浅谈电子连接器结构设计的重要性

徐 祥

(安费诺(常州)高端连接器有限公司上海分公司，上海闵行，201103)

1 引言

5G是第五代移动通信技术的简称(5th generation mobile networks)是最新一代蜂窝移动通信技术。由于5G具备了前几代通信技术所不具备的数据传输速度，所以5G通信技术商用以后，将移动互联网拓展到工业互联网、车联网、物联网等更多领域。5G技术与实体经济的各个领域深度融合，能够更好的优化资源，可使生产制造、供求关系更加精准，减少不必要的浪费。

科学技术的发展，是通信技术发展的推动力，在前几代通信技术积累的基础上，为了满足不断发展的移动互联网技术，传输速度更快的5G通信技术，成了移动互联网技术发展的必然选择。相比于前几代通信技术，5G通信移动网络的传输速度更快，达到了10 Gbps(见表1)，这让万物互联成为可能。

表1 移动网络传输速度(单位：bps)

伴随着通信网络的发展，与通信技术相关的各个行业也在不断的发展。对于连接器行业，应用于通信设备里的背板连接器，其性能也在不断的提高，为了适应网络传输速度的发展，连接器的传输速度也在不断的提高，每一代连接器的传输速度都在不断的增加，见表2。对应于5G通信技术的要求，连接器的传输速度至少需要25Gbps。所以，背板连接器技术的发展，对5G通信技术的发展起到至关重要的作用，其性能的稳定性直接影响到5G移动通信技术的发展。

表2 传输速度(单位：Gbps)

2 背板连接器简介

背板连接器(backplane connector)是用来连接单板(daughter card)和背板的一种连接器，单板和背板之间成90度垂直结构。主要是传递高速差分信号(differential signal)或单端信号(single end signal)以及传递大电流，常用于集线器、交换机、路由器、服务器和存储器。最常用的背板连接器有传统的背板连接器、正交背板连接器以及线缆背板连接器。背板连接器最重要的性能指标除了常规的机械性能以及耐环境性能指标外，还包括特性阻抗(Characteristic Impedance)、串音杂讯(Crosstalk)、传递延迟(Propagation Delay)、偏移(Skew)、损耗(Insertion Loss/Return Loss)等信号完整性指标。而保证背板连接器这几个性能指标能满足设备传输高频信号以及大电流的需求，背板连接器的结构起到至为关键的作用。

背板连接器通常也是由塑料零件(工程塑料)、金属零件(导体以及结构件)、其他电子元器件通过特定的装配过程组成，由于通信设备应用环境相对比较复杂，有点应用环境相当恶劣，连接器任何失效，都有可能带来很大的损失。所以说，背板连接器的性能必须要相当稳定，而性能的稳定性，很大程度上取决于连接器的结构设计。

3 连接器结构设计

连接器结构设计是针对连接器产品内部结构以及机械部分的设计。具体到背板连接器，结构设计体现在如何确保连接器的各个零件之间的装配关系，以充分保证背板连接器最重要的性能指标。

在连接器新产品开发的过程中，连接器的结构设计是整个连接器产品设计过程中最复杂的一个环节，需要兼顾产品外形尺寸的要求和产品功能的要求，完成产品的结构设计。随着电子产品的更新换代，电子产品包括5G通信产品，对连接器的要求越来越高，在终端产品外形尺寸定好的前提下，连接器产品的外形尺寸也受到限制，所以连接器产品的结构设计也将变得更加挑战。

4 本文所涉及背板连接器简介

本文所涉及的背板连接器是为客户定制的一款公端连接器，应用于客户的5G通信设备，如集线器、交换机、路由器、服务器、存储器。客户除了对信号完整性指标、机械性能、环境性能等各项指标提出一定的要求外，对产品的外形也提出了一定的要求，并且对尺寸的要求很苛刻。这就需要对连接器进行高密度设计，使得单位面积内尽可能多的容纳更多的信号差分对。连接器产品外形尺寸如图1所示。

图1 产品外形尺寸

在26.88mm×45.65mm的空间内，需要容纳96对差分对，并且还要布置一定数量的接地导体。客户对尺寸的限制，导致产品在设计上的难度增加。所以说，在保证一定的结构强度的前提条件下，对塑胶材料的壁厚，以及金属导体的材料厚度都想办法控制到最小水平。本文所述的连接器涉及的结构设计的方面的研究点很多，在这里就以连接器的片式屏蔽片为例进行阐述结构设计的重要性，连接器爆炸图如图2所示。

图2 连接器爆炸图

4.1 片式屏蔽片功能说明

如图3所示，片式屏蔽片在本文所述的背板连接器中的位置，此背板连接器有横向和纵向排列的信号差分对，片式屏蔽片布置在两排横向排列的差分对之间，对差分对起屏蔽的作用，用来防止电磁干扰。两个屏蔽片之间的空间是用来与另外一个连接器上的差分对进行相互配合的空间。

图3 片式屏蔽片在产品中的位置

片式屏蔽片上的接触点与连接器上的其他金属接地零件接触，将产品上的所有屏蔽片连接在一起，从而能够更加有效防止电磁干扰的产生影响到高速信号的传输。

4.2 片式屏蔽片结构说明

如图4所示，为片式屏蔽片的尺寸图。片式屏蔽片是由铜带经过冲压和电镀加工后，提供给产品组装使用。由于此连接器的外形尺寸的限制，所以对此片式屏蔽片的设计也有了一定的局限性，特别是片式屏蔽片的材料厚度不可能选得太厚，否则会影响到产品的外形尺寸。基于种种限制条件，最终片式屏蔽片的长度和宽度分别达到42.3mm和6.95mm，长度和宽度的比值达到6:1，由于长度、宽度和厚度的限制，这样设计必然会导致片式屏蔽片的刚性不足，而且片式屏蔽片在冲压、电镀后的卷带包装很容易产生变形。

图4 片式屏蔽片尺寸图

4.3 片式屏蔽片的功能实现

如图5所示，为公端连接器和母端连接器相互配合的示意图。在实际应用场合，连接器是分别压接在不同印刷电路板上。其中，压接公端连接器的印刷电路板是安装在设备的机柜里面，压接母端连接器的印刷电路板是由人工插入设备的机柜。这样的应用系统，必然会产生很大的系统累积公差，这对连接器的设计相当有挑战，对客户的机柜设计也相当有挑战。实际应用中，经常有发生因为两块印刷电路板对位不准，而导致连接器被插坏的现象。

图5 连接器相互配合的示意图

针对本文所提到的连接器上的片式屏蔽片来说，如果片式屏蔽片变形而用来组装成连接器，当这样的连接器去和另外一个连接器进行互配时，片式屏蔽片就会有被另外一个连接器给撞坏风险，从而使连接器的基本功能得不到保证，这种被撞坏的现象，在客户早期的样品测试过程中时有发生，如图6所示。

图6 片式屏蔽片撞坏异常

如图7所示，公母连接器配合后横切面图。当两个连接器相互配合的过程中，片式屏蔽片会进入母端连接器差分对组之间的狭小缝隙内，片式屏蔽片上的触点与母端连接器差分对组上的屏蔽片接触，从而达到将母端连接器上的屏蔽片连接在一起。考虑到片式连接器的材料厚度和零件的公差以及连接器的组装位置度，如果公端连接器的片式屏蔽片有变形的情形，母端连接器差分对组之间的狭小缝隙将不足以让片式屏蔽片顺利的进入，所以片式屏蔽片在连接器相互配合时被损坏的现象就有可能发生。

图7 公母连接器配合后横切面图

4.4 片式屏蔽片结构优化方案

综合客户的实际应用，以及产品设计的局限性，在不能绝对保证片式屏蔽片的平面度以及其在产品中的位置精度的情况下，必须对片式屏蔽片的结构设计进行了优化。在这样的情形下，对产品设计进行了深层次的检讨，采用了新的设计如图8所示。设计变更前的屏蔽片上端为直线型设计，设计变更后的屏蔽片上端为弧形设计。

图8 设计变更前后对比

a) 片式屏蔽片结构优化方案原理

图9为片式屏蔽片装配示意图，在连接器装配过程中，片式屏蔽片两端会被限制在塑胶两端狭长形的槽中间，屏蔽片和塑胶槽之间的间隙很小，只有0.10mm，这样的间隙足够保证片式屏蔽片的两端的位置度。片式屏蔽片两端的位置度得到保证，也是设计变更后的屏蔽片能够解决屏蔽片在连接器相互配合的过程中被撞坏的关键。

图9 片式屏蔽片装配示意图

为了能够更好的说明设计变更后的片式屏蔽片解决问题的原理，取公端母端连接器互配过程中某个状态的剖视图，来说明在连接器互配过程中，片式屏蔽片和母端产品上的地片的位置关系。

如图10所示，采用设计变更前片式屏蔽片连接器配合示意图，由于母端连接器的地片的端部和公端连接器的片式屏蔽片的端部都是直线型的结构。在虚线圈内可以看到母端连接器的地片和公端连接器片式屏蔽片的相对位置关系。对于这样的结构，则需要公端连接器的片式屏蔽片端部同时进入母端连接器差分对组之间的狭小缝隙，这样才能保证连接器的各项性能得到保证。在这种状况下，对片式屏蔽片的平面度和片式屏蔽片在连接器上的位置精度要求很高。当出现片式屏蔽片变形，或者位置精度差的状况时，片式屏蔽片都有被母端地片撞坏的可能。

图10 采用设计变更前片式屏蔽片连接器配合示意图

如图11所示，采用设计变更后片式屏蔽片连接器配合示意图，公端连接器的片式屏蔽片的端部是弧线型的结构，母端连接器没有做任何设计变更，在虚线圈内可以看到母端连接器的地片和公端连接器片式屏蔽片的相对位置关系。对于这样的结构，由于片式屏蔽片在塑胶槽里的位置度能够控制的很好，且屏蔽片的两端直线段很短，变形也可以得到很好的控制，所以母端连接器差分对组之间的缝隙完全能够包容片式屏蔽片两端的位置偏差。公端产品和母端产品相互配合的时候，公端连接器的片式屏蔽片两端会先进入母端连接器差分对组之间的狭小缝隙，然后公端连接器片式屏蔽片的中间部分依次进入母端连接器差分对组之间的狭小缝隙，公端连接器的片式屏蔽片进入母端连接器差分对组之间的狭小缝隙是一个循序渐进的过程，这样即使是在片式屏蔽片变形，或者位置精度差的状况下，都能顺利保证连接器的相互配合，从而使连接器各项性能得到保证。

图11 采用设计变更前片式屏蔽片连接器配合示意图

5 应用综述

经过理论上的论证，新的片式屏蔽片的设计得到产品开发团队和客户的认可，经过对片式屏蔽片模具进行设计变更后，采用新的片式屏蔽片在组装成连接器，进行内部测试，得到预期的效果。送样客户进行系统测试，片式屏蔽片被损坏的现象都没有再发生。所以说，新的片式屏蔽片的设计能够很好的保证产品的基本功能。针对此结构，申请实用新型专利，专利公开号 : CN211182700U。

6 结语

随着5G通信技术的迅猛发展，必然会推动背板连接器研发技术的发展。但通信设备的特殊应用场合，也对连接器的可靠性提出严苛的要求，而连接器可靠性的保证则来自于连接器优秀的结构设计。所以说，在连接器设计之初，必须充分的了解客户的需求，理解客户的应用场景，这样才能在有好的设计思路的前提条件下，利用团队的智慧，用合理的结构设计方案去保证连接器的基本性能。