השתמשו במחברי לוח-ללוח במהירות גבוהה כדי להגדיל את צפיפות המעגלים תוך שיפור הביצועים

התקנים אלקטרוניים הולכים ומצטמקים בעוד שקצבי העברת הנתונים עולים. עבור המתכננים, מגמות אלו דורשות שילוב של מעגלים רבים יותר במקומות קטנים יותר, תוך שמירה על קצבי נתונים, אמינות ותקינות אותות. על המתכננים להתייחס גם לזרימת אוויר לצורך קירור והפרדה פיזית כדי למזער הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).

פתרון נפוץ להגדלת צפיפות המעגלים הוא גיבוב לוחות מעגלים מודפסים (לוחות PC). השימוש בלוחות-בת ובלוחות ביניים (Mezzanine‏) מניב שטח גדול יותר בלוח המעגלים תוך מתן נתיבי קירור ובידוד אותות.

מאמר זה סוקר בקצרה את האתגרים העומדים בפני מתכנני מעגלים במהירות גבוהה. לאחר מכן הוא מציג מחברי לוח-ללוח של Würth Elektronik‏ ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם כדי לספק חיבורי אותות אמינים תוך שמירה על תקינות האותות.

לוחות ביניים (Mezzanine‏)

פריסת לוח ביניים מורכבת משני לוחות מודפסים מקבילים המגובבים זה על גבי זה ומחוברים באמצעות מחברי לוח-ללוח (איור 1, משמאל).

איור 1: מוצגות דוגמאות של מגוון לוחות PCB‏ המורכבים על גבי לוחות-ביניים (משמאל); ניתן להרכיב לוחות משניים על מחברים או באמצעות מרווחים להרכבה משטחית או עם תבריג (מימין). (מקור התמונה: Würth Elektronik)

סידור לוח-ללוח זה של שני לוחות מודפסים מעניק שטח פיזי נוסף עבור מעגלים. ניתן להשתמש בו כדי להגדיל את הנצילות הנפחית, לאפשר יכולת-החלפה-בינית, או לספק הפרדה פיזית כדי לשפר את זרימת האוויר ולהפחית EMI. חיברורי לוח-ללוח מחברים לוחות; ללא שימוש בכבלים. מחברי לוחות ביניים מציעים מגוון של גובהי גובהי גיבוב הקובעים את המרווח בין הלוחות. ניתן לתמוך ולשמור את הלוחות העליונים על ידי המחבר או לאבטח אותם באמצעות מרווחים בהרכבה משטחית או עם מרווחים עם תבריג עבור עמידות טובה יותר בפני רעידות וזעזועים (איור 1, מימין).

שיקולי תקינות אותות

תקינות אותות מתארת כיצד אות מעוות או מוחלש כאשר הוא מועבר מלוח אחד ללוח אחר דרך מחבר. חלק מההשפעות הללו, כגון התנגדות המגעים, אינן תלויות בתדר וניתן להתחשב בהן ולתקן אותן בקלות.

עם זאת, שני פרמטרים עיקריים של תקינות אותות שהם תלויי-תדר הם מקדם ההחזרה (ρ‏) ומקדם ההעברה (t‏) (איור 2). מקדם ההעברה מבוטא בדרך כלל כהפסדי תחיבה בדציבלים (dB). מקדם ההחזרה (הפסדי החזרה) נובע מאותות נתונים המוחזרים למקור כאשר הם נתקלים במדרגה בערך האימפדנס. הפסדי תחיבה מכמתים את הניחות דרך נתיב ההעברה. שניהם תלויים באימפדנס המחבר (_CAB‏Z‏) יחסית לאימפדנס הקו של לוח ה-PCB‏ (_s‏Z‏).

איור 2: הפסדי ההחזרה והפסדי התחיבה תלויים באימפדנס המחבר ביחס לאימפדנס קו לוח ה-PCB‏. (מקור התמונה: Würth Elektronik)

הפסדי ההעברה מפחיתים את אמפליטודת האות כשהוא עובר דרך המחבר והוא פרופורציונלי לאורך הנתיב ולגיאומטריה של המחבר. ייתכן גם שיש הפסדי אנרגיה מסוימים עקב ערב-דיבור (Crosstalk‏) קצה-קרוב (NEXT) או ערב-דיבור קצה-רחוק (FEXT). הפסדי ההחזרה ומקדם ההעברה הם פרמטרים תלויי-תדר התלויים בהפרש בין אימפדנס המחבר (במודל של כבל) לבין אימפדנס קו ההעברה של לוח ה-PCB‏, משוער כ-Ω‏ 50‏ בדוגמה זו. מקדמי ההחזרה וההעברה מוגדרים על ידי המשוואות המוצגות.

הגרף באיור 2 מציג את השינוי של פרמטרים אלה כפונקציה של אימפדנס המחבר (כבל). אם אימפדנס המחבר הוא Ω‏ 50‏, הפסדי ההחזרה התיאורטיים הם אפס, ומקדם ההעברה הוא 100%, המציין היעדר הפסדים. אם אימפדנס המחבר שונה מ-Ω‏ 50‏, הפרמטרים משתנים באופן פרופורציונלי להפרש מ- Ω‏ 50‏ לתדר. במחבר, האימפדנס תלוי בחומר הבידוד בו משתמשים ובגיאומטריה של פיני המגע, כולל הרוחב, האורך והמרווח (פסיעה) שלהם. זה מושפע גם מהחיווט של הפינים הסמוכים.

ישנן שתי תצורות חיווט נפוצות להעברת נתונים במהירות גבוהה (איור 3): חיווט קצה-יחיד, כאשר אות הנתונים מיוחס להארקה, ותצורת חיווט דיפרנציאלית, עם שני קווי אות משלימים; כאשר אמפליטודת אות הנתונים היא הפרש המתחים ביניהם. איתות דיפרנציאלי משמש להפחתת רעש והפרעות בקווי האותות הכפולים שלו. באופן כללי, איתות דיפרנציאלי משמש בקצבי הנתונים הגבוהים ביותר. אותות נתונים משויכים לרוב לאות הארקה אחד או יותר כדי להפחית קליטת רעשים.

איור 3: מוצגות שלוש תצורות חיווט אותות נפוצות הממחישות את השימוש במוליכי הארקת ביניים כדי להפחית רעש וקליטת הפרעות. (מקור התמונה: Würth Elektronik, הותאמה על ידי הכותב)

חיווט קצה-יחיד מתוכנן בדרך כלל עבור אימפדנס טיפוסי של Ω‏ 50‏, בעוד שחיווט דיפרנציאלי מתוכנן עבור Ω‏ 100‏. בחירת הפינים מהמחבר ללוח יכולה להשפיע על ביצועי מוליכי ההארקה.

מנקודת מבט של תקינות האותות, מחברי לוח-ללוח חייבים להיות מתוכננים לתמוך באימפדנסים ובקצבי נתונים ספציפיים.

דוגמאות למחברי לוח-ללוח

אפשרות טובה עבור מחברי אותות ביישומי נתונים במהירות גבוהה היא סדרת WR-BTB‏ של Würth Elektronik. אלו הם מחברי לוח-ללוח בהרכבה משטחית הזמינים עם 40, 80 או 100 פינים ופסיעה של 0.80 מ"מ, כמו גם 64 פינים עם פסיעה של 1.00 מ"מ. מחברים בעלי 64 פינים ופסיעה של 1.00 מ"מ תואמים לדרישות מחבר ביניים (Mezzanine‏) IEEE 1386‏. המחברים בפסיעה של 0.80 מ"מ הם מקוטבים כדי למנוע חיבור הפוך. קיימים מספר גובהי גיבוב עבור כל מספר פינים.

כל מחברי WR-BTB כוללים מגעים מסגסוגת נחושת, מצופים זהב באופן סלקטיבי, עם התנגדות מגעים של mΩ‏ 50‏ או פחות, בהתאם למספר הפינים. גופי המחברים עשויים מפלסטיק נטול-הלוגן ההופך אותם לידידותיים יותר לסביבה מבלי להתפשר על החוזק, התנגדות חשמלית, עמידות לטמפרטורת הלחמה במהלך הרכבת לוח המעגלים המודפסים או דירוג הגנה מפני אש. הם פועלים בתחום הטמפרטורות מ-C‏°‏55‏- עד C‏°‏85‏+. בנוסף, הם תואמים לתקן RoHS 3.

בניגוד למחברי RF, למחברי WR-BTB אין אימפדנס טיפוסי קבוע; הוא תלוי בין היתר במידות המגעים, בקבוע הדיאלקטרי של הלוח שבבסיס ובפריסת החיווט של לוח ה-PCB‏. תכני מחברי WR-BTB ממזערים החזרי אותות במערכות לוחות מודפסים במהירות גבוהה עבור קווי קצה-יחיד Ω‏ 50‏ או קווי זוגות-דיפרנציאליים Ω‏ 100‏. לדוגמה, מחברים בעלי פסיעה של 0.8 ו-1 מ"מ תואמים לאיתות PCIe 2.0 או לאיתות דיפרנציאלי USB 2.0 במהירות של 480 מגה-ביט לשנייה (Mbits/s).

דוגמה לזוג מחברי תקע/שקע WR-BTB ספציפיים הוא תקע 658158303064‏ בעל 64 פינים (איור 4, משמאל) ושקע החיבור שלו 658101003064‏ (איור 4, ימין). אלו הם מחברים עם-מעטה בני 64 פינים עם פסיעה של 1.00 מ"מ ורוחב מגע של 0.30 מ"מ. המחברים מדורגים למתח עבודה של _AC‏ V‏ 100‏ וזרם של 1,000 מיליאמפר (mA). התנגדות המגעים המקסימלית של מחברים אלה היא mΩ‏ 30‏. שני המחברים כוללים מובילי לוח משולבים בהרכבה משטחית וכוללים מהדקי Pick-and-Place‏ (PnP). אלה מספקים משטח ישר עבור נחירי הוואקום של מכונת PnP כדי ללקט את המחברים מבלי לפגוע במגעים.

איור 4: מוצג זוג תקע/שקע בעל 64 פינים, פסיעה של 1.0 מ"מ, עם מהדקי PnP. (מקור התמונה: Würth Elektronik)

מספר הפינים הגבוה ביותר הזמין במשפחת מוצרים זו הוא 100 פינים, כגון תקע 100 פינים 658855603100‏ עם פסיעה של 0.80 מ"מ המתאים לשקע 658807713100‏. למחברים אלה יש דירוג מתח של VAC‏ 50‏ והם יכולים להתמודד עם זרמים של עד mA‏ 500‏. התנגדות המגעים המקסימלית היא mΩ‏ 50‏.

גובהי הגיבוב נבחרים על ידי בחירת צירופים ספציפיים של זוגות תקע ושקע. גובהי הגיבוב הזמינים תלויים במספר הפינים ובפסיעה (איור 5).

איור 5: ניתן לבחור גובהי גיבוב על בסיס גובה המחבר ומספר המוליכים. (מקור התמונה: Würth Elektronik, הותאמה על ידי הכותב)

כדי לראות איך זה עובד, גובה הגיבוב של תקע 658158303064 ושקע 658101003064 (מסומן בכחול) הוא 14.75 מ"מ כאשר הם מחוברים. אם השקע משתנה ל-658105303064‏ (מסומן בירוק), גובה הגיבוב הוא 9.75 מ"מ. עם שני רכיבי תקע ושלושה רכיבי שקע, שישה גובהי גיבוב, הנעים בין 7.75 ל-14.75 מ"מ, זמינים עבור מחברים בעלי 64 פינים ופסיעה של 1.0 מ"מ. מחבר בפסיעה של 0.80 מ"מ מציע מגוון רחב יותר של גובהי גיבוב.

לעומת זאת, תקע 100 פינים 658855603100 בפסיעה של 0.80 מ"מ המחובר לשקע 658807713100 מציע רק גובה גיבוב יחיד של 10 מ"מ.

יישומים

מחברי לוח-ללוח משמשים במגוון רחב של יישומים, כולל מוצרי אלקטרוניקה לצרכנים, מערכות רכב, אוטומציה תעשייתית, התקנים רפואיים ועוד רבים.

בלוחות ביניים (Mezzanine‏), המשתמשים במחברי לוח-ללוח, ניתן להשתמש בנסיבות הבאות:

• עבור תת-מכללים הדורשים זרימת-אוויר משופרת ומקום פיזי עבור קירור
• כדי לאפשר את השימוש בתת-מכלל משותף על פני מספר דגמי מוצרים כדי להפחית עלויות
• כדי לפשט את ההרכבה על ידי מתן אפשרות להרכבת שני הלוחות בנפרד לפני חיבורם
• כדי לאפשר ניתוק וחיבור מחדש של לוחות PCB‏ ולאפשר גמישות תכנון
• עבור מעגלים מיוחדים, כגון ספקי כוח בתדר רדיו (RF) או מתח גבוה (HV), אשר ניתנים לבידוד כתת-מכללים Mezzanine‏
• לשדרוג קל של לוחות

אלו הן רק חלק קטן מהפונקציות שמאפשר לוח ביניים עם מחברי לוח-ללוח.

אישורי סביבה ובטיחות

מחברי WR-BTB מורשים או תואמים לתקני הסביבה והבטיחות הנפוצים החלים על מחברים (איור 6).

הרשאות:

איור 6: מוצגות הרשאות הסביבה והבטיחות של WR-BTB. (מקור התמונה:Elektronik‏Würth‏

סיכום

מחברי לוח-ללוח של Würth Elektronik המשמשים בתצורות Mezzanine‏ משפרים את הנצילות הנפחית, תקינות האותות והאמינות של התקנים אלקטרוניים. הם גם מספקים זרימת אוויר יעילה יותר עבור קירור, משפרים את הבידוד האלקטרומגנטי ומפשטים את ההרכבה.