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정밀 피치 기판 간 커넥터를 사용하여 시스템 패키징 최적화

작성자: Bill Schweber

Digi-Key 북미 편집자 제공

단일 기판 솔루션은 시스템의 모든 전자 기기를 하나의 작은 저가형 PC 기판에 배치하여 공간을 절약합니다. 단일 기판 컴퓨터(SBC)의 경우 설계자는 회로 기판에 맞게 최대한 많은 처리 전력, 기능 및 I/O를 제공하기 위해 노력해야 합니다. 하지만 실제로 산업, 소비자 가전 및 의료 응용 분야에서 단일 기판은 최적의 솔루션이 아니어서 여러 PC 기판이 필요한 경우가 많이 있습니다. 이럴 때 기판 간(BTB) 커넥터가 매우 중요합니다.

단일 시스템의 여러 기판을 설계하기 위한 모든 노력에도 불구하고 올바른 BTB 커넥터에 대해 충분히 고려하지 않을 경우 설계 기반이 완전히 약화될 수 있습니다. 이는 폼 팩터 문제 또는 신호 무결성 문제로 인해 발생하거나 향후 현장에서 잘못된 사용(또는 혹사)으로 인해 발생할 수 있습니다.

이 기사에서는 BTB 커넥터의 필요성을 유발시키는 설계 문제와 설계자가 다양한 옵션 중에서 BTB 커넥터를 선택할 때 고려해야 할 요소를 살펴봅니다. 여기에는 회로 성능, 생산 요구 사항, 사용 모델, 간편한 수리, 신호 유형, 커넥터 크기 및 접점 위치 수, 무선 주파수 전파 방해(RFI), 전자파 장해(EMI) 등이 포함됩니다. 예를 들어, Phoenix Contact의 예제 BTB 커넥터 솔루션을 사용하여 설계자의 기판 연결 문제를 해결할 방법을 보여줍니다.

BTB 커넥터를 사용하는 이유

단일 PC 기판 대신 상호 연결된 두 개 이상의 PC 기판을 사용하는 것이 선호되는데 그럴 만한 설계, 생산 및 마케팅 상황이 최소 10가지 이상은 됩니다.

  1. 폼 팩터 제약 조건으로 인해 대형 단일 기판의 전체 크기가 제한되고 사용 가능한 패키지 깊이를 활용하기 위해 3D 배열이 필요한 경우.
  2. 하위 수준의 매우 민감한 아날로그 I/O 또는 RF 회로를 잡음이 큰 고속 디지털 회로 근처에 배치하는 것이 허용되지 않는 경우.
  3. 전압이 높고 유용한 엔지니어링 관행과 규제 표준으로 분리 규제되는 경우.
  4. 발열 문제 때문에 내전력과 열 관리 향상을 위해 발열 부품을 별도의 위치에 배치해야 하는 경우.
  5. 지정된 회로 하위 섹션을 여러 버전의 제품에서 사용하거나 재사용해야 하는 경우(예: 코어 처리 기판을 기본 다중 회선 사용자 디스플레이 및 푸시 버튼과 연결하고, 다양한 경보 또는 센서 시스템 모델의 정교한 그래픽 터치스크린에 연결해야 하는 경우).
  6. 생산을 위해 특수 부품(예: 특수 제조/조립 공정 또는 수동 삽입을 요청하면서, 나머지 부분에서 자동화된 삽입 및 납땜을 사용할 수 있는 전력 장치 및 방열판)이 필요한 경우.
  7. 벤더가 시스템에서 프로세서, 메모리와 같은 한 가지 기능을 업그레이드하되, 기술적 신뢰와 원가 상각을 위해 아날로그 기능을 그대로 유지하려는 경우.
  8. 현장 경험에 비추어 볼 때 시스템의 한 부품(예: 외향적 I/O)을 현장에서 교체하는 것이 더 좋고, 핵심적인 내부 기능(예: 프로세서 및 메모리)의 평균 고장 수명(MTTF)이 더 긴 경우.
  9. 일부 부품에 더 두꺼운 PC 기판 소재와 더 굵은 구리 피복이 필요한 경우(예: 전력 부품).
  10. EMI/RFI 고려 사항과 문제로 인해 회로망 부품의 RF 차폐와 기능을 분리해야 하는 경우.

여러 PC 기판 사용을 선택하거나 주장하는 많은 타당한 설계, 생산 및 지원 이유가 있는 것은 분명합니다. 이러한 경우에 해당하는 응용 제품에는 산업 제어 시스템, 모터 제어기, 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC), 경보 및 보안 장치, 의료 시스템(예: 휴대용 X선 또는 초음파 기계), 다양한 인간 기계 간 인터페이스(HMI)를 갖춘 장치 등이 있습니다(그림 1).

다양한 인간 기계 간 인터페이스(HMI) 이미지그림 1: PC 기판을 하나 이상 사용하거나 절대적으로 필요한 다양한 제품에 BTB 커넥터가 필요하지만 선택 시 주의해야 합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

BTB 커넥터를 선택하는 방법

두 개 이상 연결된 PC 기판을 사용하기로 결정한 경우 설계자는 적합한 BTB 커넥터를 선택해야 합니다. 거의 모든 경우에 이 결정을 진행하는 데 적합한 기본 사양을 갖춘 단일 커넥터 쌍을 찾는 것은 어렵지 않습니다. 대신 사전에 설계 선택이 제한되지 않도록 먼저 다른 BTB 옵션과 완벽하게 호환되는 커넥터 제품군을 식별하는 것이 좋습니다.

단일 다품종 벤더에서 제공하는 다양한 커넥터를 얼핏 보면 결정 공정이 까다로워 보일 수도 있지만 실제로는 그렇지 않습니다. 설계자가 우선순위, 제약 조건 및 “필수 항목”에 집중하면 사용할 특정 커넥터를 선택하는 것은 비교적 간단합니다. 또한 많은 커넥터 스타일이 제공되므로 설계자는 성능 저하를 최소한으로 낮추면서 피할 수 없는 기술적 트레이드 오프를 최적의 상태로 조율하는 쌍을 찾을 수 있습니다.

설계자는 정교한 컴퓨터 지원 설계(CAD) 도구를 사용하여 메자닌, 마더-도터, 동일 평면성, 리본 케이블을 통한 비제약을 비롯하여 가능한 물리적 구성과 가능한 BTB 방향을 모니터링할 수 있습니다(그림 2). 하지만 “CAD로 바로 이동”할 필요는 없으며, 정교하지 않은 기술이라도 초기 평가에는 매우 효율적이고 적용이 잘 될 수 있습니다. 예를 들어 다양한 기판 크기와 배열의 마분지 모형을 사용할 수 있습니다.

기판 간 연결 이미지그림 2: 기판 간 연결은 메자닌, 마더-도터, 동일 평면성, 비제약 리본 케이블을 비롯한 다양한 방향과 배열을 가질 수 있습니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

자유도 알아보기

기본 방향을 벗어나서 설계자는 많은 커넥터 버전을 사용하여 레이아웃 및 배치 옵션을 선택할 수 있습니다. 예를 들어 설계자는 많은 접점을 포함하는 커넥터 하나를 사용하는 대신 각각 적은 접점을 포함하는 두 개의 소형 BTB 커넥터를 사용할 수 있습니다. 그러면 기판 레이아웃을 간소화할 수 있으며 일부 신호가 PC 기판의 전체 길이를 가로지를 필요가 없습니다.

예를 들어, Phoenix Contact FINEPITCH 1.27 계열(1.27mm 피치)은 12/16/20/26/32/40/50/68/80접점 버전으로 제공됩니다. 참고: 1.27mm는 정확히 0.05인치(50밀, 일반 피치)입니다. 관련 계열에서 수직 암 커넥터를 사용해 보십시오. 즉, 26접점 1714894(너비 21.6mm)와 동일한 12접점 1714891(너비 12.71mm, 26접점 버전의 1/2보다 약간 큼)을 직렬로 연결해 보십시오(그림 3).

이 두 소형 커넥터를 PC 기판의 다른 위치에서 사용하면 미미하지만 더 큰 실장 면적을 차지하게 됩니다. 그러나 이는 PC 기판 트레이스에 필요한 공간 감소 및 향상된 신호 무결성으로 상쇄될 수 있습니다. 마찬가지로 Phoenix Contact FINEPITCH 0.8 계열(0.8mm 피치)은 12접점, 9.58mm 길이 1043682 커넥터 리셉터클부터 80접점까지 확장되는 0.8mm 피치 커넥터 계열로 구성됩니다(그림 4).

Phoenix Contact의 FINEPITCH 1.27mm 계열 이미지그림 3: FINEPITCH 1.27mm 계열에서 가장 작은 커넥터는 이 12접점 1714891 버전(장축 너비 12.71mm)입니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

Phoenix Contact의 FINEPITCH 0.8 계열 이미지그림 4: Phoenix Contact FINEPITCH 0.8 계열 커넥터는 0.8mm 피치를 제공하며, 가장 작은 제품군은 12접점 1043682(길이 9.58mm)입니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

다른 문제는 커넥터 높이이며, 설계자가 병렬로 정렬된 두 기판을 인클로저 안에 들어가도록 연결하여 각 기판을 최적의 위치에 배치할 수 있어야 합니다. 프로세서 기판을 제품 하우징 후면에 연결하고, 사용자 디스플레이와 버튼이 있는 두 번째 기판을 전면 패널과 동일한 높이로 배치할 수 있습니다.

따라서 접점 수, 길이 및 너비는 같고 높이만 다른 여러 커넥터를 사용할 수 있습니다. 다양한 높이를 혼합하여 폭넓은 기판 간 간격, 즉 스택 높이를 지원할 수 있습니다. 예를 들어, Phoenix Contact FINEPITCH 1.27 제품군의 수직 암 커넥터는 6.25mm와 9.05mm의 두 가지 높이로 제공되고, 결합 수직 수 커넥터는 1.75mm 및 3.25mm 높이로 제공됩니다.

또한 결합된 쌍의 “와이프 길이”는 1.5mm이고, 안정적인 표면 접점 유지하기 위한 와이프 길이는 0.9mm입니다. 따라서 비계단형의 연속적인 가용 기판 간 간격 범위는 8.0mm ~ 13.8mm입니다(그림 5). 비슷한 체계를 사용하는 Phoenix Contact FINEPITCH 0.8 커넥터 제품군은 높이 및 와이프 길이가 FINEPITCH 1.27 제품군과 다르며, 연속하는 6mm ~ 12mm 범위를 지원합니다. 또한 BTB 결합 거리를 유연하게 지정하여 생산 환경에서 조립품 허용 오차 범위를 완화할 수 있다는 이점이 있습니다.

Phoenix Contact의 FINEPITCH 1.27 계열 암/수 이산 소자 높이 구성도그림 5: FINEPITCH 1.27 계열의 암/수 커넥터에 사용 가능한 이산 소자 높이와 긴 와이프 길이로 인해 실제 BTB 스택 높이는 8.0mm ~ 13.8mm 사이일 수 있습니다. (이미지 출처: Phoenix Contact

EMC 및 RF 요구 사항 지원

고밀도 다중 접점 BTB 커넥터는 전력 및 저주파 신호를 훨씬 능가하는 대역폭을 지원해야 하므로, 각 케이블이 단일 신호를 지원하는 다중 이산 소자 케이블 조립품에 대한 필요성을 최소화할 수 있습니다. 기가헤르츠 범위의 커넥터 성능과 해당 주파수에서 신호 무결성 유지 기능은 중요한 파라미터입니다. 동시에 커넥터의 고속 신호에 영향을 주지 않고 근접한 신호의 영향을 받지 않도록 전자파 적합성(EMC)을 고려해야 합니다.

일부 커넥터 제품군은 대역폭 및 EMC 고려 사항을 충족하도록 고유하게 설계되었습니다. 예를 들어, Phoenix Contact FINEPITCH 0.8 계열은 16Gb/s의 데이터 전송률을 지원하고, 결합 시 다양한 커넥터 간 차폐 경로(그림 6)를 포함하고 우수한 EMC 속성(그림 7)을 제공합니다.

Phoenix Contact의 FINEPITCH 0.8 계열 커넥터 간 차례 경로 이미지그림 6: FINEPITCH 0.8 계열은 차폐 성능 향상을 위해 결합 시 다중 커넥터 간 차폐 경로를 포함합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

Phoenix Contact의 FINEPITCH 0.8 계열 커넥터 주변 전계 이미지그림 7: 이 FINEPITCH 0.8 계열 커넥터 주변 전계 이미지는 차폐 성능을 보여 줍니다. 어두운 파란색은 전계 길이가 0V/m ~ 0.1V/m이고, 어두운 빨간색은 1.0V/m를 나타냅니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

삽입 손실, 수신기 측에서 측정되는 원단 누화(FEXT) 및 송신기 측에서 측정되는 근단 누화(NEXT) 관련 데이터와 함께 S 파라미터는 이러한 커넥터에서 고성능 RF 신호 경로 모델링을 지원하는 데 사용될 수 있습니다(그림 8).

10GHz 이하 근단 누화 및 삽입 손실 그래프그림 8: FINEPITCH 0.8 계열과 같이 데이터 전송률이 높은 커넥터는 삽입 손실(왼쪽) 및 10GHz 이하 근단 누화(오른쪽) 그래프를 포함합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

평범함을 뛰어넘는 성능

커넥터 기능의 간편성에도 불구하고 적합한 커넥터 제품군을 선택하려면 다른 사항을 고려해야 합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

  • 표준 대규모 생산 공정과 호환성(부하 및 납땜)으로 본체 전반에서 일반적으로 0.1mm 이하의 우수한 커넥터 동일 평면성이 요구됩니다.
  • 반복된 사용 주기 후 접촉 표면이 마모되더라도 성능이 보장되는 삽입 주기 수 500주기는 최고 수준의 성능으로 간주됩니다. Phoenix Contact FINEPITCH 0.8 제품군은 20mΩ 이하의 접점 저항을 유지하고, FINEPITCH 1.27 제품군은 500주기 이후에도 25mΩ 이하를 유지합니다(IEC 60512-2-1:2002-02 기준).
  • 또한 두 기판과 커넥터를 결합하면 원심 및 각도 오정렬이 나타납니다.

후자인 오정렬은 설계자가 고려해야 하는 사실입니다. 완벽한 환경에서는 수 커넥터와 암 커넥터의 중심선이 완벽하게 가운데 위치하고 서로 간에 기울어지지 않습니다. 이 미세 피치 커넥터의 작은 크기를 고려할 때 그런 불일치는 허용되지 않는 것처럼 보이지만, 우수한 커넥터 설계에서는 두 파라미터에 대해 약간의 불일치가 허용됩니다.

FINEPITCH 0.8 및 FINEPITCH 1.27 계열의 ScaleX 기술은 불일치가 발생할 경우 접점 손상을 방지하는 이상의 역할을 하는 하우징 기하 구조를 제공하여 이 사실을 충분히 반영합니다. 또한 각각 사선 축과 세로축을 따라 중심 오프셋 ±0.7mm 및 기울기 허용 오차 범위 ±2°/±4°로 해당 허용 오차 범위를 보정합니다(그림 9).

각도 오정렬을 허용하는 Phoenix Contact의 FINEPITCH 0.8mm 및 FINEPITCH 1.27 커넥터 이미지그림 9: 실제 정렬은 완벽하지 않으므로 FINEPITCH 0.8mm 및 FINEPITCH 1.27 커넥터는 각각 최대 ±2°/±4°의 사선 및 세로 각도 오정렬과 최대 0.7mm의 편심 원심 오정렬을 허용합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

드러나지 않는 중요 사항

커넥터는 나노미터 공정 크기의 집적 회로가 아니지만, 접점은 작은 소자, 엄격한 허용 오차 범위, 초박형 귀금속 도금 및 비귀금속 도금으로 구성된 기계적 구조입니다. 금속 접점 영역의 크기와 이러한 접점이 하우징에서 “매립”되는 방법을 고려할 때 매우 안정적인 접점 영역을 구축하기 위해 무엇이 사용되고 있는지 알 수 없습니다.

이러한 크기에서 마이크로 소자 규모의 대용량 제조 환경에서 정교한 설계와 그 구현 기능을 결합합니다. 이것이 바로 ScaleX 기술을 지원하는 FINEPITCH 0.8 계열이 고유한 이중 접점 역할을 하는 이유입니다. 결합하면 매우 한정된 공간에서 접점(수소자 및 암소자)을 방진 연결할 수 있습니다. 또한 접점에는 자동 납땜 공정에 최적화된 갈매기 날개형 납땜 핀이 있습니다.

기판을 직접 연결할 수 없는 경우

BTB 직접 배치 및 연결은 매력적인 옵션이지만 두 개 이상의 PC 기판을 일치시켜서 BTB 커넥터를 통해 직접 연결할 수 없는 경우가 있습니다. 전체 제품 패키지의 폼 팩터, 기판 모양, 기판 실장 시 전기 및 전자 고려 사항, 열 문제 등이 원인일 수 있습니다.

이러한 상황에 대응하기 위해 Phoenix Contact FINEPITCH 1.27 계열은 평면 케이블에 사용할 수 있는 암 절연 변위 커넥터(IDC)를 제공합니다. 두 PC 기판 사이에서 이러한 연성 평면 리본 케이블 커넥터를 사용하면 기판을 전기적이 아닌 물리적으로 분리할 수 있으므로 서로 평행하거나 직각으로 배치할 필요가 없습니다. BTB 커넥터와 마찬가지로 이러한 커넥터는 12접점 ~ 80접점의 전체 범위로 제공됩니다. Phoenix Contact 1714902는 자유 장착 12접점 버전입니다(그림 10). 패널 실장 버전도 제공됩니다.

Phoenix Contact의 12접점 1714902 자유 장착 커넥터 IDC 이미지그림 10: IDC(예: FINEPITCH 1.27 계열의 12접점 1714902 자유 장착 커넥터)를 사용하면 직접 BTB 접촉이 불가능하거나 바람직하지 않은 구성에서 유연한 케이블을 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

IDC BTB 배열을 위한 평면 케이블은 AWG 30(0.06mm²) Litz 전선 커넥터와 세 가지 절연 유형 옵션(기본 PVC(-10°C ~ +105°C), 고온(-40°C ~ +125°C), 무 할로겐 버전)을 제공하는 매우 공학적인 제품입니다. 후자는 일부 설치에 대한 코드에서 화재를 방지하고, 독성 탄소 가스 배출량을 줄이는 “숯” 코팅을 입혀서 연기와 탄소 입자를 줄이는 데 필요합니다.

5가지 개별 케이블 방향과 커넥터 배열(그림 11), 12접점 ~ 80접점을 지원하는 9가지 커넥터 크기, 매우 짧은 5cm(~2인치)부터 훨씬 긴 95cm(~37.5인치)까지의 유연한 케이블 길이, 세 가지 절연 유형을 포함하므로 이러한 옵션을 포괄하는 10,000가지 이상의 치환이 가능합니다. 모든 옵션을 비축할 수는 없으므로 이 IDC 케이블 조립품은 필요에 따라 원하는 커넥터/케이블 쌍 및 구성으로 제조됩니다.

IDC 케이블 커넥터의 배열 및 방향 이미지그림 11: IDC 케이블 커넥터에 사용 가능한 5개 배열 및 방향 중 3개를 보여 줍니다. 케이블 연결 및 배치를 간소화하여 설계자에게 최대 케이블 배치 유연성과 최소 제한을 제공합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

결론

커넥터와 상호 연결은 사전에 신중하게 고려해야 하는 전체 설계의 중요 요소입니다. PC 기판을 여러 개 사용할 때 BTB 커넥터는 두 개 이상의 기판을 다양한 배열로 연결하기 위한 편리하고 안정적인 고성능 기술을 제공합니다.

이러한 커넥터의 미묘한 차이와 복잡성이 간과되는 경우도 있지만 위에서 살펴본 바와 같이 Phoenix Contact의 FINEPITCH 0.8 및 FINEPITCH 1.27 계열과 같이 정밀하게 설계된 BTB 커넥터는 오늘날의 정교한 제품 설계에 대한 데이터 전송률 및 EMC 요구 사항을 충족하는 높은 상호 연결 밀도, 우수한 기계적 성능, 생산 공정 및 흐름과의 호환성, 전기적 성능을 제공합니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

작성자 정보

Bill Schweber

Bill Schweber는 전자 엔지니어로서 전자 통신 시스템에 관한 세 권의 교과서를 집필하고 수백 건의 기술 자료, 의견 칼럼 및 제품 특집 기사를 기고해 왔습니다. 이전에는 EE Times의 다양한 주제별 사이트 관련 기술 웹 사이트 관리자와 EDN의 편집장 및 아날로그 편집자를 역임한 바 있습니다.

Analog Devices, Inc.(아날로그 및 혼합 신호 IC 업계를 선도하는 판매업체)에서는 마케팅 통신(홍보 관련)을 담당했습니다. 결과적으로 Bill은 미디어에 회사 제품, 사례, 메시지를 제공하는 기술적 PR 역할과 이러한 내용을 받는 미디어 역할 모두를 경험했습니다.

Analog의 마케팅 통신을 담당하기 전에는 평판 있는 기술 저널에서 편집장을 역임했으며 제품 마케팅 및 응용 엔지니어링 그룹에서도 근무했습니다. 그 이전에는 Instron Corp.에서 아날로그 및 전력 회로 설계와 재료 시험 기계 제어를 위한 시스템 통합 실무를 담당했습니다.

Bill은 MSEE(메사추세츠 주립대학교) 및 BSEE(컬럼비아 대학교) 학위를 취득한 공인 전문 엔지니어이자 어드밴스드 클래스 아마추어 무선 통신 면허를 보유하고 있습니다. 또한 MOSFET 기본 사항, ADC 선택, LED 구동을 비롯한 다양한 엔지니어링 주제에 관한 온라인 과정을 계획 및 작성하여 제공하고 있습니다.

게시자 정보

Digi-Key 북미 편집자