JP2003533845A - 高速コネクタと回路基板との間の相互接続 - Google Patents

高速コネクタと回路基板との間の相互接続

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Abstract

(57)【要約】 電気コネクタ組立品が、信号トレースおよび少なくとも１つの接地トレースを有する印刷回路基板を含む。接地トレースは、印刷回路基板の縁に隣接して位置づけられた接地コンタクトパッドを含む。表面実装ピンヘッダーが、印刷回路基板の信号トレースに接続される。ピンヘッダーのコンタクトピンを受け入れるコネクタが、印刷回路基板の縁に隣接する接地トレースと接触するコンタクトビームを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の背景 本発明は、多層印刷回路基板と高速同軸コネクタとの間に構成される相互接続
に関する。より詳細には、それは印刷回路基板と同軸ケーブルとの間に接触を確
立する、印刷回路基板とコネクタの結合に関する。本発明は、コネクタを通して
の接地経路の長さを最小にすることによって、信号ラインインピーダンスを制御
し、それによってコネクタを通して伝わる高速信号の完全性を維持する。
【０００２】 集積回路の他の回路基板、ケーブル、または他の電子素子への相互接続は、技
術上公知である。通常、かかる相互接続は、特に、回路のスイッチング速度（信
号遷移時間とも称される）が、信号が相互接続におけるコネクタ、すなわち印刷
回路基板上のコネクタを通して伝わるのに必要な時間の長さに比べて遅かった場
合に、形成するのが困難ではなかった。しかし、回路のスイッチング速度は現代
の集積回路および関連コンピュータ技術と一致して増加し続けるので、満足な相
互接続の設計および製造がより困難になった。
【０００３】 具体的にいえば、綿密に制御される電気的特性を有する、印刷回路基板および
それらの付随相互接続を設計し、製造して、信号の健全性に対して満足な制御を
達成する必要性が増大している。（インピーダンスのような）電気的特性をどの
程度制御する必要があるのかは、回路のスイッチング速度にかなり依存する。す
なわち、回路のスイッチング速度が速くなるほど、正確に制御されるインピーダ
ンスを相互接続内に設ける重要性がますます大きくなる。
【０００４】 高速回路に対して必要なインピーダンス制御を与えるために開発されたコネク
タが、技術的に充実している。たとえば、米国特許第６，０２４，５８７号が、
多層印刷回路基板間に電気的接続を設ける高速回路相互接続装置を開示する。こ
の技術は、最適な印刷回路基板相互接続設計が印刷回路基板とコネクタとの間の
物理的間隔を最小にすることによって、辛うじて制御される信号ライン特性イン
ピーダンスの長さを最小にすることを教示している。この技術はまた、電力およ
び接地コンタクト専用の多重ピン付きの比較的大きなピンおよびソケットコネク
タを含むコネクタ設計が、高速印刷回路基板に対してほんの辛うじて受理できる
性能を与えることを教示している。
【０００５】 残念なことに、現在利用できる高速相互接続解決は概して複雑であって、小さ
い製造変動にさえも非常に敏感である、かつ結果として製造するのが高価で困難
である、非常に正確な構成要素設計を必要とする。必要とされるのは、製造する
のが安価で容易である一方で、高速集積回路に対して必要なインピーダンス制御
を与える印刷回路基板相互接続装置である。
【０００６】 発明の概要 本発明は、印刷回路基板および高速同軸コネクタを経済的な方法で接続する相
互接続装置を記載している。電気的コネクタ組立品が信号および接地のトレース
を有する印刷回路基板を含み、信号トレースは信号コンタクトパッドに接続され
、接地トレースは接地コンタクトパッドに接続される。接地コンタクトパッドは
印刷回路基板の縁に隣接して位置付けられる。ピンヘッダーが印刷回路基板の信
号コンタクトパッドに接続される。ピンヘッダーは表面実装またはスルーホール
ピンヘッダー、あるいは技術的に既知である他の適当なピンヘッダーであること
がある。ピンヘッダーのピンを受入れるコネクタが、印刷回路基板の縁に隣接す
る接地コンタクトパッドと接触するコンタクトビームを有する同軸ケーブル端子
を含む。このように、信号および接地の経路の長さが相互接続によって最小にさ
れ、それによって高速装置におけるコネクタの性能を改善する。
【０００７】 発明の詳細な説明 図１および２に示された本発明は、少なくとも１つの信号トレース（図示せず
）および少なくとも１つの接地トレース（図示せず）を有する印刷回路基板１０
を含む。接地トレースは接地コンタクトパッド１８に接続される一方で、信号ト
レースは信号コンタクトパッド１６に接続される。ピンヘッダー２０が、回路基
板１０に取り付けられた第１のピン端部２２ａから第２のピン端部２２ｂまで延
びる複数のコンタクトピン２２を含む。ピンヘッダー２０は表面実装ピンヘッダ
ーとしてここに示され、そして説明される。ピンヘッダー２０はまた、スルーホ
ールピンヘッダー、または技術的に既知である他の適当なタイプのピンヘッダー
であることがある。ピンヘッダーは、一般に、たとえば、インディアナ州ニュー
アルバニーのＳａｍｔｅｃ、ペンシルバニア州ハリスバーグのＡＭＰ、およびミ
ネソタ州セントポールのＭｉｎｎｅｓｏｔａ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｎｕ
ｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙなど様々な供給元から入手できる。
【０００８】 一般に入手できるピンヘッダー２０はコンタクトピン２２の２つの列２３ａ、
２３ｂを含む。通常、ピンの１つの列が接地面に接続され、一方ではピンの第２
の列が回路基板の信号トレースに接続される。最も一般には第１の列２３ａ（回
路基板１０から最も遠い列）は接地面に接続され、一方では第２の列２３ｂ（回
路基板１０に最も近い列）は回路基板１０の信号トレースに接続される。もちろ
ん、列２３ａおよび２３ｂにおけるピン２２の様々な結合が、いくつもの方法で
回路基板１０に接続される。
【０００９】 本発明の１つの実施形態において、機械的安定性をピンヘッダー２０に付加す
るためだけに、ピン２２の第１の列２３ａは回路基板１０に取り付けられる。す
なわち、列２３ａ中のピン２２は回路基板１０上のどんな素子にも電気的に接続
されず、無視し得る。もう一つの選択肢として、列２３ａ中のピン２２は回路基
板１０の接地面と電気的に接触しているままであることがある。第１の列２３ａ
は相互接続を通る最長の非シールド経路を有する列であり、したがって、第１の
列２３ｂのピン２２は回路基板１０上の信号トレースに電気的に接続されるため
に使用されることが好ましいことに留意する必要がある。（信号コンタクトパッ
ド１６に接続する）単一列のピンだけを有するピンヘッダーを使用することが可
能であり、ピンヘッダーは、図に示されたようなピン２２の第２の列以外の手段
によって、回路基板１０上に安定化されることもまた分かるだろう。
【００１０】 第２の列２３ｂ中のコンタクトピン２２は、信号コンタクトパッド１６を経由
して印刷回路基板１０に電気的に接続する。列２３ｂ中の各コンタクトピン２２
の第１の端部２２ａは、信号コンタクトパッド１６のうちの１つに接続される。
図１および２に示されたように、回路基板１０はピンヘッダー２０を回路基板１
０の両側に含むことがあり、信号パッド１６および接地コンタクトパッド１８も
同様に位置付けられる。
【００１１】 図で分かるように、発明組立品はまた、コンタクトピン２２の第２の端部２２
ｂを受け入れる、かつそれらを同軸ケーブル３１に接続するコネクタキャリア３
０を含む。コネクタキャリア３０は、コネクタハウジング３４内に位置づけられ
た複数の同軸ケーブル端子３２を含む。単一同軸ケーブル端子３２の拡大図が図
３に示される。複数の同軸ケーブル端子３２の各々が、嵌合する信号コンタクト
ピン２２の第２の端部２２ｂを受け入れるように適合される。
【００１２】 各同軸ケーブル端子３２は、コネクタキャリア３０がピンヘッダー２０と係合
する時に印刷回路基板１０上の接地コンタクトパッド１８に電気的に接続する、
その先端３８に隣接するコンタクトビーム３６を含むことを除いて、同軸ケーブ
ル端子３２は従来の設計である。このように、印刷回路基板１０から同軸ケーブ
ル３１への電気的経路ができるだけ短くされ、それによって表面実装ピンヘッダ
ー２０で以って別様に期待される、コネクタキャリア３０の性能を劇的に改善す
る。
【００１３】 コネクタキャリア３０が印刷回路基板１０上の各ピンヘッダー２０に対して設
けられ、１つのコネクタは印刷回路基板１０のどちらかの側に位置付けられる。
印刷回路基板１０のどちらかの側におけるコネクタキャリア３０の使用が、印刷
回路基板１０と同軸ケーブル端子３２との間の機械的接触力を平衡させることが
好ましく、それによって印刷回路基板１０が長い間に曲がったり、ゆがんだりす
るのを防止する。
【００１４】 接地コンタクトパッド１８を印刷回路基板１０の縁４２に隣接して設けること
によって得られた、改善された性能は、劇的であり、図４ａ〜４ｃに示されたデ
ータから分かる。図４ａ〜４ｃは、ある周波数範囲にわたって相互接続装置を通
って伝わる正弦波の減衰または損失を表わす。このデータを生成する試験方法は
技術上公知である。データは、ＳＤ−２４ ＴＤＲサンプリングヘッドを有する
Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＣＳＡ ８０３通信信号アナライザーを用いて生成された
。
【００１５】 図４ａは、接地経路が従来の方法で列２３ａのコンタクトピン２２を通してル
ーティングされる場合の相互接続性能を示す。−３ｄＢ（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎが０
．７０７にほぼ等しい）より大きい減衰が受理できないことが一般に認められて
いる。従来のタイプの相互接続装置は、約８００ＭＨｚまでにだけ満足する性能
を与えることが図４ａから容易に分かる。この小さい相互接続装置の帯域幅は現
在の高性能装置には明らかに受け入れられない。
【００１６】 図４ｂは、接地経路がコンタクトビーム３６を通してだけ印刷回路基板１０の
縁４２におけるコンタクトパッド１８へルーティングされる場合の相互接続装置
の改善された性能を示す。印刷回路基板１０の縁４２に直ぐ隣接するコンタクト
ビーム３６および接地コンタクトパッド１８を通して接地経路をルーティングす
ることが、装置性能を改善するということが分かる。ここに述べられた本発明の
相互接続装置は約４．３ＧＨｚまで満足する性能を与える。これは、図４ａの従
来の相互接続装置と比較して明らかに劇的であり、かつ予想されない改善である
。
【００１７】 図４ｃは、接地経路がコンタクトビーム３６を通してコンタクトパッド１８へ
、かつ第１の列２３ａのコンタクトピン２２を通して両方でルーティングされる
場合の相互接続装置の改善された性能を示す。コンタクトビーム３６および列２
３のコンタクトピン２２の両方を通して接地する組合せが、コンタクトビーム３
６だけを用いるよりもさらによい性能を与える。図４ｃに示されたように、この
組合せは約４．８ＧＨｚまで満足する性能を生ずる。
【００１８】 図５ａ〜５ｃは、図４ａ〜４ｅのコネクタに対するタイムドメイン反射率計（
ＴＤＲ）グラフを示す。ＴＤＲグラフは、信号が２５０ピコ秒、１００ピコ秒、
および３５ピコ秒の立ち上がり時間で相互接続装置を通して伝わる時のインピー
ダンスの変化を示す。理想的に、装置のＴＤＲグラフは一定のインピーダンスを
有するだろう。相互接続装置を設計する場合に、１つの目標は、信号が相互接続
装置を通して伝わる時のインピーダンスの変化を最小にすることである。インピ
ーダンスの変化を最小にすることによって、信号の歪みおよび減衰が小さくされ
、それによって装置性能を改善する。コンタクトビーム３６および接地コンタク
ト１８を用いる本発明の相互接続装置（図５ｂおよび５ｃ）が、接地をコンタク
トピンを通してルーティングする従来の装置（図５ａ）より非常にすばらしい、
インピーダンスに対する制御を与えることが、ＴＤＲグラフを比較することによ
って分かる。具体的にいえば、コンタクトビーム３６を利用する相互接続装置は
、相互接続装置を通して、かなりより滑らかなインピーダンスプロフィールおよ
びより狭いインピーダンス範囲を示す。
【００１９】 個別電力コネクタ５０が、図１に示されるように信号コネクタキャリア３０と
嵌合されることがある。電力コネクタ５０は、技術的に既知である方法でピンヘ
ッダー５２に接続する。
【００２０】 印刷回路基板１０の両側に位置づけられたコネクタ３０、５０は、コネクタ３
０、５０を印刷回路基板１０上に正しく定置するリードイン機構６２付きのガイ
ド６０を含む。コネクタ３０、５０は、図６に、回路基板１０上のピンヘッダー
２０に嵌合されて示される。コネクタ３０、５０は、コネクタを互いに対して、
かつ印刷回路基板１０に対して圧迫する、弾性帯または他の手段（図示せず）に
よってのように、互いに対して弾性的に固定されることが好ましい。このように
、コネクタ３０、５０は回路基板１０上で別々に「浮動する」ことが可能である
。回路基板１０上で浮動できることが、業界で平均的である回路基板厚さの変動
に対する適合を可能にする。コネクタ３０、５０はまた、コネクタ３０、５０を
印刷回路基板１０を保持する電子素子（図示せず）に取り付ける螺子６６を受け
入れる取付タブまたは耳６４を含む。
【００２１】 このように、高速同軸ケーブル相互接続装置に合った経済的な印刷回路基板が
論証された。この相互接続装置は、一般に入手できる低価格部品を使用し、高速
装置において優れた性能を与える。本発明はその好ましい実施形態を参照して本
明細書中で記載されてきたが、当業者は、本発明の範囲および精神から逸脱せず
に、変更が本発明に対して行なわれることがあることを認めるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の相互接続装置の斜視図である。
【図２】 相互接続装置の断面図である。
【図３】 相互接続装置で使用される同軸ケーブル端子の拡大斜視図である
。
【図４ａ】 本発明の相互接続装置の改善された周波数性能を示す減衰線図
である。
【図４ｂ】 本発明の相互接続装置の改善された周波数性能を示す減衰線図
である。
【図４ｃ】 本発明の相互接続装置の改善された性能をある周波数範囲にわ
たって示す減衰線図である。
【図５ａ】 本発明の相互接続装置の改善されたインピーダンス制御を示す
グラフである。
【図５ｂ】 本発明の相互接続装置の改善されたインピーダンス制御を示す
グラフである。
【図５ｃ】 本発明の相互接続装置の改善されたインピーダンス制御を示す
グラフである。
【図６】 係合された構成における相互接続装置の斜視図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ウィン・シー・チョウ アメリカ合衆国55133−3427ミネソタ州セ ント・ポール、ポスト・オフィス・ボック ス33427 Ｆターム(参考） 5E021 FA05 FA09 FB05 FB11 FC21 FC23 LA01 LA11 5E023 AA04 AA08 AA16 BB04 BB25 CC23 CC26 EE02 HH12 HH18

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高速電気信号を伝送する電気コネクタ組立品であって、 少なくとも１つの信号トレースおよび少なくとも１つの接地トレースを有する
    印刷回路基板であって、前記信号トレースは信号コンタクトパッドに接続され、
    前記接地トレースは接地コンタクトパッドに接続される印刷回路基板と、 少なくとも１つのコンタクトピンを有する第１のピンヘッダーであって、前記
    コンタクトピンの第１の端部が前記信号コンタクトパッドに接続される第１のピ
    ンヘッダーと、 前記少なくとも１つのコンタクトピンの第２の端部を受け入れる第１のコネク
    タであって、前記接地トレースと接触するコンタクトビームを有する第１のコネ
    クタと、を備える電気コネクタ組立品。
  2. 【請求項２】 前記接地コンタクトパッドが前記印刷回路基板の縁に隣接し
    て位置づけられた、請求項１に記載の電気コネクタ組立品。
  3. 【請求項３】 前記第１のコネクタが同軸ケーブル用の端子を含み、前記端
    子は前記コンタクトピンの前記第２の端部を受け入れ、前記コンタクトビームを
    支持するように適合された、請求項１に記載の電気コネクタ組立品。
  4. 【請求項４】 １ＧＨｚを超える周波数において−３ｄＢ未満の信号損失を
    有する、請求項１に記載の電気コネクタ組立品。
  5. 【請求項５】 １〜５ＧＨｚの範囲内の周波数において−３ｄＢ未満の信号
    損失を有する、請求項１に記載の電気コネクタ組立品。
  6. 【請求項６】 信号が２５０ピコ秒の立ち上がり時間を有する場合に、１０
    オーム未満のインピーダンスの変動を有する、請求項１に記載の電気コネクタ組
    立品。
  7. 【請求項７】 前記印刷回路基板が少なくとも１つの信号コンタクトパッド
    および少なくとも１つの接地コンタクトパッドを前記印刷回路基板の各側に含み
    、第２のピンヘッダーおよび第２のコネクタを前記印刷回路基板の各側にさらに
    備える、請求項１に記載の電気コネクタ組立品。
  8. 【請求項８】 前記第１および第２のコネクタが前記印刷回路基板上で別々
    に浮動する、請求項７に記載の電気コネクタ組立品。
  9. 【請求項９】 前記第１および第２のコネクタが互いに対して弾性的に固定
    される、請求項９に記載の電気コネクタ組立品。
  10. 【請求項１０】 前記ピンヘッダーが表面実装ピンヘッダーである、請求項
    １に記載の電気コネクタ組立品。
  11. 【請求項１１】 前記ピンヘッダーがスルーホールピンヘッダーである、請
    求項１に記載の電気コネクタ組立品。
  12. 【請求項１２】 高速電気信号を印刷回路基板と同軸ケーブルとの間で伝送
    する電気コネクタ組立品であって、 複数の信号トレースおよび少なくとも１つの接地トレースを有する印刷回路基
    板と、 複数の信号ピンを有するピンヘッダーであって、前記複数の信号ピンの各々の
    第１の端部が前記複数の信号トレースの対応する物に電気的に接続されるピンヘ
    ッダーと、 前記ピンヘッダーと嵌合し、前記複数の信号ピンの各々の第２の端部を受け入
    れるように適合された複数の同軸ケーブル端子を有するコネクタであって、前記
    複数の同軸ケーブル端子の各々が、前記少なくとも１つの接地トレースと電気的
    に接続するために、そこから延びるコンタクトビームを有し、前記少なくとも１
    つの接地トレース、および前記複数の同軸ケーブル端子の前記コンタクトビーム
    は、前記印刷回路基板上の前記接地トレースと前記同軸ケーブル端子との間に形
    成された信号リターンパスの長さを最小にするように位置づけられるコネクタと
    、を備える電気コネクタ組立品。
  13. 【請求項１３】 前記少なくとも１つの接地トレースが前記回路基板の縁に
    隣接して位置づけられた、請求項１２に記載の組立品。
  14. 【請求項１４】 １ＧＨｚを超える周波数において−３ｄＢ未満の信号損失
    を有する、請求項１２に記載の電気コネクタ組立品。
  15. 【請求項１５】 １〜５ＧＨｚの範囲内の周波数において−３ｄＢ未満の信
    号損失を有する、請求項１２に記載の電気コネクタ組立品。
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