기판 간 커넥터가 고속 자동차 조립품 및 사용 요구 사항을 충족하는지 확인하는 방법

자동차 시스템 설계자는 커넥터를 신중하게 선택한 후 적용하여 극한의 온도와 습도, 오염, 진동에 노출되는 환경에서 커넥터가 물리적, 전기적으로 안정적인 성능을 발휘하도록 해야 합니다. 자동차가 ‘바퀴가 달린 강력한 컴퓨터’로 진화함에 따라 자동차의 성능 및 신뢰성 요구 사항을 지속적으로 충족하는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다. 커넥터는 협소한 공간에서 10GBASE-T1, PCI Express 버전 3(PCIe 3.0)과 같은 표준을 준수하는 데 필요한 초당 수 기가비트의 통신 속도로 많은 송전선을 처리할 수 있어야 합니다.

자동차 회사에서 매우 많은 생산량을 요구하여 상황이 더욱 까다로워짐에 따라 전자 조립 회사들은 고속 조립 기계에 의존해야 합니다. 하지만 생산율과 수율을 높게 유지하는 동시에 커넥터를 정확히 배치하여 나중에 문제 없이 결합할 수 있도록 하는 데 어려움이 있습니다.

이러한 문제는 자동 조립 과정에서 발생하는 위치 이동 또는 오정렬을 흡수하는 물리적 전기적으로 강력한 플로팅 접점 커넥터를 사용하여 해결할 수 있습니다.

이 기사에서는 자동차 커넥터에 적용되는 전기 신호와 물리적 응용 분야 및 제조 요구 사항에 대해 설명합니다. 그런 다음 설계자가 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 사용할 수 있는 JAE Electronics의 플로팅 커넥터를 소개합니다. 또한 고속 통신 표준과 적절한 커넥터 선택 및 응용 분야에 대해 자세히 설명하고 10GBASE-T1, PCI Express 버전 3(PCIe 3.0)과 같은 고속 자동차 통신 프로토콜에 적절한 커넥터를 선택하는 방법을 안내합니다.

고속 통신 프로토콜 요약

10GBASE-T1은 10Gbps의 속도로 이더넷 프레임을 전송하는 10GbE 이더넷 표준 중 하나이며 최대 15m 거리에서 연선 케이블을 통해 작동하는 ‘자동차 이더넷’ 솔루션입니다. 10Gbps 데이터 처리량은 가장 빠른 자동차 통신 표준이며, 자율 주행과 같은 응용 분야를 지원할 수 있습니다.

PCIe 3.0은 다른 고속 직렬 컴퓨터 확장 버스 표준이고 최대 8GTps를 제공합니다. 하이엔드 ‘x16 레인’ 구현에서 8GTps는 총 126Gbps 데이터 전송 속도와 동일합니다.

하드웨어 설계에서 전송된 데이터 패킷의 의도된 목적지 도착을 보장함에 따라, 일반적으로 PC에서 고속 버스로 사용되던 이 기술은 이제 미래형 자동차를 위한 자동차 응용 제품을 대상으로 하고 있습니다. 이를 통해 자율 주행에 적합한 매우 안정적인 시스템을 구축합니다.

고속 자동차 통신용 커넥터

고속 통신 프로토콜에는 고품질 커넥터가 필요합니다. 고속 통신 프로토콜은 우수한 신호 무결성을 보장하기 위해 강력하고 안정적인 연결을 제공해야 할 뿐만 아니라, 다년 간의 서비스 기간 동안 상대적으로 쉽게 분리 및 연결할 수 있어야 합니다. 또한 다중 레인 연결에서 콤팩트한 크기를 보장하기 위해 작은 피치에서 많은 핀과 리셉터클을 수용할 수 있어야 합니다.

10GBASE-T1, PCIe 3.0과 같은 고속 통신 프로토콜을 위한 최신 커넥터 제품군의 예로는 JAE Electronics의 MA01 계열이 있습니다. 이러한 커넥터는 자동차 응용 분야에 일반적인 진동, 충격, 극한 온도에서도 안전한 기계적, 전기적 연결을 보장하기 위해 압연 표면 접점, 2포인트 접점 구조와 같은 기능을 제공합니다(그림 1).

그림 1: MA01 계열 커넥터는 충격 및 진동 중에 전기적 연결을 유지하는 데 도움이 되는 2포인트 접점 커넥터를 제공합니다. (이미지 출처: JAE Electronics)

8mm ~ 30mm 사이의 다양한 스택 높이로 제공되고(그림 2) 10 GBASE-T1 및 PCIe 3.0에서 요구하는 8Gbps 속도로 전송 가능한 MA01 계열 커넥터는 자동차 기판 간 디지털 제어 장치와 같은 응용 분야에 적합합니다. 이 커넥터는 적은 힘으로 삽입 및 분리할 수 있으며 키 형식으로 되어 잘못된 결합을 방지하며 -40°C ~ 125°C의 넓은 작동 온도 범위를 제공합니다.

그림 2: MA01 계열 커넥터는 8mm ~ 30mm 스택 높이로 제공됩니다. (이미지 출처: JAE Electronics)

이 범위에 속하는 한 가지 예로는 MA01F030VABBR300이 있습니다. 이 커넥터는 차량용 전자 기기 등급 고속 전송용 기판 간 커넥터이며, 20.925mm x 8.8mm x 12.3mm 크기의 본체 내 0.635mm 피치에서 30개 위치를 제공합니다. 접점은 구리 합금으로 제작하여 0.1µm(최소) 금 도금을 적용했습니다. 커넥터의 전기 사양은 0.5A 정격 전류 및 50V AC 정격 전압입니다. 또한 최대 100 결합 주기에 맞게 설계되었습니다.

MA01F030VABBR300은 MA01R030VABBR600과 결합하여 고속 자동차 응용 분야에 적합한 기판 간 연결을 지원하도록 설계되었습니다(그림 3).

그림 3: MA01F030VABBR300(아래)은 30개 위치를 제공하며 MA01R030VABBR600과 결합되어 강력하고 안정적인 고속 기판 간 연결을 지원합니다. (이미지 출처: JAE Electronics)

조립 문제 해결

대규모 전자 기기를 제조하려면 로봇 조립 기술을 사용해야 합니다. 하지만 작업에 사용되는 자동 배치 기계는 기계적 제한이 있습니다. 따라서 부품 위치 지정에 허용 오차 범위가 발생할 수 있습니다. 약간의 위치 오류는 일반적이며 능동 소자 부품과 수동 소자 부품에 문제가 되지 않지만, 다중 위치 미세 피치 커넥터를 결합할 경우 문제가 될 수 있습니다. 일반 커넥터는 배치 기계 진공 노즐을 적절하게 결합할 수 있는 평평한 표면을 제공하지 않으므로 문제가 복잡해집니다.

일반적으로 핀 간 피치가 1mm 미만인 이 커넥터는 커넥터를 결합할 때 큰 정렬 오류로 인해 접점이 손상될 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 JAE MA01F030VABBR300은 X 방향과 Y 방향으로 ±0.5mm 움직임을 허용하는 플로팅 접점 기술을 적용합니다. 이 플로팅은 자동화된 기계로 실장하는 동안 발생하는 위치 이동 또는 오정렬을 해결합니다. 이 커넥터는 배치 기계 진공 노즐을 안전하게 결합하는 탈착형 캡과 함께 제공됩니다. 캡은 커넥터를 실장하기 전에 큰 이물질이 결합 영역에 유입되는 것을 방지하는 역할도 합니다(그림 4 및 5).

그림 4: MA01F030VABBR300은 이 MA01 연결의 하부이며 X 방향과 Y 방향으로 ±0.5mm 이동을 허용하는 플로팅 접점 기술을 탑재합니다. 따라서 조립 중에 발생하는 위치 이동 또는 오정렬을 해결하는 데 도움이 됩니다. (이미지 출처: JAE Electronics)

그림 5: MA01 계열은 배치 기계 진공 노즐을 견고하게 결합할 수 있는 탈착형 캡과 함께 제공됩니다. (이미지 출처: JAE Electronics)

기판 간 커넥터의 암 측에 해당하는 MA01R030VABBR600은 배치 위치 허용 오차 범위를 수용하기 위해 연결부의 한쪽에서만 플로팅을 허용하는 견고한 커넥터입니다.

MA01 계열 커넥터는 커넥터가 pc 기판과 만나는 납땜 조인트를 명확하게 보여주어 조립 공정을 간소화하는 또 다른 특징이 있습니다. 기존 커넥터는 일반적으로 납땜 조인트를 숨겨서 검사를 어렵게 만들고 서비스 중 결함이 발생할 위험이 있습니다(그림 6).

그림 6: MA01 계열의 측면 실장 커넥터는 커넥터가 pc 기판과 연결되는 납땜 조인트의 품질을 얼마나 쉽게 검사할 수 있도록 설계되었는지를 보여줍니다. (이미지 출처: JAE Electronics)

문제 없는 결합 보장

MA01 계열의 플로팅 커넥터 기술은 배치 위치 오류를 보정하는 데 유용하지만 커넥터를 수동으로 클리핑할 때 큰 정렬 오차가 발생할 수 있습니다. 이러한 오정렬은 커넥터의 양측을 고정하는 상부 및 하부 pc 기판을 ‘블라인드’ 방식으로 결합할 때 종종 발생할 수 있으며, 이로 인해 섬세한 접점이 잘못 정렬되기 쉽습니다. 뿐만 아니라, 공정 중에 접점이 손상된 경우에도 커넥터가 제대로 결합된 것처럼 느껴질 수 있습니다. 이러한 오정렬은 X 및 Y 수평 방향에서 모두 발생할 수 있습니다.

JAE 커넥터에는 결합 과정에서 X 방향과 Y 방향 중 한쪽 또는 모두에서 심각한 정렬 문제가 발생하더라도 잘못된 연결을 방지할 수 있도록 가이드포스트가 포함되어 있습니다. 이 가이드포스트는 커넥터 본체에 성형되어 커넥터의 두 부분을 올바른 결합 위치로 안내합니다(그림 7, 8 및 9).

그림 7: X 방향에 정렬 문제가 있는 경우 JAE Electronics MA01 계열의 가이드포스트가 세로 방향으로 커넥터의 상단을 조정합니다. (이미지 출처: JAE Electronics)

그림 8: Y 방향에서 가이드포스트는 접점 손상으로 이어지는 과도한 오정렬을 방지합니다. (이미지 출처: JAE Electronics)

그림 9: 블라인드 커넥터 삽입 방식으로 두 기판을 결합할 때 가이드포스트는 수평으로 최대 1mm의 정렬 오차를 보정합니다. (이미지 출처: JAE Electronics)

결합된 커넥터의 플로팅 접점 기능이 자동차 응용 분야에서 일반적인 충격과 진동을 흡수하므로 접점이 손상될 위험이 없습니다.

고속 커넥터 선택

고속 통신 시스템을 설계하는 것은 까다로운 일입니다. 설계자가 주어진 커넥터의 신호 무결성을 고려하기 전이더라도 연결된 pc 기판의 레이아웃에서는 누화와 손실을 제한하기 위해 목표 임피던스, 고속 차동 신호 채널 라우팅과 같은 요소를 고려해야 합니다. 하지만 설계자가 이러한 주요 설계 요소를 고려했다면 커넥터는 시스템의 궁극적 대역폭, 원시 데이터 처리량 및 신호 무결성에서 중요한 역할을 할 수 있습니다.

고속 커넥터를 선택할 때 가장 먼저 확인할 사항은 원하는 통신 프로토콜의 최대 대역폭입니다. 커넥터가 프로토콜의 작동 주파수를 처리할 수 없다면 고속으로 작동할 수 있는 시스템을 설계하는 것은 의미가 없습니다. 이를 위한 간단한 방법은 관련 프로토콜 표준을 준수한 인증된 커넥터를 선택하는 것입니다. 이러한 방식으로 설계자는 커넥터가 최대 처리량과 대역폭을 보장하도록 특별히 설계되었다는 것을 확신할 수 있습니다.

또한 규격 커넥터는 관련 고속 프로토콜의 목표 임피던스(일반적으로 50Ω)를 제공합니다. 커넥터를 제작하는 소재, 기판 실장 스타일, 치수와 같은 다른 선택 요소는 중요하지만 신호 무결성에 미치는 영향은 적습니다.

규정 준수 인증은 설계자에게 커넥터가 작동할 수 있다는 확신을 주지만 생산 항목과 유사하거나 동일한 레이아웃의 테스트 pc 기판에서 최종 목록에 있는 커넥터를 테스트하는 것이 중요합니다. 커넥터를 분리하여 테스트하거나 규격서에서는 실제 환경에서 발생하는 신호 무결성 문제가 발생하지 않을 수 있습니다. 조립 시제품 테스트에서는 신호 반사 및/또는 왜곡 문제가 명확히 나타납니다.

커넥터의 신호 무결성을 확인하기 위한 주요 측정치는 S-파라미터와 아이 다이어그램(eye diagram)입니다. S-파라미터는 주파수 도메인의 신호 반송 및 삽입 손실을 나타냅니다. 커넥터를 장착한 상태에서 작동 회로에 대해 S-파라미터를 측정한 다음 커넥터를 제거한 상태로 측정한 결과와 비교하여 S-파라미터가 신호 무결성에 미치는 영향을 평가해야 합니다.

오실로스코프 생성 아이 다이어그램은 디지털 도메인에서 회로 성능을 시각화하여 보여줍니다. 아이 다이어그램은 손실, 누화, 부호 간 전파 방해(ISI), 비트 오류율을 시각화하는 표준 방식입니다. 또한 커넥터를 장착한 상태와 장착하지 않은 상태로 테스트를 수행하여 신호 무결성에 미치는 영향을 확인해야 합니다.

결론

설계자가 자동차 기판 간 커넥터의 까다로운 물리적 전기적 성능 요구 사항을 충족하면서 고속 자동 조립 과정에서 잘못된 위치 지정 및 오정렬 허용 오차 범위로 인해 발생하는 커넥터 손상을 방지하는 것은 어려운 과제입니다. 설계자는 JAE Electronics의 MA01 계열 커넥터를 사용하여 이러한 문제를 해결할 수 있습니다.

위에서 살펴본 바와 같이 MA01 커넥터는 다중 Gbps 통신 프로토콜을 준수하며 삽입 및 분리 저항이 낮은 강력하고 안정적인 솔루션을 제공합니다. 또한 커넥터는 신속한 조립을 고려하여 설계되었습니다. 제거 캡, 플로팅 커넥터, 가이드포스트와 같은 기능을 활용하면 기판 실장 및 블라인드 기판 간 연결에서 더 큰 허용 오차 범위를 허용할 수 있으므로 정렬 문제 및 접점 손상 위험을 방지할 수 있습니다.