在电缆组件中使用线对板 PCB 安装连接器

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简单地说,电缆组件由两个主要元件组成:导体和连接器。导体的唯一目的是在给定电压下传递电流,而连接器的任务则是将电缆组件牢固地固定在配对互连器件上。

在设计电缆组件时,导体和连接器显然是设计者最关注的焦点,但有时却忽略了如何将连接器固定到导线上的具体细节。例如,忘记为定制电缆制造购买适当的压接和拔出工具会延误制造,特别是如果这些工具交货期较长或价格昂贵。但是,如果在项目进行三个月后,发现指定的连接器根本就不是用来直接连接电缆的,那又会发生什么呢?如果现在必须将所需的线对板连接器用作线对线连接器,会发生什么情况?

线对线连接器系统

大多数连接器都有公母两种性别。连接器还设计成线对线或线对板系统,以区分不同的应用和安装要求。线对线连接器系统不言自明。导线通过焊接或机械连接的方式与护套导线固定在连接器的公母两侧。家用延长线就是线对线系统的一个简单例子。

线对板连接器系统

线对板连接器系统由一组公连接器和一组母连接器组成,其中一端与电缆线束连接,另一端与 PCB(印刷电路板)连接。线对板连接器系统的 “板 “侧通常不使用压接端子和外壳系统,而是使用焊接到印刷电路板上的通孔或表面安装到焊盘上的引脚。

这种连接方法在 SMT(表面贴装技术)制造中极为常见。线对板连接系统的一个日常示例是笔记本电脑上与 USB 键盘线缆相连的 USB 插座(就像我今天使用的一样!)。

在电缆组件中直接使用 PCB 安装连接器前的注意事项

如果您发现自己急于在电缆组件中直接使用印刷电路板安装的连接器,那么有一些方案值得考虑,它们可以避免重大的设计变更。在探索如何使用印刷电路板安装连接器的一些可能解决方案之前,最好先分析一下应用和使用案例,以全面了解机械、环境和电气要求的影响。

坚固性: 电缆组件是否会受到机械冲击、振动或周期性弯曲?是否需要一定的弯曲量?应用是否有可能需要应力消除的拉力强度要求?了解资格要求或电缆组件的使用方式,可以为选择最佳附件选项提供必要的详细信息。

环境:有些客户的应用要求对某些化学物质或溶剂具有耐受性,还有些客户的应用则有侵入要求,如 IP66 防水等级。如果因暴露于盐雾或其他类型的氧化而存在腐蚀问题,则必须在选择设计策略之前加以考虑。紫外线照射、温度循环和长期暴露于潮湿环境等其他问题也会决定 PCB 连接器与线束端接所采用的解决方案。这些类型的要求会推动所采用的设计和制造工艺。

电气: 低复杂度针座和其他表面贴装互连设计通常不需要屏蔽。这可能是因为应用传递的是低压数据,或者系统不易受到 ESD(静电放电)或辐射的影响,从而减少了对屏蔽的需求。在开始生产之前,了解是否有屏蔽要求至关重要。如果连接器要传递高速数据或其他高保真信号,则在选择设计方法前必须考虑这一点。

电缆组件中 PCB 安装连接器的设计解决方案

一旦确定没有其他切实可行的解决方案来改用线对线连接器解决方案,就有办法在电缆组件中直接使用安装在印刷电路板上的连接器。所有针座和类似的印刷电路板连接器都有一系列引脚或类似的接触垫,可以在电缆中使用,但必须满足三个关键的设计要求:

针座引脚必须与电缆导体电气连接
针座引脚之间以及相邻电缆导体之间必须电气绝缘
必须在解决方案中设计适当的应力消除量

解决方案 1:搭接焊

搭接焊连接是一种常见的焊接操作,非常适合对环境要求较低的低复杂性设计。要进行这种操作,必须清洁表面,剥去电缆绝缘层,留下针座引脚和裸电缆导体的重叠部分。然后将两个部件焊接在一起,形成电气连接;焊料起到假焊的作用,以提供强度。

搭接焊连接是可行的,因为针座引脚和裸导体可以很容易地相互重叠,从而形成快速执行搭接焊操作的框架。然后可以在裸露的导体上使用热缩管,为元件提供电绝缘。

为什么这很重要?搭接焊连接最适用于无移动或移动极小的应用。使用不同类型的热缩管(厚度、内衬粘合剂)可略微改善拉伸强度和移动性。

提示: 由于搭接焊工艺的要求和焊接细间距连接器的困难,建议使用的最小引脚间距为 2.45 毫米(0.100 英寸)。

解决方案 2:包线和焊接

与搭接焊接工艺一样,在将裸线导体连接到 PCB 安装的连接器引脚时,也可以考虑使用绕线焊接连接技术。裸导线不是重叠部分的导体和针座引脚,而是像柱子一样缠绕在针座引脚上。通常情况下,在焊接之前需要缠绕一至四圈。这种类型的连接比搭接焊连接更牢固,因为导线在焊接前已缠绕在针座引脚上。

为什么这很重要:虽然这种焊接连接更牢固,但只适用于移动很小或没有移动的应用。

提示:与搭接焊接工艺类似,推荐的最小引脚间距为 2.45 毫米(0.100 英寸)。导线的线径也会对其产生影响,因为只有小线径的导线才能绕过针座引脚。

解决方案 #3:中间印刷电路板

如果强度和可靠性至关重要,那么搭接焊接和包线连接都不适合应用。如果有物理空间,添加中间电路板是稳健设计解决方案的最佳选择。需要设计一块通常只有一层或两层的低复杂度印刷电路板,以便能够粘贴和焊接针座引脚。印刷电路板的设计应使针座引脚迹线与相应的电镀通孔电气连接,然后焊接到电缆线束的裸导体上。接下来,必须对中间的印刷电路板进行电绝缘和封装,以提高强度。

为什么这很重要:这道工序包含的元件更多,操作更多,成本也更高。当需要高可靠性或坚固的连接时,中间印刷电路板设计方案是首选。

提示:如果正在考虑在装配的其他地方采用 LED、电阻器或触动开关等无源器件,将它们直接添加到中间印刷电路板上可增加功能,而不会对成本产生重大影响。

不要忘记包覆成型

一旦确定了连接方法,您的应用可能会受益于定制的包覆成型连接器。一旦模具设计完成,电缆组件中的定制包胶和应力消除选项可提供多种低成本定制。包覆成型连接器需要设计和制造硬模,可为本文章中讨论的精密连接提供出色的应力消除和电气绝缘。

第一步是设计高硬度和电绝缘材料的内模。内模的设计目的是提供一种封装元件的高强度方法。外模通常是一种较软的材料,可提供应力消除和表面美观。

摘要

显然,任何新开发项目的提前规划都是至关重要的,如果不注意关键的设计细节,例如线对线和线对板互连系统之间的区别,就会对开发进度造成严重破坏。

如果您发现自己在电缆组件中使用印刷电路板安装的连接器存在问题,可以选择一些不会完全破坏项目的方案。

了解具体的制造技术和限制至关重要,这将有助于快速解决这类开发挑战或延误。

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