一種高可靠性快速連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 倩， 王 坤， 周 婧， 林 青， 張 一

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072)

一種高可靠性快速連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 倩， 王 坤， 周 婧， 林 青， 張 一

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072)

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要采用焊線對(duì)接的方式實(shí)現(xiàn)通訊，然而這種通訊方式結(jié)構(gòu)形式安裝復(fù)雜，無(wú)法滿足更高速電子信號(hào)的高可靠性連接以及在惡劣電磁環(huán)境下電子設(shè)備仍能穩(wěn)定工作的要求.因此，提出一種高可靠性快速連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案采用剛?cè)峤Y(jié)合設(shè)計(jì)，取消了計(jì)算機(jī)內(nèi)部原有的焊線連接，結(jié)果表明，該快速連接結(jié)構(gòu)工藝合理，實(shí)現(xiàn)了機(jī)箱的快速裝配，裝配時(shí)間由原來(lái)的120 h銳減到6 h以內(nèi)，有效縮短了機(jī)箱的裝配時(shí)間，排除了導(dǎo)線虛焊的故障點(diǎn)，提高了計(jì)算機(jī)的可靠性和可維修性.剛?cè)峤Y(jié)合的連接方式，降低了信號(hào)之間的相互干擾，提高了產(chǎn)品的電磁兼容性和信號(hào)完整性，對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)的性能有很好的提升效果.

快速連接結(jié)構(gòu)；剛?cè)峤Y(jié)合；電磁兼容；可靠性

Abstract：The traditional computer uses mainly the internal welding wire to realize the communication. But the form of the communication is complicated to install, unable to meet high reliable connection requirements for higher-speed electronic signals. The system cannot maintain a stable working state in the harsh electromagnetic environment. Therefore, a design of high reliable and fast connection structure is proposed in this paper. The rigid and flexible design replaces the original welding wire connection. The result shows that the structure has better manufacturability and rapid assembly ability. Assembly time is reduced from 120 hours to 6 hours. The virtual welding point is eliminated. These aspects improve the reliability and maintainability of the system. The rigid and flexible connection improves the signal integrity. The performance of the whole computer is well improved.

Keywords: fast connection structure；rigid and flexible connection；EMC；reliability

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)內(nèi)部模塊之間通過(guò)焊線的方式實(shí)現(xiàn)通訊，該結(jié)構(gòu)形式安裝復(fù)雜，裝配時(shí)間較長(zhǎng)，線纜之間存在嚴(yán)重的信號(hào)干擾，無(wú)法滿足更高速電子信號(hào)的高可靠性連接以及在惡劣電磁環(huán)境下電子設(shè)備仍能穩(wěn)定工作的要求，因此對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、保證其可靠連接是整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量保證的重點(diǎn)和難點(diǎn).本研究設(shè)計(jì)了一種高可靠性快速連接結(jié)構(gòu)，有效降低了信號(hào)之間的相互干擾，極大縮短了故障定位時(shí)間，提高了計(jì)算機(jī)的可靠性和可維修性.另外，剛?cè)峤Y(jié)合的連接方式提高了產(chǎn)品的電磁兼容性和信號(hào)完整性，對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)的性能有很好的提升效果.

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

原計(jì)算機(jī)內(nèi)部各模塊之間通過(guò)焊線形式實(shí)現(xiàn)對(duì)接，如圖1所示，這種方式裝配工藝性較差，故障定位困難，信號(hào)完整性較差.高可靠性快速連接結(jié)構(gòu)取消了原有的焊線連接，前面板與母板之間通過(guò)TRM插頭和插座實(shí)現(xiàn)可靠對(duì)接，母板與轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)成剛?cè)嵋惑w化結(jié)構(gòu)，如圖2所示.該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的模塊化安裝，有效縮短了故障定位時(shí)間，提高了計(jì)算機(jī)的可靠性和電磁兼容性.

圖1 原計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2 高可靠性快速連接結(jié)構(gòu)

2 前面板濾波設(shè)計(jì)

為了改善信號(hào)質(zhì)量，提高系統(tǒng)的電磁兼容性，在前面板設(shè)計(jì)中將所有連接器集中在一塊PCB板上即前面板總成,如圖3所示.連接器均采用低通濾波連接器，可將信號(hào)中不必要的高次諧波濾除掉[1].在結(jié)構(gòu)形式上所有連接器均采用先進(jìn)的浮動(dòng)設(shè)計(jì)，裝配時(shí)可對(duì)其進(jìn)行微調(diào)節(jié)，有效釋放連接器與前面板的安裝應(yīng)力，提高產(chǎn)品可靠性.連接器的法蘭盤(pán)位于同一個(gè)平面內(nèi)，法蘭盤(pán)與箱體之間配裝密封條，保證連接器與前面板的密封安裝.

前面板總成集成了多個(gè)I/O連接器，實(shí)現(xiàn)了連接器的模塊化安裝，有利于實(shí)現(xiàn)連接器與母板之間的剛?cè)峤Y(jié)合設(shè)計(jì)，進(jìn)而極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)完整性和電磁兼容性.

圖3 前面板總成

3 轉(zhuǎn)接板集成連接器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，前面板連接器與母板之間的通訊是通過(guò)“隔板總成”來(lái)實(shí)現(xiàn)的.前面板連接器與隔板總成，隔板總成與母板之間均通過(guò)焊接導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)通訊.由于信號(hào)多，焊線錯(cuò)綜復(fù)雜，焊線容易脫落，不易查出問(wèn)題所在.為了提高可靠性和工藝性，在前面板總成與母板之間設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)渡的轉(zhuǎn)接板卡.轉(zhuǎn)接板集成連接器設(shè)計(jì)包括安裝支架設(shè)計(jì)、連接器選型和TRM連接器簧片選型三部分.

3.1 安裝支架設(shè)計(jì)

在轉(zhuǎn)接板后方設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)接板安裝支架，用于固定轉(zhuǎn)接板.設(shè)計(jì)安裝支架過(guò)程中，充分考慮轉(zhuǎn)接板與前面板的安裝工藝性，在安裝支架兩側(cè)設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)工藝孔.在整機(jī)裝配時(shí)，首先將前面板總成安裝在前面板上，通過(guò)螺釘將前面板固定在箱體前側(cè)，然后安裝轉(zhuǎn)接板，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)接板安裝支架上的工藝孔可以對(duì)轉(zhuǎn)接板的徑向位置進(jìn)行微調(diào)，使矩形連接器的頭和座實(shí)現(xiàn)可靠對(duì)接，消除安裝應(yīng)力，提高連接器的可靠性.

3.2 連接器選型

由于計(jì)算機(jī)采用無(wú)焊線的連接方式，前面板總成與母板之間可靠連接是計(jì)算機(jī)質(zhì)量保證的重點(diǎn)和難點(diǎn).其關(guān)鍵點(diǎn)在于矩形連接器的選型，通過(guò)對(duì)連接器的綜合分析，選擇使用TRM插頭和插座，其中TRM插頭部分安裝在轉(zhuǎn)接板前側(cè)，TRM插座安裝在前面板總成后方，對(duì)接形式如圖4所示.

圖4 TRM插頭和插座對(duì)接結(jié)構(gòu)

3.3 TRM連接器簧片選型

為保證TRM連接器頭座對(duì)插后信號(hào)的高可靠性連接，TRM連接器內(nèi)部接觸簧片選用多點(diǎn)接觸的簧爪接觸件.簧爪接觸件是冠簧接觸件的一種，為圓形針孔結(jié)構(gòu)，它采用高彈性的鈹銅帶材卷繞成圓筒狀的孔形結(jié)構(gòu)，一端分成圓錐形三瓣用于與插針接觸，如圖5所示，可有效避免簧片變形和基座變形對(duì)接觸的影響，適用于高速信號(hào)傳輸，最大傳輸速率可達(dá)5 Gbit/s.

圖5 簧爪插孔示意圖

4 母板剛?cè)峤Y(jié)合設(shè)計(jì)

母板組件與轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)成剛?cè)嵋惑w化結(jié)構(gòu)[3]，母板與轉(zhuǎn)接板之間通過(guò)柔性PCB實(shí)現(xiàn)通訊，取消了原有的導(dǎo)線連接方式，采用目前流行的柔性PCB實(shí)現(xiàn)通訊.剛?cè)峤Y(jié)合的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了母板與轉(zhuǎn)接板之間的高可靠性連接，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的電磁兼容性和信號(hào)完整性都有明顯提升.該模塊的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)包括材料選型、免連接器設(shè)計(jì)、彎曲型設(shè)計(jì)、平滑性設(shè)計(jì)、信號(hào)完整性及電磁兼容性設(shè)計(jì).

4.1 材料選型

母板和轉(zhuǎn)接板采用剛性PCBs(PRC)設(shè)計(jì)，連接部分使用柔性PCBs(FPC)板，兩者通過(guò)通孔連接在一起，形成剛?cè)嵋惑w化復(fù)合板.柔性電路板在三維空間可任意移動(dòng)、伸縮，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)彎曲，并依照空間布局要求任意安裝，從而達(dá)到元器件裝配和導(dǎo)線連接的一體化，實(shí)現(xiàn)無(wú)焊線互連的空間延伸，如圖6所示.

圖6 剛?cè)嵋惑w化設(shè)計(jì)示意圖

4.2 免連接器設(shè)計(jì)

剛?cè)嵋惑w化復(fù)合板去掉了連接器，通過(guò)過(guò)孔及壓縮技術(shù)連接剛性板和柔性板,縮小了產(chǎn)品體積；剛?cè)嵋惑w化復(fù)合板與傳統(tǒng)連接器的板卡相比對(duì)公差的要求較低，允許更大的公差范圍，可有效提升裝配速度縮短安裝時(shí)間，降低安裝成本.此外，還可有效減少?zèng)_擊、振動(dòng)、潮濕等環(huán)境下引起的連接器故障問(wèn)題，避免因連接器因素引起的傳輸不穩(wěn)定等可靠性問(wèn)題.

4.3 彎曲性設(shè)計(jì)

綜合考慮裝配尺寸、可靠性及成本因素，柔性連接部分采用8層設(shè)計(jì).為了保證彎曲特性，將柔性板分為3層聚酰亞胺質(zhì)柔性板加工，此外在柔性連接部分的中間做矩形孔處理，可有效利用安裝空間，減小彎曲半徑，便于立體安裝，見(jiàn)圖7.

圖7 柔性板彎曲性示意圖

4.4 平滑性設(shè)計(jì)

在剛?cè)嵋惑w化復(fù)合板PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于考慮到尖角形狀會(huì)使應(yīng)力自然集中[4]，易引起導(dǎo)線故障或柔性板的撕裂.因此，在布線過(guò)程中，導(dǎo)線及柔性連接部分的內(nèi)角均采用了圓形設(shè)計(jì)，且任何從直線到相角或不同線寬的變化要保證平滑過(guò)渡.此外，在空間允許的情況下，排列緊密的細(xì)導(dǎo)線變?yōu)閷拰?dǎo)線.表1為PCB布線所遵循的平滑性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.

表1 平滑性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

4.5 信號(hào)完整性及電磁兼容性設(shè)計(jì)

為了保證整個(gè)計(jì)算機(jī)的信號(hào)完整性及電磁兼容性，剛?cè)嵋惑w化復(fù)合板設(shè)計(jì)中槽位的位置、信號(hào)的出線方式、層的設(shè)置及布局、布線的規(guī)則、阻抗的控制、電源及地的分配等應(yīng)遵循如表2所示的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.

表2 信號(hào)完整性及電磁兼容性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

續(xù)表2

剛?cè)嵋惑w化復(fù)合板提高了計(jì)算機(jī)的可靠性和信號(hào)完整性，空間利用率高、設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)，體積小重量輕，有效降低系統(tǒng)重量；配線密度高、重量輕、厚度薄、可自由彎曲折疊；滿足了快速拆裝的需要，減少裝配工序和時(shí)間，產(chǎn)品具有良好的一致性，符合量產(chǎn)所需的條件.

5 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)形式安裝復(fù)雜，裝配時(shí)間較長(zhǎng)，線纜之間存在嚴(yán)重的信號(hào)干擾等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高可靠性快速連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)前面板組件與箱體組件的模塊化快速安裝和互換.前面板總成與轉(zhuǎn)接板之間通過(guò)矩形連接器實(shí)現(xiàn)可靠連接，母板與轉(zhuǎn)接板之間通過(guò)柔性PCB板直接通訊.該設(shè)計(jì)取消了原有的焊線連接形式，排除了導(dǎo)線虛焊的故障點(diǎn)，有效縮短了故障定位時(shí)間，進(jìn)而極大地提高了計(jì)算機(jī)的可靠性和可維修性.另外，無(wú)導(dǎo)線的連接方式降低了線束之間的信號(hào)干擾，提高了計(jì)算機(jī)的電磁兼容性和信號(hào)完整性，對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)的性能有很好的提升效果.此外，產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的工藝性較合理，實(shí)現(xiàn)了機(jī)箱的快速裝配，裝配時(shí)間由原來(lái)的120 h銳減到6 h以內(nèi).

[1] 蔣新悅.濾波技術(shù)在電連接器中的應(yīng)用[J]．機(jī)電元件，2006，26(4)：2-3．

[2] 柴志強(qiáng)，陳 兵.高密度互連柔性電路板技術(shù)的發(fā)展[J]．電子元器件應(yīng)用，2003，5(6)：1-2．

[3] Theocaris P S.Peculiarities of the artificial crack[J].Engineering Fracture Mechanics，1991，38(1):37-54.

DesignofaHighReliabilityFastConnectionStructure

LIU Qian， WANG Kun， ZHOU Jing， LIN Qing， ZHANG Yi

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China)

TP303+.2

A

1009-4687(2017)03-0045-04

2017-07-20.

劉 倩(1987-)，女，工程師，研究方向綜合數(shù)據(jù)處理.