Utiliser des connecteurs carte-à-carte à pas étroit pour optimiser le boîtier d'un système

Les solutions monocartes permettent de gagner de l'espace en plaçant tous les composants électroniques d'un système sur une seule carte à circuit imprimé compacte et plus économique. Dans le cas des ordinateurs monocartes (SBC), les concepteurs doivent réaliser de gros efforts pour inclure autant de puissance de traitement, de fonctionnalités et d'E/S que possible sur cette carte à circuit imprimé. Cependant, il existe en réalité de nombreuses applications industrielles, grand public et médicales dans lesquelles une seule carte n'est pas la meilleure solution et où plusieurs cartes à circuit imprimé sont nécessaires. C'est là que les connecteurs carte-à-carte (BTB) prennent toute leur importance.

Malgré tous les efforts de conception qui peuvent être déployés dans la conception des différentes cartes d'un système, le fait de ne pas accorder suffisamment d'attention au connecteur carte-à-carte approprié peut affecter entièrement la conception. Cela peut se produire dès le début en raison de problèmes de facteur de forme ou d'intégrité des signaux, ou plus tard sur le terrain en raison de défaillances liées à l'utilisation (ou à la mauvaise utilisation).

Cet article présente les problèmes de conception qui rendent les connecteurs carte-à-carte nécessaires et les facteurs que les concepteurs doivent prendre en compte lors de la sélection de connecteurs carte-à-carte parmi les nombreuses options disponibles. Ces facteurs incluent les performances des circuits, les exigences de production, le modèle d'utilisation, la facilité de réparation, les types de signaux, la taille du connecteur et le nombre de positions de contact, les perturbations radioélectriques (RFI) et les interférences électromagnétiques (EMI), pour n'en citer que quelques-uns. Cet article présente à titre d'exemple des solutions de connecteurs carte-à-carte de Phoenix Contact et montre comment elles contribuent à résoudre les problèmes de connectivité de carte des concepteurs.

Pourquoi utiliser des connecteurs carte-à-carte ?

Il existe au moins dix situations de conception, de production et de marketing dans lesquelles il est pertinent d'utiliser deux cartes à circuit imprimé interconnectées ou plus plutôt qu'une seule :

1. Lorsque des contraintes de format limitent la taille globale d'une approche monocarte plus grande et qu'une configuration tridimensionnelle est nécessaire pour exploiter la profondeur de boîtier disponible.
2. Lorsqu'il n'est pas acceptable de placer des circuits RF ou E/S analogiques hautement sensibles de bas niveau à proximité de circuits numériques haute vitesse bruyants.
3. Lorsqu'il existe de hautes tensions et que les bonnes pratiques d'ingénierie ainsi que les normes réglementaires exigent une séparation.
4. Lorsque des préoccupations thermiques nécessitent le placement des composants plus chauds à un endroit distinct pour une meilleure dissipation et une meilleure gestion thermique.
5. Lorsque la sous-section d'un circuit donné peut être utilisée ou réutilisée dans plusieurs versions d'un produit, comme une carte de traitement principale qui est associée à des boutons-poussoirs et à un écran utilisateur multiligne de base, ainsi qu'à un écran tactile plus sophistiqué pour différents modèles d'un système d'alarme ou de capteur.
6. Lorsque la production nécessite des composants spéciaux, comme des dispositifs de puissance et des dissipateurs thermiques qui requièrent un processus de fabrication/d'assemblage spécial ou une insertion manuelle, tandis que le reste peut utiliser une insertion et un soudage automatisés.
7. Lorsque le fournisseur prévoit de mettre à niveau une fonction d'un système, comme le processeur et la mémoire, mais souhaite garder la fonction analogique inchangée en raison de sa fiabilité technique et de l'amortissement des coûts.
8. Lorsque l'expérience sur le terrain indique qu'une partie du système (comme les E/S orientées vers l'extérieur) a plus de chances d'avoir besoin d'un remplacement sur le terrain, tandis que les fonctions de base internes (comme le processeur et la mémoire) présentent un temps moyen de fonctionnement avant panne (MTTF) plus long.
9. Lorsque certains composants nécessitent un matériau de carte à circuit imprimé plus épais et un placage en cuivre plus conséquent, comme pour les composants de puissance.
10. Lorsque des considérations et des préoccupations EMI/RFI exigent une séparation entre les fonctions, voire le blindage RF d'une partie des circuits.

Il existe évidemment de nombreux motifs de conception, de production et de prise en charge légitimes pour choisir d'utiliser plusieurs cartes à circuit imprimé. C'est notamment le cas pour les systèmes de contrôle industriel, les commandes moteur, les contrôleurs logiques programmables (PLC), les unités d'alarme et de sécurité, les systèmes médicaux comme les machines à rayons X ou à ultrasons portables, et les dispositifs avec différentes interfaces homme-machine (IHM) (Figure 1).

Figure 1 : De nombreux produits tirent parti d'une ou de plusieurs cartes à circuit imprimé, ou en ont absolument besoin, ce qui rend les connecteurs carte-à-carte nécessaires. Mais ceux-ci doivent être sélectionnés avec soin. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Comment choisir un connecteur carte-à-carte

Une fois que la décision d'utiliser deux cartes à circuit imprimé connectées ou plus est prise, les concepteurs doivent choisir les connecteurs carte-à-carte appropriés. Dans pratiquement tous les cas, il ne s'agit pas uniquement de trouver une paire de connecteurs présentant les spécifications de base appropriées. Il convient plutôt d'identifier tout d'abord une gamme de connecteurs entièrement compatibles avec différentes options carte-à-carte, afin que le choix de conception ne soit pas limité à l'avance.

Un rapide coup d'œil aux divers connecteurs proposés par ne serait-ce qu'un seul fournisseur peut rendre le processus de prise de décision intimidant, mais ce n'est pas aussi complexe qu'il y paraît. Lorsque les concepteurs se concentrent sur leurs priorités, les contraintes et les éléments « indispensables », les options de connecteurs spécifiques à utiliser se réduisent et deviennent raisonnables. En outre, la disponibilité d'un si grand nombre de styles de connecteurs signifie que les concepteurs peuvent trouver un couplage qui limite les compromis techniques inévitables au strict minimum.

Les concepteurs peuvent utiliser des outils de conception assistée par ordinateur (CAO) sophistiqués pour modéliser les configurations physiques possibles et les orientations carte-à-carte possibles, notamment mezzanine, mère-fille, coplanaire ou encore sans contrainte via des câbles plats (Figure 2). Cependant, il n'est pas nécessaire d'utiliser à tout prix la CAO, car certaines techniques moins sophistiquées peuvent également être très efficaces pour les évaluations initiales et ont déjà été utilisées avec succès. C'est notamment le cas des maquettes de cartes dans diverses tailles et configurations.

Figure 2 : Les connexions carte-à-carte peuvent présenter diverses orientations et configurations, notamment mezzanine, mère-fille, coplanaire et sans contrainte via des câbles plats. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Explorer les degrés de liberté

Au-delà de l'orientation de base, la disponibilité d'un si grand nombre de versions de connecteurs offre aux concepteurs des options de configuration et de placement. Par exemple, le concepteur peut choisir d'utiliser deux connecteurs carte-à-carte plus petits, qui présentent chacun moins de positions, plutôt qu'un seul connecteur offrant plus de positions. Cette approche peut simplifier la configuration de la carte et éviter que certains signaux aient à traverser toute la longueur de la carte à circuit imprimé.

Par exemple, la série FINEPITCH 1.27 (pas de 1,27 mm) de Phoenix Contact est disponible avec des versions à 12, 16, 20, 26, 32, 40, 50, 68 et 80 positions. (Remarque : 1,27 mm équivaut exactement à 0,05 pouce, ou 50 mils, ce qui est un pas courant.) Prenons deux connecteurs femelles verticaux de la série : le connecteur 1714894 à 26 contacts qui présente une largeur de 21,6 mm, et le connecteur 1714891 à 12 contacts qui présente une largeur de 12,71 mm, soit un peu plus de la moitié de celle de la version à 26 contacts (Figure 3).

L'utilisation de ces deux connecteurs plus petits à différents endroits de la carte à circuit imprimé entraîne une pénalité négligeable en termes d'empreinte, qui est souvent compensée par la réduction de l'espace nécessaire pour les traces de circuit imprimé et par l'amélioration de l'intégrité du signal. De même, la série FINEPITCH 0.8 (pas de 0,8 mm) de Phoenix Contact inclut des connecteurs avec un pas de 0,8 mm à partir de 12 positions (socle de connecteur 1043682 de 9,58 mm de long) et jusqu'à 80 positions (Figure 4).

Figure 3 : Le plus petit connecteur de la série FINEPITCH 1,27 mm est cette version 1714891 à 12 positions avec une largeur d'axe longitudinal de 12,71 mm. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Figure 4 : La série de connecteurs FINEPITCH 0.8 de Phoenix Contact présente un pas de 0,8 mm, le membre le plus petit étant le connecteur 1043682 à 12 positions avec une longueur de 9,58 mm. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Un autre problème concerne la hauteur du connecteur. Les concepteurs doivent s'assurer que deux cartes parallèles alignées puissent être raccordées en tenant à l'intérieur du boîtier, tout en étant chacune placée à un endroit optimal. Une carte processeur peut être fixée à l'arrière du logement d'un produit, tandis qu'une deuxième carte avec l'écran utilisateur et les boutons peut être placée contre le panneau avant.

Pour cette raison, les connecteurs sont disponibles avec un nombre de positions, une longueur et une largeur identiques, mais avec une différence clé : leur hauteur. En mélangeant différentes hauteurs, il est possible de prendre en charge un large éventail d'espacements entre les cartes, appelés « hauteur de pile ». Par exemple, les connecteurs femelles verticaux de la gamme FINEPITCH 1.27 de Phoenix Contact sont disponibles dans deux hauteurs de 6,25 mm et 9,05 mm, tandis que les connecteurs mâles verticaux de raccordement sont disponibles dans des hauteurs de 1,75 mm et 3,25 mm.

En outre, et il s'agit ici d'un point essentiel, la paire raccordée présente une « longueur de protection » de 1,5 mm tout en maintenant une longueur de protection de contact en surface fiable de 0,9 mm. Par conséquent, la plage continue d'espacement carte-à-carte disponible s'étend de 8,0 mm à 13,8 mm (Figure 5). En utilisant un schéma similaire, la gamme de connecteurs FINEPITCH 0.8 de Phoenix Contact, avec des hauteurs et des longueurs de protection différentes de celles de la gamme FINEPITCH 1.27, prend en charge une plage continue de 6 mm à 12 mm. Autre avantage : la flexibilité inhérente quant à la distance de raccordement carte-à-carte permet également d'assouplir les tolérances d'assemblage dans la production.

Figure 5 : Grâce aux hauteurs discrètes disponibles des connecteurs mâles et femelles de la série FINEPITCH 1.27 et à leur longueur de protection importante, la hauteur de pile carte-à-carte réelle peut être comprise entre 8,0 mm et 13,8 mm. (Source de l'image : Phoenix Contact

Répondre aux besoins CEM et RF

Les connecteurs carte-à-carte à contacts multiples et à haute densité sont prévus pour prendre en charge des largeurs de bande qui vont bien au-delà des signaux de puissance et des signaux à fréquence plus faible, ce qui réduit la nécessité d'utiliser plusieurs assemblages de câbles discrets où chaque câble prend en charge un seul signal. Les performances des connecteurs dans la plage gigahertz, ainsi que la capacité à maintenir l'intégrité des signaux à ces fréquences, sont des paramètres essentiels. En même temps, il faut prendre en compte la compatibilité électromagnétique (CEM) pour s'assurer que les signaux haute vitesse dans le connecteur ne sont pas affectés, ni affectés par des signaux à proximité.

Certaines gammes de connecteurs sont spécialement conçues pour répondre aux besoins en matière de largeur de bande et de compatibilité électromagnétique. Par exemple, la série FINEPITCH 0.8 de Phoenix Contact prend en charge des débits de données de 16 gigabits/seconde (Gbit/s) et inclut plusieurs trajets de blindage connecteur-à-connecteur après raccordement (Figure 6), résultant en d'excellentes propriétés CEM (Figure 7).

Figure 6 : La série FINEPITCH 0.8 inclut plusieurs trajets de blindage connecteur-à-connecteur après raccordement, pour un blindage amélioré. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Figure 7 : Cette image du champ électrique autour d'un connecteur de la série FINEPITCH 0.8 montre les performances de son blindage. Le bleu foncé indique une intensité de champ électrique de 0 à 0,1 volt/mètre (V/m), tandis que le rouge vif indique une intensité de 1,0 V/m. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Des paramètres S sont disponibles pour ces connecteurs afin de prendre en charge la modélisation du trajet du signal RF haute-fidélité, ainsi que des données sur la perte d'insertion, la télédiaphonie (FEXT) qui est mesurée côté récepteur, et la paradiaphonie (NEXT) qui est mesurée côté émetteur (Figure 8).

Figure 8 : Les connecteurs pour débits de données élevés, comme la série FINEPITCH 0.8, incluent des graphiques de perte d'insertion (à gauche) et de paradiaphonie (à droite) jusqu'à 10 GHz. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Dépasser l'évidence

Malgré la simplicité apparente de la fonction d'un connecteur, la sélection d'une gamme de connecteurs appropriée nécessite également d'autres considérations, notamment :

• La compatibilité avec les processus de production haut volume standard (chargement et soudage), qui exige également un degré élevé de coplanarité globale des connecteurs, typiquement supérieur à 0,1 mm.
• Le nombre de cycles d'insertion pour lequel les performances sont garanties, même en cas d'usure du placage de la surface de contact après des cycles répétés. Le niveau de performances considéré comme étant le plus élevé est de 500 cycles. La gamme FINEPITCH 0.8 de Phoenix Contact maintient une résistance de contact de moins de 20 milliohms (mΩ), tandis que sa gamme FINEPITCH 1.27 reste en dessous de 25 mΩ après 500 cycles (conformément à CEI 60512-2-1:2002-02).
• Il existe également la réalité du désalignement radial et angulaire lorsque deux cartes et leurs connecteurs sont raccordés.

Ce dernier point du désalignement est une réalité que les concepteurs doivent prendre en compte. Dans un monde parfait, les lignes centrales des connecteurs mâles et femelles seraient parfaitement centrées et ne présenteraient aucune inclinaison les unes par rapport aux autres. Étant donné les dimensions miniatures de ces connecteurs à pas fin, on pourrait penser qu'aucun décalage de ce genre n'est admissible, mais une bonne conception de connecteur s'adapte à un léger décalage pour ces deux paramètres.

La technologie ScaleX des séries FINEPITCH 0.8 et FINEPITCH 1.27 tient bien compte de cette réalité en fournissant une géométrie de logement qui va bien au-delà de la protection des contacts contre les dommages en cas de décalage. Elle offre également une compensation de tolérance correspondante avec un décalage de centre de ±0,7 mm et une tolérance d'inclinaison de ±2°/±4° le long de l'axe oblique et de l'axe longitudinal, respectivement (Figure 9).

Figure 9 : Les alignements dans le monde réel ne sont jamais parfaits. Les connecteurs FINEPITCH 0,8 mm et FINEPITCH 1,27 mm tolèrent donc un désalignement angulaire oblique et longitudinal jusqu'à ±2°/±4° respectivement, et un désalignement radial par rapport au centre jusqu'à 0,7 mm. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Ce que vous ne voyez pas est également important

Même si les connecteurs ne possèdent pas les dimensions nanométriques des circuits intégrés, leurs contacts sont des structures mécaniques qui présentent des éléments minuscules, des tolérances strictes et un placage ultrafin en métal précieux et non précieux, tandis que leurs corps constituent également des moulages de précision. Étant donné la taille de la zone de contact en métal et la façon dont ces contacts sont « encastrés » dans les logements, il n'est pas possible de voir ce qui se cache derrière la création d'une zone de contact hautement fiable.

À ces dimensions, il faut une conception sophistiquée combinée avec la capacité de l'implémenter dans une fabrication à haut volume à l'échelle des micro-éléments. C'est la raison pour laquelle la série FINEPITCH 0.8 avec la technologie ScaleX présente un double contact unique. Lorsque le connecteur est raccordé, ses contacts (un élément mâle et un élément femelle) permettent une connexion résistant aux vibrations dans un espace très restreint. Les contacts présentent également des broches à souder papillons, qui sont optimales pour les processus de soudage automatique.

En cas de connexion directe des cartes impossible

Même si le placement et la connexion carte-à-carte directs constituent une option intéressante, il existe des situations dans lesquelles il n'est pas possible de raccorder directement deux cartes à circuit imprimé ou plus via des connecteurs carte-à-carte. Cela peut être dû au format du boîtier du produit dans son ensemble, à la forme des cartes, à des aspects électriques et électroniques lors de l'installation d'une carte, ou à des problèmes thermiques.

Pour s'adapter à ces situations, la série FINEPITCH 1.27 de Phoenix Contact propose également des connecteurs autodénudants (IDC) femelles qui peuvent être utilisés avec des câbles plats. L'utilisation de ces connexions de câble plat flexible entre deux cartes à circuit imprimé leur permet d'être séparées physiquement, mais pas électriquement, et il n'est pas nécessaire que les cartes soient parallèles ou perpendiculaires. En ce qui concerne les connecteurs carte-à-carte, ils sont disponibles dans la gamme complète de 12 à 80 positions. Le connecteur 1714902 de Phoenix Contact est la version à 12 positions à suspension libre (Figure 10). Une version à montage sur panneau est également disponible.

Figure 10 : Les connecteurs autodénudants, comme le connecteur à suspension libre 1714902 à 12 positions de la série FINEPITCH 1.27, permettent l'utilisation d'un câble flexible dans les configurations où il n'est pas possible (ou souhaitable) d'avoir un contact carte-à-carte direct. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Le câble plat pour la configuration carte-à-carte IDC est également un produit de pointe, avec des fils conducteurs de Litz d'un calibre de 30 AWG (0,06 mm²) et trois types d'isolant au choix : PVC de base (-10°C à +105°C), haute température (-40°C à +125°C) et une version sans halogène. Cette dernière est requise par code pour certaines installations afin d'éviter les incendies, et permet également de former un revêtement de type « carbonisation » qui réduit les émissions de gaz carboniques toxiques, de fumée pouvant réduire la visibilité et de particules de carbone.

Étant donné qu'il existe cinq orientations de câble et configurations de connecteur distinctes (Figure 11), neuf tailles de connecteur prenant en charge entre 12 et 80 positions, des longueurs de câble flexible de 5 cm (~2 pouces) à 95 cm (~37,5 pouces) et trois types d'isolant disponibles, cela donne plus de 10 000 combinaisons possibles. Comme il n'est pas possible de stocker toutes ces combinaisons, ces assemblages de câbles IDC sont fabriqués selon les besoins en utilisant la configuration et le couplage connecteur/câble souhaités.

Figure 11 : La figure montre trois des cinq configurations et orientations disponibles pour les connecteurs d'un câble IDC, offrant aux concepteurs une flexibilité de placement de câble maximale et des restrictions minimales en simplifiant les longueurs et les placements des câbles. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Conclusion

Les connecteurs et les interconnexions sont des éléments essentiels d'une conception complète qui nécessitent une attention particulière dès le début. Lorsque plusieurs cartes à circuit imprimé sont utilisées, les connecteurs carte-à-carte offrent une technique pratique, fiable et hautes performances pour la connexion de deux cartes ou plus dans diverses configurations.

Les nuances et la complexité de ces connecteurs sont souvent sous-estimées, mais comme indiqué ici, certains connecteurs carte-à-carte de précision (comme les séries FINEPITCH 0.8 et FINEPITCH 1.27 de Phoenix Contact) offrent une densité d'interconnexion élevée, des performances mécaniques supérieures, une compatibilité avec les flux et les processus de production, et des performances électriques qui répondent aux exigences de débit de données et de compatibilité électromagnétique des conceptions de produit sophistiquées actuelles.