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Vol.01 板对板连接的革新创造崭新价值

电子产品使用着数不清的接触器和连接器,用来连接各种板卡、模块和零部件。如果您是有机会使用接触器和连接器进行产品设计和生产技术开发的工程师,不妨考虑一下阿尔卑斯电气开发的压接接触器。通过替换现有的压接接触器和连接器,以往无法解决的难题或许会迎刃而解,开发出令人意想不到的产品。阿尔卑斯电气的压接接触器为产品中一成不变的部分,带来了突如其来的技术革新。小型化、提高可靠性、高性能化、削减零部件数量、简化生产工序——凭借使用者的想象力,其潜力将会一举释放。



 压接接触器是阿尔卑斯电气利用引以为傲的精密冲压加工技术制造出的新型压接接触器(图1)。虽然零部件体积极小,但无论受到哪个方向的振动和冲击,都能维持稳定的连接。

图1:阿尔卑斯电气量产供货的压接接触器

 这种零部件不会直接出现在消费者的视野中。消费者也无法直接感受将其应用于产品所带来的效果。但对于电子产品设计和生产技术开发,却会产生极大的影响力。这是因为,它有可能完全取代在消费类产品、工业设备及办公设备等各个领域的电子产品中司空见惯的无数个接触器和连接器。

得“连接”者得“产品”

 推动电子产品向高性能化、小型化、高可靠性化发展,在1枚板卡、1枚芯片中尽量多地集成功能无疑是理想型选择。然而在现实中,不可避免地需要使用板对板连接。要使投放市场前需要反复更改设计的部分与先行开发并通过认证测试的部分分离;为防止自主开发部分出现技术外流,要使板卡分离;要在市场的附近,组装在全世界分散生产的模块并且供货——出于这些战略性的理由,有意回避单板卡化、单芯片化的事例也在增加。因此,板卡、模块、零部件的连接技术的进步,对于拓展电子产品业务的战略选择范围是必不可少的条件。

 但在电子产品中,板对板、板卡与零部件的连接技术长期以来未出现大的进步。从半个世纪前到现在,一直在使用插头与插座咬合固定接触点的嵌合连接器和以线缆为介质的焊接。连接技术发展的停滞,甚至阻碍了电子产品整体的进步。

 使用连接器进行连接时,插座的配置会严重影响电路性能。因为受到设计的限制,插座经常会被挤到板卡的角落。比如说,如果能够在板卡的任意位置进行连接,可以缩短布线,有助于减少干扰,提高布线速度,但明知如此,布线却必须要绕过板卡的边缘。而且,1处接合需要使用两端的插座和插头,以及连接用的线缆,共计5个零部件。组装的时候,还需要将插头嵌入插座的嵌合工序。

 另一方面,现有的压接接触器因为弹簧机构的原因,会出现连接部微微偏移导致特性改变、受到腐蚀性气体的影响等现象,有可能损害产品的可靠性。

凝聚阿尔卑斯加工技术的精华

阿尔卑斯电气技术本部C5技术部第3组经理(课长)川端隆志(左)与同部门第2组的横田纯一郎

 “这是在人们觉得使用现有的连接技术已经无能为力的情况下,打破连接部分闭塞状态的技术突破”,阿尔卑斯电气技术本部C5技术部第3组经理 (课长) 川端隆志 (图2) 这样说道。

 阿尔卑斯电气的压接接触器虽然比现有的压接接触器小,可靠性却反而大幅提升。可以替代连接器,在板卡上的任意位置进行连接。因为零部件的尺寸小,且设计为正方形,所以便于随意配置在需要的位置,可以使板对板连接实现与多层基板相似的效果。只需将1个零部件按压到配合面上即可完成连接。也无需嵌合工序,在组装板卡的同时,可以一次性完成多个位置的接合。组装工序的简化,还使机器自动组装得以实现。

 阿尔卑斯电气的压接接触器的可靠性高,秘密在于其结构。利用盘绕的两枚弹簧,接触点部分可以自由活动、浮动。通过采用这样的结构,接触部分会破坏配合接触面的氧化覆膜,在完成连接后,接触部分不会错位。因此,即使受到振动和冲击,也可以维持稳定的连接。即便针对柔性基板,也可以在不降低可靠性的情况下进行连接。

图2:使用压缩接触器起到的分散连接点的效果

 阿尔卑斯电气的压接接触器的底面尺寸仅为1.4mm×1.4mm。不仅有助于缩小板卡面积,而且在不易配置的地方,也可以自由地进行配置。通过使用这种接触器,可从板卡上的任意位置接地,以实现电路的高速化和工作稳定,从而减少用于防止干扰的零部件,抑制成本的增加。阿尔卑斯电气技术本部C5技术部第2组的横田纯一郎指出:“目前出现了使用逐一嵌合的连接器无法组装的产品。而利用阿尔卑斯电气的压接接触器,便可生产这些制造难度较高的产品。”今后,通过开发新材料,还有望实现更大的进化。

 相信阿尔卑斯电气的压接接触器对于电子产品企业,将会成为战略性极高的零部件。以使用这项技术为前提,开发电子产品的设计和生产技术的时代已经来临。

近年来,在设计嵌入电子产品的印刷线路板时,满足高速化、高可靠性、小型化的要求正变得越来越困难。在这样的情况下,阿尔卑斯电气开发的新式压接接触器能够在哪些领域发挥怎样的效果?精通电子产品设计的各方专家与阿尔卑斯电气的技术团队齐聚一堂,就其适用性和可能性进行了彻底讨论。拆解过众多电子产品的技术分析专家柏尾南壮、在要求高速动作和高可靠性的产品设计方面拥有丰富经验的噪声对策专家久保寺忠直率地提出了各种疑问。而散热措施专家国峰尚树也以书面提出了问题。这些身经百战的专家如何评价阿尔卑斯电气的压接接触器?我们将分两次详细介绍讨论的内容。


伊藤 阿尔卑斯电气的压接接触器可在电子产品的印刷线路板之间进行连接,是一种基于全新思路的接触器,其结构和特点与现有的接触器和连接器完全不同。此次,我们邀请精通近年来的电子产品设计的专家,与开发压接接触器的技术团队进行讨论,希望籍此探讨其适用范围和未来前景。

相较现有压接接触器的优点

柏尾南壮
Fomalhaut Technology Solutions
总监
久保寺忠
系统设计研究所
代表董事

柏尾 拆解最近的智能手机可以发现,天线和电池等零部件的连接大量使用压接接触器。阿尔卑斯电气的压接接触器与这些现有的压接接触器相比有哪些优势?

横田 现在的智能手机使用将金属板弯折成“く”字形的板簧式接触器。这种接触器的设置区域比较大,虽然可以吸收上下方向的动能,但如果向前后左右施力,接触点有可能发生错位。而阿尔卑斯电气的压接接触器使用两个螺旋弹簧重叠排列的独特结构支撑接触点,实现了吸收振动和冲击的浮空状态。依靠这种结构兼顾了小型化和出众的可靠性。

川端 智能手机还使用探针式的压接接触器,在筒中安放线圈弹簧,然后设置炮弹状的端子。探针式接触器分成垂直可动的柱塞和筒体,载流量也往往较小。而阿尔卑斯电气的压接接触器使用1个零部件直接连接,因而能够稳定输送3A以下的电流。还能够用来制作超薄智能手机等必备的低背零部件,这一点也是优势。

柏尾 智能手机为了实现薄型化,在柔性基板上安装了很多零部件。阿尔卑斯电气的压接接触器既可用于刚性基板与金属机壳的连接,也可用于刚性基板与柔性基板的连接。有可能成为有助于实现薄型化的高通用性零部件。

能在任意位置连接

田边义雄
阿尔卑斯电气株式会社
技术本部C5技术部 部长
川端隆志
阿尔卑斯电气株式会社
第3团队经理 (课长)

久保寺 在叠加两枚印刷线路板,将二者连接起来时,以往需要在基板的边缘设置连接器,将布线引到那里。这样的设计容易使布线变长,从噪声对策的角度来说,要尽可能避免。而阿尔卑斯电气的压接接触器能设置在需要连接的位置,可以缩短布线长度。这是极具魅力的一个特点。

 不过,需要采用这种小型零部件的产品,基板本身的厚度估计也只有0.4~0.5mm。在连接这么薄的基板时,如果载荷集中于一点,有可能导致基板发生翘曲。

横田 的确,在狭小的区域内配置多个接触器会导致载荷增大,或许会出现基板翘曲的情况。不过,通过在设计时改进配置方式,应该可以克服这个问题。

看上去像电感器

高冈宽之
阿尔卑斯电气株式会社
第3团队
横田纯一郎
阿尔卑斯电气株式会社
第2团队

久保寺 压接接触器的螺旋结构怎么看都像电感器。请问传输信号的最大频率是多少?

高冈 根据自谐振频率来看,最大可以传输6GHz以上的信号。电感成分也控制在了1nH。

久保寺 这是从底到顶的数值吗?这个数值只相当于基板的1个通孔啊。

高冈 没错。电流流经的螺旋部分是两根传输线并联。这种结构实现了优良的特性。

久保寺 应用于高速信号的传输线路的时候,信号层与接地层必须成对。

高冈 在应用于高速信号传输的时候,我认为可以3个一组,按照“接地层、信号层、接地层”的次序排列。

久保寺 根据排列的压接接触器之间距离的不同,特性阻抗会完全改变吧?在信号层与接地层之间,并没有像基板那样特性稳定的电介质。估计会无法计算出特性阻抗。

高冈 的确,根据信号层与接地层的配置距离,特性阻抗估计会完全改变。不过,在使用TDR法进行评价时,压接接触器的线路长度短,很难求出准确的特性阻抗值。为此,我们在现实的配置距离下进行了确认,证实眼图的波形良好,得出了可以传输高速差动信号的结论。

久保寺 如果能够确认用户在使用中不发生反射,应用或许会一举得到扩大。

出众的高可靠性

久保寺 以往的压接接触器会受到对侧接触表面粗糙的影响,发生老化或特性不均。这个问题不用担心吗?

伊藤 散热措施专家国峰尚树也对可靠性提出了疑问,他的问题是“在接触点上,接触电阻产生的焦耳热会随着时间的推移增加。阿尔卑斯电气的压接接触器有没有采取措施来延长寿命?”

田边 以往的压接接触器会因为振动等导致接触点错位,使表面脏污和粗糙的影响逐渐暴露出来,从而导致老化和特性不均。而且,接触电阻之所以会随时间发生变化,也是因为接触面错位上翘,暴露在空气中形成了氧化覆膜。而阿尔卑斯电气的压接接触器使用浮空结构吸收振动和冲击,接合部固定地非常牢固。只要完成连接就不会松动。因此,就算表面稍微脏一点、受到振动和加热,也能够保持稳定的连接。

    Eye pattern simulation (5 Gbps differential signal)

抗振性强是时代的需求

柏尾 抗振和抗冲击的特点是不是可以应用于无人机的控制基板等?无人机在飞行时产生的振动很大。即使用焊锡连接,也有可能发生断线。因此不能采用连接点较多的设计。出动率较高的无人机,似乎不惜成本也要使用一枚基板。开发无人机的各企业都在探索可靠性高的基板间连接方法。如果能够避免连接点错位,将会是一个划时代的壮举。

田边 这样的应用最能发挥阿尔卑斯电气的压接接触器的特点。使用焊锡固定连接点有可能变形发生损坏。

伊藤 以机器人和可穿戴终端为代表,在剧烈运动或恶劣环境下使用的电器以后会越来越多。这可能会成为阿尔卑斯电气的压接接触器的新市场。

从低背到高背,扩充产品线

伊藤 通过之前的讨论,我们知道了阿尔卑斯电气的压接接触器有可能推动印刷线路板进一步实现高速化、高可靠性和小型化。但我不认为已投放市场的压接接触器可以马上取代目前使用的所有接触器和连接器。下面,我希望大家来讨论一下压接接触器未来的发展空间。

久保寺 已上市产品的初始高度为1.2mm,压接后的高度为0.7mm。在重叠连接印刷线路板时,其间隔取决于这个高度。如果这里的高度过低,则可以在基板上安装的电子零部件将很少。考虑到本产品的潜力,我觉得配备更高零部件的基板,也会对这种接触器产生需求。

川端 除了初始高度为1.2mm的产品,我们还在开发多种高度各异的产品。但是,考虑到智能手机等价值在于“轻薄短小”的产品更能凸显阿尔卑斯电气的压接接触器的特点,我们确实是优先推出了低背产品。正如您所说,已有客户提出意见,希望购买5mm、6mm等高背产品。对于更高的产品,我们会根据需求进行研究。

当然要追求更小

久保寺 目前的安装面积只有1.4mm见方一种尺寸。最好能进一步缩小到1mm见方以下。这样就能在重叠基板之间的任意位置 (接地端子等) ,自由地实现接触。使用量绝对可观。从噪声的观点来说,每张基板的接地电位应该尽可能保持在相同水平。在很多情况下,最好设置在非常狭小的空间内。压接接触器如果更小,会提高配置的自由度,成为这些场合的最佳选择。

田边 进一步实现小型化当然是我们应该挑战的进化方向。依靠本产品实现的新价值的源泉,在于“利用吸收振动和冲击的独特结构,实现稳定的可靠接点”的理念。而实现理念的功臣,是创造出三维浮动状态、使用双重螺旋弹簧支撑接点的结构。今后在推动小型化的时候,也不能偏离这个基本方向。现在的1.4mm见方的产品已经证实,奉行这个理念可以取得理想的效果。如果能进一步实现小型化,应该可以满足绝大多数基板间连接的需求。

通过支持高频,扩大设计人员的自由度

久保寺 阿尔卑斯电气的压接接触器也能传输高频信号吗?举个例子,无线局域网、USB等使用相同频带的电路会相互干扰,引发工作异常。一个简单的解决办法,是将施加干扰的电路分离到其他基板。但在最近,LSI覆盖的频率已经非常高,有时会在基板之间直接传输高频信号。而且,在个人电脑等产品中,高频电路、CPU和存储器、I/O、音频电路等都挤在1张印刷线路板上,电路间容易发生干扰。如果能简单地分开基板,设计自由度将会大幅提升。

伊藤 在基板之间传输高频信号,能够实现什么功能?

久保寺 基板分离乍看上去似乎会增加成本。但勉强挤在1张基板上,有可能需要采用高多层基板。反倒是分开才能降低成本。而且,阿尔卑斯电气的压接接触器不需要过去的混合IC、多芯片模块(MCM)中繁琐的连接器。浑身上下都是优点。而实现这些优点,需要在基板之间实现高频信号等所有信号的传输。这真能实现吗?

田边 市面上虽然有细线同轴连接器等用来传输高频信号的连接器,但考虑到可靠性、大小和易用性,这些连接器并不能拿来就用。如果能够灵活运用小型、布局自由度高的本产品,配置信号和接地端子,说不定还可以支持高频信号。

关于在防水等方面的应用

柏尾 使用阿尔卑斯电气的压接接触器连接基板时,目标是多少个引脚的布线?在现在的智能手机中,与配备近距离无线通信 (NFC) 电路等的柔性基板连接的部分,使用的是8个引脚的压接接触器。截至目前,这是引脚数量最多的压接接触器应用事例。

“能有效发挥特长的应用应该有很多。”(久保寺)

田边 现在的产品最多可以支持10个引脚。除了连接基板,设想的用途还有具有防水功能的智能手机等。具有防水性的电子产品不能把耳机插孔等焊在基板上与机壳绑定。而是需要在机壳端安装耳机插孔等连接器,介由柔性基板等与基板连接。这是因为机壳端的连接器不能焊接在基板上。如果在这里使用阿尔卑斯电气的压接接触器,结构会非常简洁。

久保寺 BGA作为半导体封装的主流,在安装时很难找到接触不良的部位。而使用阿尔卑斯电气的压接接触器代替球栅,安装和拆卸会变得简单,还能在试制阶段高效实施评估。不只是BGA,还能应用于所有需要拆装的零部件。

田边 要想实现多引脚化和替代BGA,本产品需要阵列状配置。阿尔卑斯电气的压接接触器是正方形,应该适合阵列状配置。

在大电流化和散热方面的应用

柏尾 苹果为笔记本电脑“Mac Book”的供电口采用了供电容量最大为5A的“USB3.1 TypeC”。现在的“iPhone”采用的是供电容量最大为3A的“Lightning”,今后估计会与MacBook采用相同的插口。使用方便、可以快速充电的大电流化,估计会成为今后需要实施的开发项目。当掀起大电流化的潮流时,是不是可以使用阿尔卑斯电气的压接接触器来连接电池和基板?

川端 现行产品的额定电流为3A。载流量继续增加是今后的趋势。

伊藤 散热措施专家国峰尚树提出了问题:“当电流为3A时,升温幅度是多少?”

“现在的智能手机也有很多可以发挥阿尔卑斯电气的压接接触器特长的地方。”(柏尾)

高冈 按照公司内部评价的结果,升温幅度为15℃。我们认为这种程度的升温没有问题。

伊藤 还有一个问题:“阿尔卑斯电气的接触器有没有采取措施,使升温后承受压接载荷,也不会因为高温蠕变而受到破坏?”

横田 我们一方面改进设计,防止升温达到破坏接触器的程度,另一方面也选用了耐高温的材料。

田边 本产品除了电气连接,还能用来疏散产生的热量。半导体和电子零部件产生的热量使用散热器等很难疏散。而通过大量排列阿尔卑斯电气的压接接触器 ,可以自由制作散热路径。

利用先进的加工技术应对大量消费

柏尾 听了开发人员的介绍,我们知道了接触器和连接器在未来有望实现长足的发展。衷心希望在今后拆解调查的产品中,到处都能见到阿尔卑斯电气的压接接触器的身影。

久保寺 能够有效发挥本产品特长的应用应该有很多。在今后,为扩大应用而压缩成本估计会成为课题。

田边 阿尔卑斯电气的压接接触器是单板经冲压加工制成。因此,看上去虽然复杂,但价格不高。不过,要想通过多次反复冲压,制成高精度产品,需要极为高超的加工技术。可以算作是擅长冲压加工的阿尔卑斯电气的独门绝技。

伊藤 我明白了,目前上市的本产品并不完美,在今后还有继续进化的余地。以已上市的产品为起点,估计还会涌现出丰富多彩的品种。可以期待,这项技术在在今后将不断发展,以满足电子产品设计人员的期待,进一步扩大应用范围。

【主要特点】

●业内面积最小的超小型低背阿尔卑斯电气的压接接触器
1. 尺寸为1.4mm×1.4mm,小型而且省空间,实现了低背化
2. 利用自主开发的弹簧结构,在受到振动和冲击时也可保证良好的接触可靠性
3. 因为是正方形,所以安装方向不固定,可以实现阵列状等灵活配置
4. 小型但能够耐受3A的电流
5. 可使用贴片机(标准喷嘴)自动安装

【主要用途】
个人音响 相机
医疗保健仪器 个人电脑&外设
移动终端 可穿戴终端
音频视频设备  
【主要性能参数】
产品名称阿尔卑斯电气的压接接触器
外形尺寸(W×D)1.4mm×1.4mm
使用高度0.7~1.0mm
(还可对应其他高度,详情请垂询)
额定电流3A
使用温度范围-30~+85℃