Utilizzare connettori scheda-scheda a passo ridotto per ottimizzare il packaging del sistema

Le soluzioni a scheda singola consentono di risparmiare spazio mettendo tutta l'elettronica di un sistema su una scheda piccola e, in genere, poco costosa. Nel caso dei computer monoscheda (SBC), i progettisti sono chiamati al difficile compito di inserire in quel circuito il massimo in fatto di potenza di calcolo, funzionalità e I/O. Nel mondo reale, però, nelle applicazioni industriali, consumer e medicali in molti casi una sola scheda non è la soluzione migliore e spesso ne servono più di una. È qui che l'importanza dei connettori scheda-scheda (BTB) risulta particolarmente evidente.

Nonostante tutti gli sforzi progettuali che potrebbero essere richiesti per realizzare le varie schede di un sistema, un progetto potrebbe risultare totalmente compromesso se non si prestasse la dovuta attenzione alla scelta del connettore BTB giusto. Questo può accadere sia nelle fasi iniziali a causa di problemi di fattore di forma o di integrità del segnale, sia in seguito sul campo a causa di guasti durante l'uso (o di uso improprio).

Questo articolo analizzerà i problemi di progettazione che rendono necessario l'uso di connettori BTB e i fattori di cui i progettisti devono tener conto nella scelta dei connettori BTB tra l'ampia gamma di opzioni disponibili. Tali opzioni includono le prestazioni del circuito, i requisiti di produzione, il modello di utilizzo, la facilità di riparazione, i tipi di segnali, le dimensioni del connettore e il numero di posizioni di contatto, le interferenze in radiofrequenza (RFI) e quelle elettromagnetiche (EMI) e così via. A titolo di esempio verranno presentate soluzioni di connettori BTB di Phoenix Contact per mostrare come possono risolvere i problemi di connettività delle schede.

Perché utilizzare i connettori BTB?

Esistono almeno dieci situazioni di progettazione, produzione e marketing in cui è preferibile l'uso di due o più schede interconnesse al posto di una:

1. Quando i vincoli del fattore di forma limitano le dimensioni complessive di un approccio che predilige un'unica scheda più grande ed è necessaria una disposizione tridimensionale per sfruttare la profondità del contenitore disponibile.
2. Quando è inaccettabile mettere circuiti analogici I/O o RF di basso livello, altamente sensibili, vicino a circuiti digitali elettricamente rumorosi e ad alta velocità.
3. Quando sono presenti tensioni elevate e le best practice ingegneristiche e gli standard normativi richiedono la separazione.
4. Quando problemi di carattere termico richiedono di separare i componenti più caldi per migliorare la dissipazione e la gestione termica.
5. Quando una determinata sottosezione di un circuito può essere utilizzata o riutilizzata in più versioni di un prodotto, ad esempio una scheda di elaborazione di base che è accoppiata con un display utente multilinea di base e pulsanti, o un touchscreen grafico più sofisticato per modelli diversi di un sistema di allarme o di sensori.
6. Quando la produzione richiede componenti speciali, come dispositivi di alimentazione e dissipatori di calore per i quali serve un processo speciale di produzione/assemblaggio o l'inserimento manuale, mentre il resto può utilizzare l'inserimento e la saldatura automatica.
7. Quando il fornitore prevede di aggiornare una funzione di un sistema, ad esempio il processore e la memoria, ma vuole lasciare invariata la funzione analogica per ammortizzare i costi e perché ritiene che la parte tecnica sia adeguata.
8. Quando l'esperienza sul campo indica che è probabile che una parte del sistema, come l'I/O rivolto verso l'esterno, debba essere sostituita sul campo, mentre le funzioni principali interne, come il processore e la memoria, avranno un tempo medio fino al guasto (MTTF) più lungo.
9. Quando alcuni componenti richiedono un materiale per schede più spesso e un rivestimento in rame più pesante, come nel caso dei componenti di potenza.
10. Quando considerazioni e problematiche relative a EMI/RFI impongono la separazione delle funzioni, ed eventualmente anche la schermatura RF di parte del circuito.

È evidente che esistono molte ragioni legittime di progettazione, produzione e supporto per scegliere di usare o continuare a usare più schede. Tra le applicazioni interessate ci sono sistemi di controllo industriali, controlli di motori, controller a logica programmabile (PLC), unità di allarme e di sicurezza, sistemi medici come macchine radiografiche o ecografiche portatili e dispositivi con diverse interfacce uomo-macchina (HMI) (Figura 1).

Figura 1: Molti prodotti traggono vantaggio da, o hanno assolutamente bisogno di una o più schede. In questo caso servono dei connettori BTB, ma occorre sceglierli con attenzione. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Come selezionare un connettore BTB

Una volta presa la decisione di utilizzare due o più schede collegate, occorre scegliere i connettori BTB adatti. Quasi sempre, non basta trovare una singola coppia di connettori con le giuste specifiche di base. È infatti opportuno identificare prima una famiglia di connettori completamente compatibili ma con diverse opzioni BTB, per evitare di vincolare da subito la scelta del progetto.

A una prima rapida occhiata ai vari connettori offerti anche da un solo fornitore generico ci si potrebbe scoraggiare, ma in realtà la scelta è meno problematica di quanto sembri. Se infatti ci si concentra sulle priorità, sui vincoli e sulle funzioni "imprescindibili", di solito finisce per essere abbastanza ristretta. Inoltre, la disponibilità di così tanti tipi di connettori permette di trovare un abbinamento ottimale tra gli inevitabili compromessi tecnici.

I progettisti possono utilizzare sofisticati strumenti di progettazione assistita da computer (CAD) per modellare le possibili configurazioni fisiche e i possibili orientamenti BTB, compresi mezzanine, madre-figlia e complanare, nonché schede non vincolate grazie ai cavi a nastro (Figura 2). Ma non c'è bisogno di "passare al CAD", perché tecniche meno sofisticate possono essere molto efficaci per le valutazioni iniziali e sono state impiegate con successo. Ad esempio, si possono usare modelli di cartone di varie dimensioni e disposizioni.

Figura 2: Le connessioni scheda-scheda possono avere diversi orientamenti e disposizioni tra cui mezzanine, madre-figlia, complanari e cavi a nastro non vincolati. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Esplorare i gradi di libertà

Oltre all'orientamento di base, la disponibilità di così tante versioni di connettori offre ai progettisti opzioni di layout e posizionamento. Ad esempio, si può scegliere di utilizzare due connettori BTB più piccoli, ognuno con meno posizioni, invece di un solo connettore con più posizioni. Questo permette di semplificare il layout della scheda ed evitare di trasmettere alcuni segnali per l'intera lunghezza della scheda.

Ad esempio, la serie FINEPITCH 1.27 di Phoenix Contact (passo di 1,27 mm) è disponibile in versioni a 12, 16, 20, 26, 32, 40, 50, 68 e 80 posizioni. (Nota: 1,27 mm corrisponde esattamente a 50 mil, un passo comune.) Si considerino due connettori femmina verticali della serie: 1714894 a 26 contatti che ha una larghezza di 21,6 mm e 1714891 la cui unica differenza è data dai 12 contatti, con una larghezza di 12,71 mm, leggermente superiore alla metà di quella della versione a 26 contatti (Figura 3).

L'utilizzo di questi due connettori più piccoli in punti diversi della scheda comporta una penalizzazione dell'ingombro trascurabile, spesso compensata dal minore spazio richiesto per le tracce della scheda e da una migliore integrità del segnale. In modo analogo, la serie FINEPITCH 0.8 (passo di 0,8 mm) di Phoenix Contact comprende una serie di connettori con un passo di 0,8 mm a partire dal connettore femmina 1043682 a 12 posizioni, di 9,58 mm di lunghezza, che può arrivare a 80 posizioni (Figura 4).

Figura 3: Il connettore più piccolo della serie FINEPITCH da 1,27 mm è questa versione 1714891 a 12 posizioni con una larghezza dell'asse lungo di 12,71 mm. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Figura 4: La serie FINEPITCH 0.8 di Phoenix Contact ha un passo di 0,8 mm; il membro più piccolo è 1043682 a 12 posizioni con una lunghezza di 9,58 mm. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Un altro problema è l'altezza del connettore, che deve consentire l'accoppiamento di due schede allineate, parallele, posizionate in modo ottimale e il loro inserimento all'interno del contenitore. Una scheda processore potrebbe essere fissata sul retro dell'alloggiamento del prodotto, mentre una seconda scheda con il display utente e i pulsanti potrebbe essere posizionata a filo contro il pannello frontale.

Per questo motivo, sono disponibili connettori con lo stesso numero di posizioni, della stessa lunghezza e larghezza e una sola differenza chiave: l'altezza. Usando diverse altezze, è possibile supportare un'ampia gamma di spaziature tra i pannelli ovvero l'altezza di impilamento. Ad esempio, i connettori femmina verticali della famiglia FINEPITCH 1.27 di Phoenix Contact sono disponibili con due altezze di 6,25 e 9,05 mm, mentre quelli maschi verticali di accoppiamento sono offerti con altezze di 1,75 e 3,25 mm.

Inoltre - e questo è fondamentale - la coppia accoppiata ha una "lunghezza di scorrimento" di 1,5 mm, pur mantenendo una lunghezza della corsa di contatto affidabile sulla superficie di 0,9 mm. Di conseguenza, vi è un intervallo continuo e non scalare di spaziatura scheda-scheda da 8,0 a 13,8 mm (Figura 5). Utilizzando uno schema simile, la famiglia di connettori FINEPITCH 0.8 di Phoenix Contact, con altezze e lunghezze di scorrimento diverse rispetto alla famiglia FINEPITCH 1.27, supporta un intervallo continuo da 6 a 12 mm. In più, la flessibilità intrinseca della distanza di accoppiamento BTB permette maggiori tolleranze di assemblaggio in produzione.

Figura 5: Date le altezze discrete disponibili dei connettori maschio e femmina della serie FINEPITCH 1.27 e la loro notevole lunghezza di scorrimento, l'altezza di impilamento effettiva BTB può essere compresa tra 8,0 e 13,8 mm. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Supporto dei requisiti EMC e RF

Si presume che i connettori BTB ad alta densità e a contatto multiplo supportino larghezze di banda che vanno ben oltre la potenza e i segnali a bassa frequenza, riducendo così al minimo la necessità di più cavi assemblati discreti in cui ogni cavo supporta un solo segnale. Parametri critici sono le prestazioni del connettore nell'ordine dei gigahertz e la capacità di mantenere l'integrità del segnale a queste frequenze. Allo stesso tempo, occorre considerare la compatibilità elettromagnetica (EMC) per garantire che i segnali ad alta velocità nel connettore non ne siano influenzati, né siano influenzati dai segnali vicini.

Alcune famiglie di connettori sono progettate espressamente per soddisfare le esigenze di larghezza di banda e di compatibilità elettromagnetica. Ad esempio, la serie FINEPITCH 0.8 di Phoenix Contact supporta velocità di trasmissione dati fino a 16 Gbit/s e include percorsi di schermatura multipli da connettore a connettore quando accoppiati (Figura 6), assicurando eccellenti proprietà EMC (Figura 7).

Figura 6: La serie FINEPITCH 0.8 include più percorsi di schermatura da connettore a connettore quando accoppiati per garantire una maggiore protezione. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Figura 7: Questa immagine del campo elettrico intorno a un connettore della serie FINEPITCH 0.8 mostra le prestazioni della sua schermatura. Il blu scuro indica un'intensità di campo elettrico da 0 a 0,1 V/m mentre il rosso intenso indica 1,0 V/m. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Per questi connettori sono disponibili dei parametri S per supportare la modellazione del percorso dei segnali RF ad alta fedeltà, insieme ai dati sulla perdita di inserzione, alla telediafonia (FEXT) che viene misurata sul lato del ricevitore e alla paradiafonia (NEXT) misurata sul lato del trasmettitore (Figura 8).

Figura 8: Grafici della perdita di inserzione (a sinistra) e della paradiafonia (a destra) a 10 GHz di connettori per alte velocità di trasmissione dati come quelli della serie FINEPITCH 0.8. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Al di là dell'ovvio

Malgrado l'apparente semplicità della funzione del connettore, la scelta di una famiglia di connettori idonea richiede anche altre considerazioni, fra cui:

• Compatibilità con i processi di produzione standard ad alto volume (caricamento e saldatura), che richiede anche un alto grado di complanarità del connettore su tutto il corpo, in genere superiore a 0,1 mm.
• Numero di cicli di inserzione per i quali le prestazioni sono garantite anche in caso di usura della placcatura della superficie di contatto dopo cicli ripetuti; 500 cicli sono considerati il massimo livello di prestazioni. La famiglia FINEPITCH 0.8 di Phoenix Contact mantiene una resistenza di contatto inferiore a 20 mΩ, mentre la famiglia FINEPITCH 1.27 rimane al di sotto di 25 mΩ anche dopo 500 cicli (secondo IEC 60512-2-1:2002-02).
• Quando due schede e i loro connettori sono accoppiati, esiste anche il problema reale del disallineamento radiale e angolare.

Il disallineamento non può essere ignorato. In un mondo perfetto, le linee centrali dei connettori maschio e femmina sarebbero perfettamente centrate e non avrebbero alcuna inclinazione l'una rispetto all'altra. Date le dimensioni minuscole di questi connettori a passo ridotto, potrebbe sembrare che tali accoppiamenti errati non siano consentiti, ma se il progetto del connettore è ben concepito si possono compensare alcuni accoppiamenti errati per entrambi i parametri.

La tecnologia ScaleX delle serie FINEPITCH 0.8 e FINEPITCH 1.27 tiene correttamente conto di questa realtà, fornendo una geometria dell'alloggiamento che non si limita a proteggere i contatti dai danni in caso di accoppiamento errato. Offre anche una compensazione della tolleranza corrispondente con un offset centrale di ±0,7 mm e una tolleranza dell'inclinazione di ±2°/±4° rispettivamente lungo gli assi obliqui e longitudinali (Figura 9).

Figura 9: Gli allineamenti del mondo reale non sono mai perfetti, per cui i connettori FINEPITCH da 0,8 mm e FINEPITCH da 1,27 mm tollerano disallineamenti angolari obliqui e longitudinali rispettivamente fino a ±2°/±4° e disallineamenti radiali fuori centro fino a 0,7 mm. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

È importante anche ciò che non si vede

Anche se i connettori non hanno le dimensioni di processo nanometriche dei circuiti integrati, i loro contatti sono strutture meccaniche con elementi minuscoli, tolleranze molto strette e placcatura ultrasottile con metalli preziosi e non preziosi, e i loro corpi sono prodotti tramite stampaggio di precisione. Date le dimensioni dell'area di contatto del metallo e il modo in cui questi contatti sono "annidati" negli alloggiamenti, non è possibile vedere cosa serve per creare una zona di contatto estremamente affidabile.

A queste dimensioni, serve un progetto sofisticato e la capacità di implementarlo nella produzione di grandi volumi su scala di microelementi. Per questo la serie FINEPITCH 0.8 con tecnologia ScaleX è dotata di un doppio contatto esclusivo. Quando accoppiati, i suoi contatti - un maschio e una femmina - consentono una connessione a prova di vibrazioni in uno spazio molto ristretto. I contatti hanno anche i pin di saldatura ad ala di gabbiano, che sono ottimali per i processi di saldatura automatica.

Quando le schede non possono collegarsi direttamente

Anche se il posizionamento e la connessione BTB diretta sono un'opzione interessante, in certe situazioni non è possibile abbinare due o più schede e accoppiarle direttamente tramite connettori BTB. L'ostacolo potrebbe essere il fattore di forma del contenitore del prodotto complessivo, la forma delle schede, oltre a problemi termici o a considerazioni elettriche ed elettroniche quando si posiziona una scheda.

Per risolvere queste situazioni, la serie FINEPITCH 1.27 di Phoenix Contact offre anche connettori femmina a perforazione di isolante (IDC) utilizzabili con cavi piatti. L'utilizzo di questi collegamenti a nastro piatto e flessibile tra due schede permette di separarle fisicamente ma non elettricamente e le schede non hanno bisogno di essere parallele o ad angolo retto l'una rispetto all'altra. Come per i connettori BTB, sono offerti nella gamma completa da 12 a 80 posizioni; 1714902 di Phoenix Contact è la versione volante a 12 posizioni (Figura 10). È disponibile anche una versione per montaggio a pannello.

Figura 10: IDC come il connettore volante a 12 posizioni 1714902 della serie FINEPITCH 1.27 consentono di utilizzare il cavo flessibile in configurazioni in cui non è possibile - o non si desidera - il contatto BTB diretto. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Il cavo piatto per una soluzione BTB IDC è un prodotto altamente ingegnerizzato con conduttori a filo Litz di 30 AWG (0,06 mm²) e una scelta di tre tipi di isolamento: PVC di base (da -10 a +105 °C), per alta temperatura (da -40 a +125 °C) e una versione senza alogeni. Quest'ultima è richiesta dalle norme per alcuni impianti per impedire lo sviluppo del fuoco, e forma anche un rivestimento "carbonizzato" che abbassa l'emissione di gas di carbonio velenosi, fumo e particelle di carbonio che riducono la visibilità.

Grazie alle numerose opzioni sono possibili oltre 10.000 permutazioni. Sono offerti infatti con cinque distinti orientamenti dei cavi e disposizioni dei connettori (Figura 11), nove dimensioni di connettori che supportano tra 12 e 80 posizioni, lunghezze di cavi flessibili da quello abbastanza corto di 5 cm a uno molto più lungo di 95 cm e tre tipi di isolamento. Non è possibile tenerli tutti a magazzino, quindi questi cavi assemblati IDC sono prodotti in base alle necessità utilizzando l'accoppiamento e la configurazione di connettore/cavo desiderati.

Figura 11: Sono riportate tre delle cinque disposizioni e dei cinque orientamenti disponibili per i connettori di un cavo IDC, che offrono ai progettisti la massima flessibilità di posizionamento dei cavi e pochissime restrizioni semplificando i loro percorsi. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Conclusione

I connettori e le interconnessioni sono elementi critici di un progetto completo, per cui occorre tenerne debitamente conto. Quando si utilizzano più schede, i connettori BTB offrono una tecnica comoda, affidabile e ad alte prestazioni per collegare due o più schede secondo diverse disposizioni.

Spesso si sottovalutano le particolarità e la complessità di questi connettori ma, come è stato dimostrato, i connettori BTB ingegnerizzati di precisione come le serie FINEPITCH 0.8 e FINEPITCH 1.27 di Phoenix Contact offrono un'elevata densità di interconnessione, eccellenti prestazioni meccaniche, compatibilità con i processi e il flusso di produzione e prestazioni elettriche che soddisfano i requisiti di velocità di trasmissione dati e di compatibilità elettromagnetica dei sofisticati progetti dei prodotti odierni.