淺談電子連接器結構設計的重要性

徐 祥

(安費諾(常州)高端連接器有限公司上海分公司，上海閔行，201103)

1 引言

5G是第五代移動通信技術的簡稱(5th generation mobile networks)是最新一代蜂窩移動通信技術。由于5G具備了前幾代通信技術所不具備的數據傳輸速度，所以5G通信技術商用以后，將移動互聯網拓展到工業互聯網、車聯網、物聯網等更多領域。5G技術與實體經濟的各個領域深度融合，能夠更好的優化資源，可使生產制造、供求關系更加精準，減少不必要的浪費。

科學技術的發展，是通信技術發展的推動力，在前幾代通信技術積累的基礎上，為了滿足不斷發展的移動互聯網技術，傳輸速度更快的5G通信技術，成了移動互聯網技術發展的必然選擇。相比于前幾代通信技術，5G通信移動網絡的傳輸速度更快，達到了10 Gbps(見表1)，這讓萬物互聯成為可能。

表1 移動網絡傳輸速度(單位：bps)

伴隨著通信網絡的發展，與通信技術相關的各個行業也在不斷的發展。對于連接器行業，應用于通信設備里的背板連接器，其性能也在不斷的提高，為了適應網絡傳輸速度的發展，連接器的傳輸速度也在不斷的提高，每一代連接器的傳輸速度都在不斷的增加，見表2。對應于5G通信技術的要求，連接器的傳輸速度至少需要25Gbps。所以，背板連接器技術的發展，對5G通信技術的發展起到至關重要的作用，其性能的穩定性直接影響到5G移動通信技術的發展。

表2 傳輸速度(單位：Gbps)

2 背板連接器簡介

背板連接器(backplane connector)是用來連接單板(daughter card)和背板的一種連接器，單板和背板之間成90度垂直結構。主要是傳遞高速差分信號(differential signal)或單端信號(single end signal)以及傳遞大電流，常用于集線器、交換機、路由器、服務器和存儲器。最常用的背板連接器有傳統的背板連接器、正交背板連接器以及線纜背板連接器。背板連接器最重要的性能指標除了常規的機械性能以及耐環境性能指標外，還包括特性阻抗(Characteristic Impedance)、串音雜訊(Crosstalk)、傳遞延遲(Propagation Delay)、偏移(Skew)、損耗(Insertion Loss/Return Loss)等信號完整性指標。而保證背板連接器這幾個性能指標能滿足設備傳輸高頻信號以及大電流的需求，背板連接器的結構起到至為關鍵的作用。

背板連接器通常也是由塑料零件(工程塑料)、金屬零件(導體以及結構件)、其他電子元器件通過特定的裝配過程組成，由于通信設備應用環境相對比較復雜，有點應用環境相當惡劣，連接器任何失效，都有可能帶來很大的損失。所以說，背板連接器的性能必須要相當穩定，而性能的穩定性，很大程度上取決于連接器的結構設計。

3 連接器結構設計

連接器結構設計是針對連接器產品內部結構以及機械部分的設計。具體到背板連接器，結構設計體現在如何確保連接器的各個零件之間的裝配關系，以充分保證背板連接器最重要的性能指標。

在連接器新產品開發的過程中，連接器的結構設計是整個連接器產品設計過程中最復雜的一個環節，需要兼顧產品外形尺寸的要求和產品功能的要求，完成產品的結構設計。隨著電子產品的更新換代，電子產品包括5G通信產品，對連接器的要求越來越高，在終端產品外形尺寸定好的前提下，連接器產品的外形尺寸也受到限制，所以連接器產品的結構設計也將變得更加挑戰。

4 本文所涉及背板連接器簡介

本文所涉及的背板連接器是為客戶定制的一款公端連接器，應用于客戶的5G通信設備，如集線器、交換機、路由器、服務器、存儲器。客戶除了對信號完整性指標、機械性能、環境性能等各項指標提出一定的要求外，對產品的外形也提出了一定的要求，并且對尺寸的要求很苛刻。這就需要對連接器進行高密度設計，使得單位面積內盡可能多的容納更多的信號差分對。連接器產品外形尺寸如圖1所示。

圖1 產品外形尺寸

在26.88mm×45.65mm的空間內，需要容納96對差分對，并且還要布置一定數量的接地導體。客戶對尺寸的限制，導致產品在設計上的難度增加。所以說，在保證一定的結構強度的前提條件下，對塑膠材料的壁厚，以及金屬導體的材料厚度都想辦法控制到最小水平。本文所述的連接器涉及的結構設計的方面的研究點很多，在這里就以連接器的片式屏蔽片為例進行闡述結構設計的重要性，連接器爆炸圖如圖2所示。

圖2 連接器爆炸圖

4.1 片式屏蔽片功能說明

如圖3所示，片式屏蔽片在本文所述的背板連接器中的位置，此背板連接器有橫向和縱向排列的信號差分對，片式屏蔽片布置在兩排橫向排列的差分對之間，對差分對起屏蔽的作用，用來防止電磁干擾。兩個屏蔽片之間的空間是用來與另外一個連接器上的差分對進行相互配合的空間。

圖3 片式屏蔽片在產品中的位置

片式屏蔽片上的接觸點與連接器上的其他金屬接地零件接觸，將產品上的所有屏蔽片連接在一起，從而能夠更加有效防止電磁干擾的產生影響到高速信號的傳輸。

4.2 片式屏蔽片結構說明

如圖4所示，為片式屏蔽片的尺寸圖。片式屏蔽片是由銅帶經過沖壓和電鍍加工后，提供給產品組裝使用。由于此連接器的外形尺寸的限制，所以對此片式屏蔽片的設計也有了一定的局限性，特別是片式屏蔽片的材料厚度不可能選得太厚，否則會影響到產品的外形尺寸。基于種種限制條件，最終片式屏蔽片的長度和寬度分別達到42.3mm和6.95mm，長度和寬度的比值達到6:1，由于長度、寬度和厚度的限制，這樣設計必然會導致片式屏蔽片的剛性不足，而且片式屏蔽片在沖壓、電鍍后的卷帶包裝很容易產生變形。

圖4 片式屏蔽片尺寸圖

4.3 片式屏蔽片的功能實現

如圖5所示，為公端連接器和母端連接器相互配合的示意圖。在實際應用場合，連接器是分別壓接在不同印刷電路板上。其中，壓接公端連接器的印刷電路板是安裝在設備的機柜里面，壓接母端連接器的印刷電路板是由人工插入設備的機柜。這樣的應用系統，必然會產生很大的系統累積公差，這對連接器的設計相當有挑戰，對客戶的機柜設計也相當有挑戰。實際應用中，經常有發生因為兩塊印刷電路板對位不準，而導致連接器被插壞的現象。

圖5 連接器相互配合的示意圖

針對本文所提到的連接器上的片式屏蔽片來說，如果片式屏蔽片變形而用來組裝成連接器，當這樣的連接器去和另外一個連接器進行互配時，片式屏蔽片就會有被另外一個連接器給撞壞風險，從而使連接器的基本功能得不到保證，這種被撞壞的現象，在客戶早期的樣品測試過程中時有發生，如圖6所示。

圖6 片式屏蔽片撞壞異常

如圖7所示，公母連接器配合后橫切面圖。當兩個連接器相互配合的過程中，片式屏蔽片會進入母端連接器差分對組之間的狹小縫隙內，片式屏蔽片上的觸點與母端連接器差分對組上的屏蔽片接觸，從而達到將母端連接器上的屏蔽片連接在一起。考慮到片式連接器的材料厚度和零件的公差以及連接器的組裝位置度，如果公端連接器的片式屏蔽片有變形的情形，母端連接器差分對組之間的狹小縫隙將不足以讓片式屏蔽片順利的進入，所以片式屏蔽片在連接器相互配合時被損壞的現象就有可能發生。

圖7 公母連接器配合后橫切面圖

4.4 片式屏蔽片結構優化方案

綜合客戶的實際應用，以及產品設計的局限性，在不能絕對保證片式屏蔽片的平面度以及其在產品中的位置精度的情況下，必須對片式屏蔽片的結構設計進行了優化。在這樣的情形下，對產品設計進行了深層次的檢討，采用了新的設計如圖8所示。設計變更前的屏蔽片上端為直線型設計，設計變更后的屏蔽片上端為弧形設計。

圖8 設計變更前后對比

a) 片式屏蔽片結構優化方案原理

圖9為片式屏蔽片裝配示意圖，在連接器裝配過程中，片式屏蔽片兩端會被限制在塑膠兩端狹長形的槽中間，屏蔽片和塑膠槽之間的間隙很小，只有0.10mm，這樣的間隙足夠保證片式屏蔽片的兩端的位置度。片式屏蔽片兩端的位置度得到保證，也是設計變更后的屏蔽片能夠解決屏蔽片在連接器相互配合的過程中被撞壞的關鍵。

圖9 片式屏蔽片裝配示意圖

為了能夠更好的說明設計變更后的片式屏蔽片解決問題的原理，取公端母端連接器互配過程中某個狀態的剖視圖，來說明在連接器互配過程中，片式屏蔽片和母端產品上的地片的位置關系。

如圖10所示，采用設計變更前片式屏蔽片連接器配合示意圖，由于母端連接器的地片的端部和公端連接器的片式屏蔽片的端部都是直線型的結構。在虛線圈內可以看到母端連接器的地片和公端連接器片式屏蔽片的相對位置關系。對于這樣的結構，則需要公端連接器的片式屏蔽片端部同時進入母端連接器差分對組之間的狹小縫隙，這樣才能保證連接器的各項性能得到保證。在這種狀況下，對片式屏蔽片的平面度和片式屏蔽片在連接器上的位置精度要求很高。當出現片式屏蔽片變形，或者位置精度差的狀況時，片式屏蔽片都有被母端地片撞壞的可能。

圖10 采用設計變更前片式屏蔽片連接器配合示意圖

如圖11所示，采用設計變更后片式屏蔽片連接器配合示意圖，公端連接器的片式屏蔽片的端部是弧線型的結構，母端連接器沒有做任何設計變更，在虛線圈內可以看到母端連接器的地片和公端連接器片式屏蔽片的相對位置關系。對于這樣的結構，由于片式屏蔽片在塑膠槽里的位置度能夠控制的很好，且屏蔽片的兩端直線段很短，變形也可以得到很好的控制，所以母端連接器差分對組之間的縫隙完全能夠包容片式屏蔽片兩端的位置偏差。公端產品和母端產品相互配合的時候，公端連接器的片式屏蔽片兩端會先進入母端連接器差分對組之間的狹小縫隙，然后公端連接器片式屏蔽片的中間部分依次進入母端連接器差分對組之間的狹小縫隙，公端連接器的片式屏蔽片進入母端連接器差分對組之間的狹小縫隙是一個循序漸進的過程，這樣即使是在片式屏蔽片變形，或者位置精度差的狀況下，都能順利保證連接器的相互配合，從而使連接器各項性能得到保證。

圖11 采用設計變更前片式屏蔽片連接器配合示意圖

5 應用綜述

經過理論上的論證，新的片式屏蔽片的設計得到產品開發團隊和客戶的認可，經過對片式屏蔽片模具進行設計變更后，采用新的片式屏蔽片在組裝成連接器，進行內部測試，得到預期的效果。送樣客戶進行系統測試，片式屏蔽片被損壞的現象都沒有再發生。所以說，新的片式屏蔽片的設計能夠很好的保證產品的基本功能。針對此結構，申請實用新型專利，專利公開號 : CN211182700U。

6 結語

隨著5G通信技術的迅猛發展，必然會推動背板連接器研發技術的發展。但通信設備的特殊應用場合，也對連接器的可靠性提出嚴苛的要求，而連接器可靠性的保證則來自于連接器優秀的結構設計。所以說，在連接器設計之初，必須充分的了解客戶的需求，理解客戶的應用場景，這樣才能在有好的設計思路的前提條件下，利用團隊的智慧，用合理的結構設計方案去保證連接器的基本性能。