一种高可靠性快速连接结构设计

刘 倩， 王 坤， 周 婧， 林 青， 张 一

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

一种高可靠性快速连接结构设计

刘 倩， 王 坤， 周 婧， 林 青， 张 一

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

传统计算机内部结构主要采用焊线对接的方式实现通讯，然而这种通讯方式结构形式安装复杂，无法满足更高速电子信号的高可靠性连接以及在恶劣电磁环境下电子设备仍能稳定工作的要求.因此，提出一种高可靠性快速连接结构设计方案，该方案采用刚柔结合设计，取消了计算机内部原有的焊线连接，结果表明，该快速连接结构工艺合理，实现了机箱的快速装配，装配时间由原来的120 h锐减到6 h以内，有效缩短了机箱的装配时间，排除了导线虚焊的故障点，提高了计算机的可靠性和可维修性.刚柔结合的连接方式，降低了信号之间的相互干扰，提高了产品的电磁兼容性和信号完整性，对整个计算机的性能有很好的提升效果.

快速连接结构；刚柔结合；电磁兼容；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

传统计算机内部模块之间通过焊线的方式实现通讯，该结构形式安装复杂，装配时间较长，线缆之间存在严重的信号干扰，无法满足更高速电子信号的高可靠性连接以及在恶劣电磁环境下电子设备仍能稳定工作的要求，因此对计算机进行结构优化设计、保证其可靠连接是整个系统质量保证的重点和难点.本研究设计了一种高可靠性快速连接结构，有效降低了信号之间的相互干扰，极大缩短了故障定位时间，提高了计算机的可靠性和可维修性.另外，刚柔结合的连接方式提高了产品的电磁兼容性和信号完整性，对整个计算机的性能有很好的提升效果.

1 总体结构设计方案

原计算机内部各模块之间通过焊线形式实现对接，如图1所示，这种方式装配工艺性较差，故障定位困难，信号完整性较差.高可靠性快速连接结构取消了原有的焊线连接，前面板与母板之间通过TRM插头和插座实现可靠对接，母板与转接板设计成刚柔一体化结构，如图2所示.该结构实现了计算机的模块化安装，有效缩短了故障定位时间，提高了计算机的可靠性和电磁兼容性.

图1 原计算机内部结构图

图2 高可靠性快速连接结构

2 前面板滤波设计

为了改善信号质量，提高系统的电磁兼容性，在前面板设计中将所有连接器集中在一块PCB板上即前面板总成,如图3所示.连接器均采用低通滤波连接器，可将信号中不必要的高次谐波滤除掉[1].在结构形式上所有连接器均采用先进的浮动设计，装配时可对其进行微调节，有效释放连接器与前面板的安装应力，提高产品可靠性.连接器的法兰盘位于同一个平面内，法兰盘与箱体之间配装密封条，保证连接器与前面板的密封安装.

前面板总成集成了多个I/O连接器，实现了连接器的模块化安装，有利于实现连接器与母板之间的刚柔结合设计，进而极大地提高了整个系统的信号完整性和电磁兼容性.

图3 前面板总成

3 转接板集成连接器设计

传统计算机中，前面板连接器与母板之间的通讯是通过“隔板总成”来实现的.前面板连接器与隔板总成，隔板总成与母板之间均通过焊接导线实现通讯.由于信号多，焊线错综复杂，焊线容易脱落，不易查出问题所在.为了提高可靠性和工艺性，在前面板总成与母板之间设计一个过渡的转接板卡.转接板集成连接器设计包括安装支架设计、连接器选型和TRM连接器簧片选型三部分.

3.1 安装支架设计

在转接板后方设计一个转接板安装支架，用于固定转接板.设计安装支架过程中，充分考虑转接板与前面板的安装工艺性，在安装支架两侧设计了调节工艺孔.在整机装配时，首先将前面板总成安装在前面板上，通过螺钉将前面板固定在箱体前侧，然后安装转接板，通过调节转接板安装支架上的工艺孔可以对转接板的径向位置进行微调，使矩形连接器的头和座实现可靠对接，消除安装应力，提高连接器的可靠性.

3.2 连接器选型

由于计算机采用无焊线的连接方式，前面板总成与母板之间可靠连接是计算机质量保证的重点和难点.其关键点在于矩形连接器的选型，通过对连接器的综合分析，选择使用TRM插头和插座，其中TRM插头部分安装在转接板前侧，TRM插座安装在前面板总成后方，对接形式如图4所示.

图4 TRM插头和插座对接结构

3.3 TRM连接器簧片选型

为保证TRM连接器头座对插后信号的高可靠性连接，TRM连接器内部接触簧片选用多点接触的簧爪接触件.簧爪接触件是冠簧接触件的一种，为圆形针孔结构，它采用高弹性的铍铜带材卷绕成圆筒状的孔形结构，一端分成圆锥形三瓣用于与插针接触，如图5所示，可有效避免簧片变形和基座变形对接触的影响，适用于高速信号传输，最大传输速率可达5 Gbit/s.

图5 簧爪插孔示意图

4 母板刚柔结合设计

母板组件与转接板设计成刚柔一体化结构[3]，母板与转接板之间通过柔性PCB实现通讯，取消了原有的导线连接方式，采用目前流行的柔性PCB实现通讯.刚柔结合的设计实现了母板与转接板之间的高可靠性连接，对整个产品的电磁兼容性和信号完整性都有明显提升.该模块的设计环节包括材料选型、免连接器设计、弯曲型设计、平滑性设计、信号完整性及电磁兼容性设计.

4.1 材料选型

母板和转接板采用刚性PCBs(PRC)设计，连接部分使用柔性PCBs(FPC)板，两者通过通孔连接在一起，形成刚柔一体化复合板.柔性电路板在三维空间可任意移动、伸缩，实现动态弯曲，并依照空间布局要求任意安装，从而达到元器件装配和导线连接的一体化，实现无焊线互连的空间延伸，如图6所示.

图6 刚柔一体化设计示意图

4.2 免连接器设计

刚柔一体化复合板去掉了连接器，通过过孔及压缩技术连接刚性板和柔性板,缩小了产品体积；刚柔一体化复合板与传统连接器的板卡相比对公差的要求较低，允许更大的公差范围，可有效提升装配速度缩短安装时间，降低安装成本.此外，还可有效减少冲击、振动、潮湿等环境下引起的连接器故障问题，避免因连接器因素引起的传输不稳定等可靠性问题.

4.3 弯曲性设计

综合考虑装配尺寸、可靠性及成本因素，柔性连接部分采用8层设计.为了保证弯曲特性，将柔性板分为3层聚酰亚胺质柔性板加工，此外在柔性连接部分的中间做矩形孔处理，可有效利用安装空间，减小弯曲半径，便于立体安装，见图7.

图7 柔性板弯曲性示意图

4.4 平滑性设计

在刚柔一体化复合板PCB设计过程中，由于考虑到尖角形状会使应力自然集中[4]，易引起导线故障或柔性板的撕裂.因此，在布线过程中，导线及柔性连接部分的内角均采用了圆形设计，且任何从直线到相角或不同线宽的变化要保证平滑过渡.此外，在空间允许的情况下，排列紧密的细导线变为宽导线.表1为PCB布线所遵循的平滑性设计准则.

表1 平滑性设计准则

4.5 信号完整性及电磁兼容性设计

为了保证整个计算机的信号完整性及电磁兼容性，刚柔一体化复合板设计中槽位的位置、信号的出线方式、层的设置及布局、布线的规则、阻抗的控制、电源及地的分配等应遵循如表2所示的设计准则.

表2 信号完整性及电磁兼容性设计准则

续表2

刚柔一体化复合板提高了计算机的可靠性和信号完整性，空间利用率高、设计灵活性强，体积小重量轻，有效降低系统重量；配线密度高、重量轻、厚度薄、可自由弯曲折叠；满足了快速拆装的需要，减少装配工序和时间，产品具有良好的一致性，符合量产所需的条件.

5 结 论

针对传统计算机结构形式安装复杂，装配时间较长，线缆之间存在严重的信号干扰等问题，设计了一种高可靠性快速连接结构，实现了计算机前面板组件与箱体组件的模块化快速安装和互换.前面板总成与转接板之间通过矩形连接器实现可靠连接，母板与转接板之间通过柔性PCB板直接通讯.该设计取消了原有的焊线连接形式，排除了导线虚焊的故障点，有效缩短了故障定位时间，进而极大地提高了计算机的可靠性和可维修性.另外，无导线的连接方式降低了线束之间的信号干扰，提高了计算机的电磁兼容性和信号完整性，对整个计算机的性能有很好的提升效果.此外，产品整体设计结构的工艺性较合理，实现了机箱的快速装配，装配时间由原来的120 h锐减到6 h以内.

[1] 蒋新悦.滤波技术在电连接器中的应用[J]．机电元件，2006，26(4)：2-3．

[2] 柴志强，陈 兵.高密度互连柔性电路板技术的发展[J]．电子元器件应用，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.

刘 倩(1987-)，女，工程师，研究方向综合数据处理.