DE60032954T2

DE60032954T2 - Hochgeschwindigkeitsstecker und Verbindung für Leiterplatte

Info

Publication number: DE60032954T2
Application number: DE60032954T
Authority: DE
Inventors: Richard J. Saint Paul Scherer; William R. Saint Paul Plummer; Wing C. Saint Paul Chow
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2000-05-05
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2020-11-10
Also published as: EP1553664A1; US6368120B1; AU2001216032A1; EP1553664B1; EP1279207A1; JP2003533845A; DE60019170T2; JP4825390B2; WO2001086757A1; ATE292330T1; DE60032954D1; DE60019170D1; EP1279207B1

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbindungen, die zwischen einer Mehrschichtleiterplatte und einem Hochgeschwindigkeitskoaxialkabel hergestellt werden. Insbesondere betrifft sie eine Leiterplatten-Steckverbinderkombination, um den Kontakt zwischen einer Leiterplatte und einem Koaxialkabel herzustellen. Die Erfindung gewährleistet die Kontrolle der Signalleitungsimpedanz, indem sie die Länge des Massewegs durch die Steckverbindung minimiert, wodurch die Integrität der die Steckverbindung durchlaufenden Hochgeschwindigkeitssignale erhalten bleibt.
Die Verbindung von integrierten Schaltungen mit anderen Leiterplatten, Kabeln oder anderen elektronischen Geräten ist dem Fachmann wohlbekannt. Solche Verbindungen waren typischerweise nicht schwer zu formen, vor allem, als die Schaltgeschwindigkeiten der Schaltungen (auch als Signalübergangszeit bezeichnet) im Vergleich zur Zeitdauer, die für ein Signal benötigt wird, um sich durch einen Leiter in der Verbindung oder auf der Leiterplatte auszubreiten, langsam waren. Da aber bei modernen integrierten Schaltungen und der betreffenden Computertechnologie die Schaltgeschwindigkeiten weiter zunehmen, sind auch das Design und die Fertigung von zufriedenstellenden Verbindungen schwieriger geworden.
Das heißt, es besteht eine zunehmender Bedarf, Leiterplatten und ihre zugehörigen Verbindungen mit streng kontrollierten elektrischen Eigenschaften auszulegen und zu fertigen, um eine zufriedenstellende Kontrolle über die Integrität des Signals zu erreichen. Das Ausmaß, in dem die elektrischen Eigenschaften (wie z.B. die Impedanz) kontrolliert werden müssen, hängt stark von der Schaltgeschwindigkeit der Schaltung ab. Das heißt, je schneller die Schaltgeschwindigkeit der Schaltung ist, um so wichtiger ist es, in der Ver bindung eine genau kontrollierte Impedanz vorzusehen.
Steckverbinder, die entwickelt wurden, um die für Hochgeschwindigkeitsschaltungen benötigte Impedanzkontrolle zu gewährleisten, sind im Stand der Technik reichlich vorhanden. Zum Beispiel offenbart die US-Patentschrift Nr. 6.024.587 eine Verbindungsvorrichtung für eine Hochgeschwindigkeitsschaltung, um zwischen Mehrschichtleiterplatten eine elektrische Verbindung herzustellen. Der Stand der Technik lehrt, dass ein optimales Leiterplattenverbindungsdesign die Länge des marginal kontrollierten signalleitungscharakteristischen Impedanz minimiert, indem es den physikalischen Abstand zwischen der Leiterplatte und dem Steckverbinder minimiert. Der Stand der Technik lehrt auch, dass Steckverbindungsdesigns, die relativ große Stift und Buchsen-Steckverbinder mit Mehrfachstiften umfassen, die für Strom- und Massekontakte bestimmt sind, für Hochgeschwindigkeitsleiterplatten nur eine gerade noch akzeptable Leistung bieten.
Leider sind aktuell verfügbare Hochgeschwindigkeitsverbindungslösungen typischerweise komplex, da sie extrem präzise Komponentendesigns erfordern, die selbst kleinen Fertigungsschwankungen gegenüber empfindlich sind und daher teuer und schwer herzustellen sind. Benötigt wird ein Leiterplattenverbindungssystem, das die für Hochgeschwindigkeitsschaltungen erforderliche Impedanzkontrolle gewährleistet, während es dennoch billig und leicht herzustellen ist.
GB-A-1558383 offenbart eine Verbinderbaugruppe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Baugruppe nach Anspruch 1.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Verbindungssystems.
2 ist eine Querschnittsansicht des Verbindungssystems.
3 ist eine stark vergrößerte perspektivische Ansicht des Koaxialkabelabschlusses, der im Verbindungssystem verwendet wird.
4a–4c sind Dämpfungsplots, die die verbesserte Leistung des erfindungsgemäßen Verbindungssystems über einen Bereich von Frequenzen hinweg zeigen.
5a–5c sind Graphen, die die verbesserte Impedanzkontrolle. des erfindungsgemäßen Verbindungssystems zeigen.
6 ist eine perspektivische Ansicht des Verbindungssystems in einer verbundenen Konfiguration.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung, die in 1 und 2 dargestellt ist, umfasst eine Leiterplatte 10, die mindestens eine Signalleiterbahn (nicht gezeigt) und mindestens eine Masseleiterbahn (nicht gezeigt) aufweist. Die Signalleiterbahn ist mit einem Signalkontakt-Pad 16 verbunden, während die Masseleiterbahn mit einem Massekontakt-Pad 18 verbunden ist. Eine Stiftleiste 20 weist eine Vielzahl von Kontaktstiften 22 auf, die von einem ersten Stiftende 22a, das an der Leiterplatte 10 befestigt ist, zu einem zweiten Stiftende 22b verlaufen. Auch wenn die Stiftleiste 20 hierin als eine oberflächenmontierte Stiftleiste gezeigt und beschrie ben wird, kann die Stiftleiste 20 auch eine Durchgangsloch-Stiftleiste oder eine Stiftleiste jedes anderen Typs sein, der dem Fachmann bekannt ist. Stiftleisten sind von verschiedenen Bezugsquellen allgemein verfügbar, einschließlich zum Beispiel Samtec in New Albany, IN, AMP in Harrisburg, PA, und Minnesota Mining and Manufacturing Company in St. Paul, MN.
Die allgemein verfügbaren Stiftleisten 20 weisen zwei Reihen 23a, 23b von Kontaktstiften 22 auf. Typischerweise ist eine Stiftreihe mit einer Masseplatte verbunden, während die zweite Stiftreihe mit den Signalleiterbahnen der Leiterplatte verbunden ist. Üblicherweise wird die erste Reihe 23a (die Reihe, die von der Leiterplatte 10 am weitesten entfernt liegt) mit einer Masseplatte verbunden, während die zweite Reihe 23b (die Reihe, die der Leiterplatte 10 am nächsten liegt) mit den Signalleiterbahnen der Leiterplatte 10 verbunden wird. Natürlich können verschieden Kombinationen von Stiften 22 in Reihen 23a und 23b auf mehrere Weisen mit der Leiterplatte 10 elektrisch verbunden werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erste Reihe 23a von Stiften 22 an der Leiterplatte 10 befestigt, nur um der Stiftleiste 20 zusätzliche mechanische Stabilität zu verleihen. Das heißt, die Stifte 22 in der Reihe 23a sind mit keinem Element auf der Leiterplatte 10 verbunden und könnten beseitigt werden. Alternativ dazu können die Stifte 22 der Reihe 23a in elektrischem Kontakt mit der Masseplatte der Leiterplatte 10 bleiben. Es ist anzumerken, dass die erste Reihe 23a die Reihe mit dem längsten ungeschirmten Stromweg durch die Verbindung ist, und aus diesem Grunde werden zur elektrischen Verbindung mit den Signalleiterbahnen auf der Leiterplatte 10 bevorzugt die Stifte 22 der ersten Reihe 23b verwendet. Es ist auch anzumerken, dass eine Stiftleiste, die nur eine einzelne Reihe von Stiften (zur Verbindung mit den Signalkontakt-Pads 16) verwendet werden könnte, wobei die Stiftleiste durch andere Mittel als eine zweite Reihe von Stiften 22 auf der Leiterplatte 10 stabilisiert würde, wie in den Zeichnungen gezeigt.
Die Kontaktstifte 22 in der zweiten Reihe 23b sind über Signalkontakt-Pads 16 mit der Leiterplatte 10 elektrisch verbunden. Das erste Ende 22a jedes Kontaktstifts 22 in der Reihe 23b ist mit einem der Signalkontakt-Pads 16 verbunden. Wie in 1 und 2 gezeigt, kann die Leiterplatte 10 eine Stiftleiste 20 auf beiden Seiten der Leiterplatte 10 umfassen, mit entsprechend angeordneten Signalkontakt-Pads 16 und Massekontakt-Pads 18.
Wie in den Zeichnungen gezeigt, umfasst die erfindungsgemäße Baugruppe auch einen Steckerträger 30, um die zweiten Enden 22b der Kontaktstifte 22 aufzunehmen und sie mit dem Koaxialkabel 31 zu verbinden. Der Steckerträger 30 umfasst eine Vielzahl von Koaxialkabelabschlüssen 32, die im Steckergehäuse 34 angeordnet sind. Eine vergrößerte Ansicht eines einzelnen Koaxialkabelabschlusses 32 wird in 3 gezeigt. Jeder von der Vielzahl von Koaxialabschlüssen 32 ist geeignet, zweite Enden 22b eines passenden Signalkontaktstifts 22 aufzunehmen.
Die Koaxialkabelabschlüsse 32 weisen ein konventionelles Design auf, mit der Ausnahme, dass jeder Koaxialkabelabschluss 32 benachbart zu seiner Vorderkante 38 einen Kontaktausleger 36 aufweist, um den elektrischen Kontakt mit dem Massekontakt-Pad 18 auf der Leiterplatte 10 herzustellen, wenn der Steckerträger 30 mit der Stiftleiste 20 verbunden ist. Auf diese Weise wird der Stromweg von der Leiterplatte 10 zum Koaxialkabel 31 so kurz wie möglich gemacht, wodurch die Leistung des Steckerträgers 30 gegenüber der, die bei einer oberflächenmontierten Stiftleiste 20 sonst zu erwarten wäre, drastisch verbessert wird.
Ein Steckerträger 30 ist für jede Stiftleiste 20 auf der Leiterplatte 10 vorgesehen, wobei ein Stecker auf jeder Seite der Leiterplatte 10 angeordnet ist. Die Verwendung des Steckerträgers 30 auf beiden Seiten der Leiterplatte 10 wird bevorzugt, um die mechanische Kontaktkraft zwischen der Leiterplatte 10 und den Koaxialkabelabschlüssen 32 auszugleichen, wodurch verhindert wird, dass die Leiterplatte 10 sich mit der Zeit verbiegt oder verzieht.
Die Leistungsverbesserung, die erreicht wird, indem das Massekontakt-Pad 18 benachbart zur Kante 42 der Leiterplatte 10 vorgesehen wird, ist drastisch, wie aus den in 4a–4c gezeigten Daten zu ersehen ist. 4a–4c plotten die Dämpfung oder den Verlust eines Sync-Wave-Signals, das das Verbindungssystem über einen Bereich von Frequenzen hinweg durchläuft. Das Testverfahren zum Erzeugen dieser Daten ist dem Fachmann wohlbekannt. Die Daten wurden unter Verwendung eines Tektronix CSA 803- Kommunikationssignalanalysators mit einem SD-24 TDR-Abtastkopf erzeugt.
4a veranschaulicht die Verbindungsleistung, wenn der Masseweg auf konventionelle Weise durch einen Kontaktstift 22 der Reihe 23a geführt wird. Es ist allgemein anerkannt, dass eine Dämpfung größer als –3db (was etwa V_out/V_in von 0,707 entspricht) nicht akzeptabel ist. Aus 4a ist leicht zu ersehen, dass das Verbindungssystem konventionellen Typs nur zu etwa 800 Megahertz eine zufriedenstellende Leistung ergibt. Es ist klar, dass diese niedrige Verbindungssystembandbreite ist für aktuelle Hochleistungssysteme nicht akzeptabel ist.
4b veranschaulicht die verbesserte Leistung des Verbindungssystems, wenn der Masseweg nur durch den Kontaktausleger 36 zum Kontakt-Pad 18 an der Kante 42 der Leiterplatte 10 geführt wird. Es ist zu ersehen, dass das Führen des Massewegs durch den Kontaktausleger 36 und den Massekontakt-Pad 18 in unmittelbarer Nachbarschaft der Kante 42 der Leiterplatte 10 eine verbesserte Systemleistung gewährleistet. Das erfindungegemäße Verbindungssystem, das hierin beschrieben wurde, ergibt bis etwa 4,3 Gigahertz eine zufriedenstellende Leistung. Dies stellt gegenüber dem konventionellen Verbindungssystem von 4a eindeutig eine drastische und unerwartete Verbesserung dar.
4c veranschaulicht die verbesserte Leistung des Verbindungssystems, wenn der Masseweg sowohl durch den Kontaktausleger 36 zum Kontakt-Pad 18 als auch durch den Kontaktstift 22 der ersten Reihe 23a geführt wird. Die Kombination des Masseanschlusses sowohl durch den Kontaktausleger 36 als auch durch den Kontaktstift 22 der ersten Reihe 23 gewährleistet sogar eine noch bessere Leistung als die alleinige Verwendung des Kontaktauslegers 36. Wie in 4c gezeigt, ergibt diese Kombination bis zu etwa 4,8 Gigahertz eine zufriedenstellende Leistung.
5a–5c zeigen Time Domain Reflectometer (TDR)-Plots für die Steckverbinder von 4a–4c. Die TDR-Plots veranschaulichen die Änderungen in der Impedanz, wenn ein Signal das Verbindungssystem durchläuft, mit Anstiegszeiten von 250 Picosekunden, 100 Picosekunden und 35 Picosekunden. Idealerweise weist ein TDR-Plot eines Systems eine konstante Impedanz auf. Beim Design eines Verbindungssystems liegt ein Ziel darin, die Änderungen in der Impedanz zu minimieren, wenn das Signal durch das Verbindungssystem läuft. Durch Minimieren der Änderungen in der Impedanz werden die Verzerrung und die Dämpfung des Signals reduziert, wodurch die Systemleistung verbessert wird. Dem Vergleich der TDR-Plots ist zu entnehmen, dass das erfindungsgemäße Verbindungssystem mit dem Kontaktausleger 36 und dem Massekontakt 18 (5b und 5c) eine viel größere Kontrolle über die Impedanz gewährleistet als das konventionelle System (5a), das den Masseweg über einen Kontaktstift führt. Das heißt, Verbindungssysteme mit dem Kontaktausleger 36 weisen ein viel glatteres Impedanzprofil und einen engeren Impedanzbereich durch das Verbindungssystem auf.
Ein separater Stromsteckverbinder 50 kann mit dem Signalsteckerträger 30 gekoppelt sein, wie in 1 gezeigt. Der Stromsteckverbinder 50 ist auf bekannte Weise mit einer Stiftleiste 52 verbunden.
Die Steckverbinder 30, 50, die auf den Gegenseiten der Leiterplatte 10 angeordnet sind, weisen Führungen 60 mit Einführungsmerkmalen 62 auf, um die Steckverbinder 30, 50 korrekt auf der Leiterplatte 10 anzuordnen. Die Steckverbinder 30, 50 werden in 6 mit Stiftleisten 20 auf der Leiterplatte 10 verbunden gezeigt. Die Steckverbinder 30, 50 sind bevorzugt elastisch aneinander befestigt, z.B. durch ein elastisches Band oder ein anderes Mittel (nicht gezeigt), das die Steckverbinder gegeneinander und gegen die Leiterplatte 10 spannt. Auf diese Weise ist es den Steckverbindern 30, 50 möglich, unabhängig auf der Leiterplatte 10 zu „schweben". Diese Fähigkeit, auf der Leiterplatte 10 zu schweben, erlaubt die Anpassung an Schwankungen in der Leiterplattendicke, die in der Industrie normal sind. Steckverbinder 30, 50 weisen auch Laschen oder Ösen 64 zur Aufnahme von Schrauben 66 auf, um die Steckverbinder 30, 50 an das elektronische Gerät (nicht gezeigt) zu befestigen, das die Leiterplatte trägt.
Demnach wurde ein wirtschaftliches System dargestellt, um eine Leiterplatte mit einem Hochgeschwindigkeitskoaxialkabel zu verbinden. Das Verbindungssystem verwendet allgemein verfügbare, billige Komponenten und gewährleistet in Hochgeschwindigkeitssystemen eine hervorragende Leitung. Auch wenn die Erfindung hierin Bezug nehmend auf ihre bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass Modifikationen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen.

Claims

Elektrische Verbinderbaugruppe zum Hochgeschwindigkeits-Übertragen elektrischer Signale zwischen einer Leiterplatte (10) und einem Koaxialkabel (31), wobei die Baugruppe folgendes umfasst: – die Leiterplatte mit einer Vielzahl von Signalleiterbahnen und mindestens einer Masseleiterbahn; – eine Signalstiftleiste (20) mit einer Vielzahl von Signalstiften (22), wobei ein erstes Ende (22a) jedes der Vielzahl von Signalstiften elektrisch mit der entsprechenden der Vielzahl von Signalleiterbahnen verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe weiterhin folgendes umfasst: – einen Verbinder mit einer Vielzahl von Koaxialkabelabschlüssen (32) zur Verbindung mit der Signalstiftleiste und zur Aufnahme eines zweiten Endes (22b) jedes der Vielzahl von Signalstiften, wobei sich von jedem der Vielzahl von Koaxialkabelabschlüssen ein Kontaktausleger (36) zur Herstellung einer direkten elektrischen Verbindung mit einem Kontakt-Pad (18) der mindestens einen Masseleiterbahn erstreckt, wobei die mindestens eine Masseleiterbahn und die Kontaktausleger der Vielzahl von Koaxialabschlüssen so positioniert sind, dass die Länge des zwischen der Masseleiterbahn auf der Leiterplatte und dem Koaxialabschluss gebildeten Signalrückweges minimiert wird.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Masseleiterbahn neben einem Rand der Leiterplatte positioniert ist.
Elektrische Verbinderbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Baugruppe bei Frequenzen von mehr als 1 Gigahertz einen Signalverlust von weniger als –3dB aufweist.
Elektrische Verbinderbaugruppe nach Anspruch 3, wobei die Baugruppe bei Frequenzen in einem Bereich von 1 bis 5 Gigahertz einen Signalverlust von weniger als –3dB aufweist.