarjan kontaktiresistanssi on alle 20 milliohmia (mΩ), kun taas FINEPITCH 1.27 -sarjassa se on alle 25 mΩ vielä 500 liitäntäsyklin jälkeen (IEC 60512-2-1:2002-02:n mukaisesti)
• kahta piirikorttia ja niiden liittimiä yhdistettäessä on huomioitava myös säteittäiset ja kulmittaiset suuntausvirheet.

Suuntausvirhe on todellisuutta, joka suunnittelijoiden tulee huomioida. Täydellisessä maailmassa uros- ja naarasliitinten keskilinjat olisivat täysin suorassa, eikä mitään kallistusta voisi havaita. Näiden tiiviiden liitinten mitat huomioiden voisi ajatella, että tällainen epätarkkuus ei ole sallittua, mutta hyvän liittimen rakenne mahdollistaa molempien parametrien pienet poikkeamat.

FINEPITCH 0.8- ja FINEPITCH 1.27 -sarjojen ScaleX-teknologia huomioi tämän tosiseikan hyvin tarjoamalla kotelogeometrian, joka tekee muutakin kuin vain suojaa koskettimia vauriolta suuntausvirheen sattuessa. Se tarjoaa myös toleranssikompensaatiota keskikohdan siirtymisen suhteen ±0,7 mm ja kallistustoleranssin ±2° vinoakselin ja ±4° pituussuuntaisen akselin suhteen (kuva 9).

Kuva 9: Tosielämän kohdistukset eivät koskaan ole täydellisiä, joten FINEPITCH 0.8- ja FINEPITCH 1.27 -liittimet sietävät kulmittaista kohdistusvirhettä ±2° vinoakselin ja ±4° pituusakselin suhteen sekä keskikohdan kohdistusvirhettä jopa 0,7 mm. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Myös näkymätön on tärkeää

Vaikka liittimissä ei käytetä integroitujen piirien nanometriprosesseja, niiden kosketinosat ovat mekaanisia rakenteita, joissa on hyvin pieniä osia, tarkat toleranssit sekä erittäin ohuita jalo- ja epäjalometallipinnoitteita. Myös kuoret on valettu hyvin tarkasti. Koska metallinen kosketuspinta on pieni ja ”haudattuna” kotelon sisään, ei luotettavan kosketuksen muodostavia osia ole mahdollista nähdä.

Puhuttaessa näin pienistä liittimistä vaaditaan sofistikoitunutta suunnittelua sekä kykyä soveltaa sitä mikroskooppisten elementtien suuren volyymin tuotantoon. Siksi ScaleX-teknologiaa käyttävä FINEPITCH 0.8 -sarja sisältää ainutlaatuisen kaksoiskoskettimen. Yhteen liitettyinä sen uros- ja naarasosat muodostavat erittäin pieneen tilaan tärinää kestävän liitoksen. Koskettimissa on myös lokinsiipinä avautuvat juotosnastat, jotka sopivat optimaalisesti automaattiseen juotosprosessiin.

Kun kortteja ei voi yhdistää suoraan

Vaikka korttien yhdistäminen BTB-liittimillä on houkutteleva vaihtoehto, joissakin tilanteissa kahta tai useampaa piirikorttia ei voi kohdistaa ja liittää suoraan BTB-liittimien avulla. Tämä voi johtua tuotteen kotelon koosta, korttien muodosta, kortin sijoitteluun vaikuttavista sähköisistä tai elektronisista seikoista tai lämmönhallinnasta.

Näitä tilanteita varten Phoenix Contactin FINEPITCH 1.27 -sarjassa on myös lattakaapeleiden kanssa käytettäviksi soveltuvia IDC-liittimiä. Kun kahden piirikortin välillä käytetään tällaista joustavaa, litteää kuitunauhakaapeliyhteyttä, ne voivat olla fyysisestä etäisyydestä riippumatta sähköisessä yhteydessä, eikä kortteja tarvitse asentaa rinnakkain tai suoraan kulmaan toisiinsa nähden. BTB-liitinten tapaan niitä on saatavana 12–80-nastaisina; Phoenix Contact 1714902 on vapaasti riippuva 12-nastainen liitin (kuva 10). Saatavana on myös paneeliasennettava versio.

Kuva 10: IDC-liittimet, kuten FINEPITCH 1.27 -sarjan 12-nastainen vapaasti riippuva liitin 1714902, mahdollistavat joustavan kaapelin käytön tilanteissa, joissa suora BTB-yhteys ei ole mahdollinen tai toivottava. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Myös IDC-liittimillä toteutettuun BTB-liitäntään käytetty lattakaapeli on erittäin kehittynyt tuote, joka tarjoaa 30 AWG:n (0,06 mm²) Litz-johtimet ja kolme erilaista eristystyyppiä: perusmallinen PVC (-10 °C – +105 °C), laajan lämpötila-alueen malli (-40 °C – +125 °C) sekä halogeeniton versio. Rakennusmääräykset edellyttävät viimeisen näistä käyttöä palontorjuntaan tietyissä tarkoituksissa, ja se myös muodostaa ”hiiltyneen” pinnan, joka vähentää myrkyllisten hiilikaasujen sekä näkyvyyttä heikentävän savun ja hiilipartikkelien syntyä.

Koska kaapeleiden suuntia ja liitinjärjestelyitä on viisi erilaista (kuva 11), liittimiä on yhdeksää eri tyyppiä 12-nastaisesta 80-nastaiseen. Kaapelin pituus vaihtelee melko lyhyestä (5 cm, n. 2 tuumaa) paljon pidempään (95 cm, n. 37,5 tuumaa) ja eristeitä on kolmea erilaista, eri vaihtoehtoja on yli 10 000. Näitä kaikkia ei voi pitää varastossa, joten IDC-kaapelit valmistetaan tarpeen mukaan käyttäen haluttua liittimen ja kaapelin yhdistelmää ja konfiguraatiota.

Kuva 11: Kuvassa näkyy kolme IDC-kaapelin liitinten järjestelyistä ja suunnista, jotka tarjoavat suunnittelijoille mahdollisimman paljon joustavuutta kaapelin sijoittelun suhteen ja mahdollisimman vähän rajoituksia, kun kaapelien vedot ja sijoittelut muuttuvat yksinkertaisemmiksi. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Yhteenveto

Liittimet ja kytkennät ovat tärkeitä osia suunnitelmaa ja ne tulee huomioida riittävästi jo etukäteen. Käytettäessä useita piirikortteja BTB-liittimet tarjoavat kätevän, luotettavan ja suorituskykyisen tekniikan, jolla kaksi korttia tai enemmän voidaan liittää toisiinsa monilla eri tavoilla.

Liitinten yksityiskohdat ja monimutkaisuus jäävät usein huomiotta, mutta kuten artikkelista käy ilmi, tarkasti suunnitellut BTB-liittimet kuten Phoenix Contactin FINEPITCH 0.8- ja FINEPITCH 1.27 -sarja tarjoavat tiiviin liitoksen, erinomaisen mekaanisen suorituskyvyn, yhteensopivuutta tuotantoprosessien ja työnkulkujen kanssa sekä sähköisen suorituskyvyn, joka täyttää nykyisten vaativien tuotteiden datanopeus- ja EMC-vaatimukset.