CN101521984A - 降低金手指配合推力的方法和印刷电路板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低金手指配合推力的方法和印刷电路板，利用本发明的方法和印刷电路板，解决了现有技术中金手指插入力过大的问题，其通过改变印刷电路板边沿的形状，使印刷电路板边沿不同时顶开连接器簧片。印刷电路板可具有至少一段内凹边沿或至少一段外凸边沿或至少一段倾斜边沿，所述边沿可以进一步倒角。并且可对金手指焊盘进行分类，对于部分金手指，去掉引脚末端部分或整个金手指，对于部分金手指，保留引脚末端部分。通过以上措施，达到了在印刷电路板插入连接器过程中、降低配合推力的目的。

Description

降低金手指配合推力的方法和印刷电路板
技术领域
本发明涉及硬件电路设计和制造领域，更具体地说，涉及一种能够降低金手指配合推力的方法和印刷电路板。
背景技术
金手指是计算机硬件行业中一种常用的硬件连接方式，例如内存条，PC板卡等均采用这种方式，即在印刷电路板(Printed CircuitBoard，PCB)上直接制作一些焊盘，然后将PCB直接直插入连接器中去，在连接器中用簧片咬合住焊盘，从而保证电气接触。在PCB的焊盘上，为了增加耐磨性和稳定性，采用镀金的工艺，因此称为金手指。
近几年，金手指应用向通讯等非计算机行业扩展。例如PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)组织所制定的AMC标准(Advanced Mezzanine Card)标准，ATCA(AdvancedTelecommunications Computing Architecture)标准，及MicroTCA标准(Micro Telecommunications Computing Architecture)均先后规定采用金手指作为连接方式。
随着金手指非计算机行业应用的增多，金手指的一些固有问题逐渐暴露，其中一个是：由于非计算机行业所要求的可靠插拔次数远多于计算机行业(例如AMC标准规定要插拔200次，而计算机产品一般为20次以下)，连接器与PCB金手指之间需要更紧密地配合，从而导致插入力过大。
标准组织认识到了这一问题，但没有对降低插拔力提供解决方案，标准组织所能做的只是把插入力允许的标准放宽，例如AMC标准规定，只要最大插入力小于100N，就算合格，而根据现有技术水平制作的金手指连接器，与PCB配合插入力均在50N以上。如果一个PCB上有两个连接器，则推力加倍，3个连接器推力为3倍，根据MicroTCA标准，MCH(MicroTCA carrier hub)上共有4个连接器，因此推力为4倍。这事实上已经超过了人能够操作的极限。随着MicroTCA标准的大批量商用，此问题必将暴露出来。
对于金手指的插入力过大的问题，经分析认为，其根本原因在于，连接器簧片在与金手指配合时，需要抵抗金手指簧片张开的力，而根据现行标准(AMC，MicroTCA等等)，无论连接器还是PCB都是直角结构，所有金手指是同时张开的，因此在配合的瞬间，将产生极大的峰值推力。例如对于AMC标准，有170个簧片，则瞬时最大推力等于单个簧片推力的170倍。
图1所示为现有金手指与连接器配合的示意图，在此图中，为直观起见两个金手指101、103没有重叠画，而是画在了不同的平面上。两个金手指101、103同时与连接器200的两个簧片201接触，此时的推力等于单个金手指推力的两倍。
簧片张开后，推力用于抵消滑动摩擦力，此时所需推力大为减少，因此对于插入力过大问题，主要需要解决金手指张开瞬间所需要的巨大推力。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中金手指插入力过大的问题，提供一种降低金手指配合推力的方法和PCB。
为达此目的，本发明一方面通过改变PCB边沿的形状，使PCB边沿不同时顶开连接器簧片。即分不同时间顶开，这样可以减少最大阻力。
优选地，使所述PCB包括至少一段凹陷状边沿或至少一段外凸状边沿或至少一段倾斜边沿。这里，可以用内陷状来解决单个连接器的导向问题，或在多个连接器的应用环境下，用多个连接器自身的定位关系来导向。另外，可以利用外凸状边沿或内陷状边沿，以预留出缓冲区。进一步地，这些缓冲区例如可以作成倒角状。
优选地，使所述PCB边沿包括两段形状相同的凹陷状边沿或两段外凸状边沿或两段倾斜边沿，并使所述两段凹陷状(也可以称为内缩状或内陷状)边沿或两段外凸状边或两段倾斜边沿关于PCB的定位部对称。这两段边沿例如可以是两段凹陷状边沿、两段外凸状边沿或两段倾斜状边沿，或者它们的组合。
优选地，还可以使所述PCB包括至少两段边沿，并使PCB边沿呈阶梯状。
优选地，对金手指焊盘进行分类，对于部分金手指，去掉引脚末端部分；对于部分金手指，保留引脚末端部分。例如，对于PCB内缩，影响到原金手指焊盘未端部位的情况，为保证信号的连接性能，不能去掉所有金手指的未端，而是在同一个PCB上保留一部分较长的金手指未端焊盘。
根据本发明的另一方面，对PCB边沿进行倒角，即在PCB纵向剖面上做倒角，使簧片逐渐张开，而不是突然张开，从而减少最大推力。该倒角可以延伸至金手指焊盘上或在金手指焊盘以外的边沿区域上延伸。
根据本发明的又一方面，对金手指焊盘进行分类，对于部分金手指，去掉引脚末端部分或整个金手指；对于部分金手指，保留引脚末端部分。通过对金手指焊盘进行分类，选出一部分不需要首先接触的引脚，对这些引脚未端去掉金手指部分，从而降低厚度，减少摩擦力。并由于金手指长短不同，使其与连接器配合时分时受力。从而降低最大推力。
本发明还给出了用于上述方法中的PCB，在该PCB上，所述PCB边沿上的金手指端部处在不同的插入位置，以在不同时刻顶开连接器簧片。具体地，PCB具有至少一段内凹边沿或至少一段外凸边沿或至少一段倾斜边沿。所述边沿可以进一步倒角，然而对于边沿形状的限定，通篇应该理解这些边沿主要是用来减少或降低配合推力的，当然也可以兼作定位的目的，因此，这有别于现有技术PCB上的那些用于定位的边沿形状。
应该理解，以上的一般性描述和以下的详细描述都是列举和说明性质的，目的是为了对要求保护的本发明提供进一步的说明。
本发明的其它特征和优点在随后的说明中给出，部分地可从该说明中明显看出，或可从本发明的实施中看出。本发明的目的和其它优点可从以下书面说明、权利要求以及附图特别给出的结构来理解、获得。
附图说明
组成本说明书的一部分的附图有助于进一步理解本发明，这些附图图解了本发明的一些实施例，并可与说明书一起用来说明本发明的原理。附图中：
图1为现有金手指与连接器配合示意图；
图2为现有技术中具有金手指的PCB的俯视图；
图3-1至图3-9为根据本发明进行改进的PCB的俯视图；
图4-1至图4-3用剖面图示出了根据本发明进行改进的PCB的金手指插入过程图；
图5为不同边沿形状下的推力对比曲线图；
图6-1至图6-3为根据本发明进行改进的PCB插拔导向图；
图7示出了阶梯状边沿的PCB；
图8-1和图8-2分别示出了具有平齐金手指和非平齐金手指的PCB的俯视图；
图9-1和图9-2用剖面图示出了平齐金手指和非平齐金手指与连接器簧片的接触；
图10示出了未使用引脚不做金手指的PCB的示意图；
图11-1和图11-2用剖面图示出了具有倒角的PCB插入连接器簧片的示意图。
具体实施方式
下面，结合附图并本发明进行详细的说明。
针对插入力过大的问题，提出一种改进方案，思路是使各个簧片张开的阻力在不同时刻加载在PCB上，从而改善最大瞬时阻力。
图2是严格按标准制作的PCB100，其所有金手指101、103以及金手指的各个部分都是平齐的，因此在与标准连接器配合过程中，存在瞬时的极大阻力。
需要说明：在图1中仅绘制了2个金手指连接器的情况，而对于1个金手指，3个金手指，或多个金手指的情况，是完全类似的，下同。
另外，图2中仅绘制了多个金手指在一个平面排列的情况，而对于金手指在不同平面排列的情况(具体例如MicroTCA标准中对于MCH连接器的定义)，也是完全类似的，下同。
图3-1至图3-9所示是本专利提出的——金手指非平齐方式的一些实施例子。需要说明的是：对于所采用的外形，包括但不限于上述列出的形状，只要是PCB边沿不同时接触连接器，都在本专利的保护范围之内。
在图3-1中，PCB100包括平直的第一边沿段110、平直的第二边沿段120、和定位部130，其中，第一边沿段110、第二边沿段120呈阶梯状，从而在PCB插入连接器时，位于第二边沿段120上的金手指103先接触连接器簧片，位于第一边沿段110上的金手指101后接触连接器簧片，从而降低最大配合推力。
在图3-2中，第一边沿段110和第二边沿段120都是倾斜的，且关于定位部130位置对称，整体呈外凸状。
在图3-3中，第一边沿段110、第二边沿段120分别外凸呈角形，且第一边沿段110比第二边沿段120整体向外多延伸出一段距离。
在图3-4中，第一边沿段110、第二边沿段120都是倾斜的，但是第二边沿段120比第一边沿段110整体向外多延伸出一段距离。
在图3-5中，第一边沿段110是倾斜的，第二边沿段120是平直的。
在图3-6中，第一边沿段110、第二边沿段120都是倾斜的，且整体呈凹陷状。
在图3-7中，第一边沿段110、第二边沿段120分别呈凹入的角形，且第一边沿段110与第二边沿段120关于定位部130对称。
在图3-8中，第一边沿段110、第二边沿段120分别呈凹入的弧形，且第一边沿段110和第二边沿段120关于定位部130对称。
在图3-9中，第一边沿段110、第二边沿段120分别呈倾斜状，且第一边沿段110与第二边沿段120呈阶梯状。
本方法的原理可以由图4-1至图4-3所示的剖面图来解释。在图4-1至4-3中，为直观起见两个金手指没有重叠画，而是画在了不同的平面上。在第一个行程时(图4-1)，连接器簧片201、203只和长的PCB及金手指101接触，即只增加部分张开阻力。在第二个行程时(图4-2)，突出区的簧片201已经张开，进入滑动状态，而凹下区簧片203待张开，有张开力，所以在此行程内，总阻力＝部分张开力+滑动摩擦力。在第三个行程内(图4-3)，所有簧片201、203均张开，则阻力＝滑动摩擦力。
所以在全部行程中，在第二个行程阻力最大，但已远远小于原来的最大瞬时阻力。
对于不同的外形，改善的效果不同。例如对于图3所示的各种形状，图3-1所示的形状(直角2级阶梯边)约可改善一半，而图3-2至图3-9所示的形状(斜边)可优于一半。
在图4-1至图4-3中，PCB100的边沿141进行了倒角，这有助于进一步减小最大配合推力。
图5为不同形状下的推力对比分析图，图中，T1代表现有技术中平直边沿的PCB推入配合时的阻力曲线，T2代表斜边2mm时的推力曲线，T3代表直角2级阶梯边1mm时的阻力曲线，T4代表直角2级阶梯边1.9mm时的阻力曲线，T5代表直角2级阶梯边3mm时的阻力曲线。在此可以得出：
(1)各种边沿形状都对改善最大推力有效果，只是改善程度不同。因为所有方案都把原来集中的能量分散化了。
(2)对于直角阶梯边，2级或多级阶梯间的距离应该根据实际推力分布曲线作优化，可以找到一个或多个最佳值。
(3)对于斜边，理论上比直角边有更大程度的改善。
经上述改进后，如果是单个连接器，可能出现导向不佳的问题，如图6-1至6-3所示，图6-1所示的形状是单向斜边，则在连接器200与PCB100接触的初期，在竖直方向上存在自由度，可能造成配合误差。因此，采用内陷形状，如图6-2和图6-3所示的形状可以避免出现这种情况。
如果是多个连接器，则可以象图3-1至3-9一样采用多个连接器之间本身的定位关系来进行定位。
本方法要求在左右方向上有一些空间，来实现推力的缓冲，这些空间来自于两部分，外扩和内限。以图3-1所示的形状举例，得到如图7所示的示意图，其中P1是连接器边界，P2是簧片受力点。尺寸A为相对于标准尺寸的外扩，B为相对于标准尺寸的内限。在这里，仅以图3-1所示的形状为例，对于其它形状，外扩和内限是完全类似的。
如何实现内限是一个问题，因为根据标准定义，任何内限都会损伤到信号的定义，因为它去掉了部分金手指未端的尺寸。为此，根据金手指信号本身的电气特性，得出如下解决方法：
金手指可以不同时接触到连接器簧片，例如地线可以首先连接，其次为电源，再其次为信号。而电源和地的连接只是为了保证器件的安全性，在所有信号良好连接之前是无大电流通过的，根据这一特点，提出只要一个PCB上保留少量满行程的金手指焊盘，而其它大量金手指焊盘都可以回缩。这为提供内限空间B提供了可能性。
对于PCB形状的选择，例如斜边还是直角边，可以综合考虑推力改善效果，加工难度，导向，加工效率等等因素决定。
图8和图9示出了减少推力的另一个方法，其中图8为俯视图，图9为剖面图，图8-1和图9-1所示的是现有的标准金手指，其未端是平齐的，而图8-2和图9-2所示的则是根据电气特性将金手指分类，对于可以不首先接触的引脚，未端部分不再做成金手指。
这样，簧片对于金手指镀层部分的接触不再是同时，而是分不同时间接触不同长度的镀层。
同时，由于无镀层竞争厚度降低，对于减少推力也是有帮助的。
对于在当前电路中未使用的金手指，则整条金手指都可以不做，如图10中标号150所表示的。这对减少推力有进一步的好处。
图11-1和图11-2用剖面图示出了具有倒角的PCB100插入连接器簧片的示意图。如图所示，在PCB边沿纵剖面上开设倒角141，这样连接器张开行程变长，能量缓慢释放，从而减少最大推力。倒角可以不包含金手指部分101，仅包括PCB100(如图11-1所示)，也可即包含PCB100，也包含金手指101。
本专利所述的几个方法可以单独使用，也可以任何形式组合使用。组合使用时，改善效果是叠加的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
附图标记说明
100     PCB                  101     金手指
103     金手指               200     连接器
201     簧片                 203     簧片
110     第一边沿段           120     第二边沿段
130     定位部               141     倒角边沿
150     空白区

Claims (14)

1.一种降低金手指配合推力的方法，其特征在于，通过改变印刷电路板边沿的形状，使印刷电路板边沿不同时顶开连接器簧片。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述印刷电路板设置为包括至少一段凹陷状边沿或至少一段外凸状边沿或至少一段倾斜边沿。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述印刷电路板边沿设置为包括两段形状相同的凹陷状边沿或两段外凸状边沿或两段倾斜边沿，并将所述两段凹陷状边沿或两段外凸状边或两段倾斜边沿设置为关于印刷电路板的定位部对称。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述印刷电路板设置为包括至少两段边沿，并将所述印刷电路板边沿设置为呈阶梯状。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于部分金手指，去掉引脚末端部分；对于部分金手指，保留引脚末端部分。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，对印刷电路板边沿进行倒角。
7.一种降低金手指配合推力的方法，其特征在于，对印刷电路板边沿倒角，以使连接器簧片逐渐张开。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述倒角延伸至金手指焊盘上。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述倒角在金手指以外的边沿区域上延伸。
10.一种降低金手指配合推力的方法，其特征在于，对于部分金手指，去掉引脚末端部分或整个金手指；对于部分金手指，保留引脚末端部分。
11.一种降低金手指配合推力的印刷电路板，其特征在于，所述印刷电路板边沿上的金手指端部处在不同的插入位置，以在不同时刻顶开连接器簧片。
12.根据权利要求11所述的降低金手指配合推力的印刷电路板，其特征在于，所述印刷电路板具有异于定位部的至少一段内凹边沿或至少一段外凸边沿或至少一段倾斜边沿。
13.根据权利要求11或12所述的印刷电路板，其特征在于，所述边沿为倒角边沿。
14.根据权利要求11所述的印刷电路板，其特征在于，所述印刷电路板上的金手指焊盘包括去掉引脚末端部分的金手指或去掉整条金手指的区域。
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