回路基板があるところには、 コネクタがあります。彼らはほぼ80年間共存しており、それ以来長い道のりを歩んできました。信号と電源をボード外に持ち出すことの重要性は明らかですが、今日の業界では、過酷な環境、高性能アプリケーション、高リスク条件、超小型デバイスによって推進されるコネクタの機能が数多くあります。
この記事では、コネクタベースのソリューションにおける信頼性、速度、電力容量、密度の重要性をカバーするさまざまなアプリケーションについて詳しく説明し、その過程で設計者に役立つ可能性のある1つまたは2つのツールについても説明します。
PCBコネクタ の主な目的は次の3つです。
1. PCB相互接続: 2つのPCB間の固定（またはフレキシブル）接続
2. PCBケーブル接続: オフボード周辺機器用の束ねられた有線接続
3. PCBプログラミング/デバッグ接続: デバッグやプログラミングに使用されるコネクタ (またはテスト ポイントの配列)。通常は、 マイクロコントローラ や フィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA) などです。
3種類のPCB接続は、アプリケーションに応じて形状、適合性、機能が異なります。まず、PCBへのコネクタの取り付けには、表面実装とスルーホールの2つの主なバリエーションがあります。確かに、さまざまな表面実装方法がありますが、実質的には、コネクタはピンスルーホールまたはピンオンパッドのいずれかで実装できます。これにより、設計時に考慮すべき最初のトレードオフのいくつかが明らかになります。
設計時に考慮すべきトレードオフ
スルーホールを介してコネクタを取り付けると、いくつかの利点が得られますが、主な利点は通常、より強力な機械的接続です。これは、ピン/リードがPCBを貫通し、通常は最上層と最下層の両方にはんだ付けされるためです。これは、アプリケーションによっては、特に信頼性と安全性が重要な場合に、非常に重要になることがあります。 ユーザーがアクセス可能で、頻繁にサイクルが行われる場合、スルーホール接続の方が信頼性が確実に向上し、時間の経過とともにデバイスが損傷する可能性が低くなる可能性があります。スルーホール部品のもう1つの主な利点は、プロービングやプロービング後の再作業が簡単になり、プロトタイプ作成や修理が容易になることです。
一方、表面実装コネクタは、基板スペースを大幅に節約できます (コンポーネントが1つの層にのみはんだ付けされるため)。また、アプリケーションによっては、製造と組み立ての両方のコストを削減できる場合もあります。多くのコネクタには位置合わせポストがありますが、はんだ接続は必要ありません。また、表面実装コネクタは一般にピン数密度が高く、これによりより多くの信号をより小さな領域に詰め込むことができ、貴重な基板スペースを節約できます。視覚的な比較については 図 1 を参照してください。
図1: PCB上のスルーホール（左）と表面実装（右）接続
ボードスペースの節約と密度/体積の最適化は製品開発の一般的な動機であるため、多くの設計には、互いに固定的または柔軟に接続された複数のボードが含まれます。このアプローチは、ボードのスペースを節約するだけでなく、コストの大幅な削減も可能にします。たとえば、設計に10層以上を必要とする256ピン ボール グリッド アレイ (BGA) プロセッサ (PCBの製造コストが大幅に増加) が含まれている一方で、多数の周辺機器/コネクタ (必要なのは2層または4層のみ) とインターフェイスする場合、スペースとコストの両方を節約する一般的な方法は、それらを2つのPCBに分割することです。1つは10層以上の小型の組み込みPCB、もう1つは4層のみでほとんどの周辺コンポーネント (コネクタなど) を備えたセカンダリPCBです。高密度、多ピンのボード間接続を使用して、「MCU PCB」を「バックプレーンPCB」に取り付けるのが一般的です。
ディスプレイやボタンなどに多数のサテライトPCBが必要な場合は、柔軟な接続を使用できます。フレックス ケーブルは、よく呼ばれるように、LCDやモーターの接続によく使用され、通常、曲げ半径が狭い (コンパクトで薄型に保つのに役立ちます) ことや、組み立てに伴う物理的なストレスを軽減するのに役立ちます。フレックス接続は、コネクタに差し込むスタンドアロン ケーブルにすることも、PCBで直接製造することもできます。図2 は、多数の (取り外し可能な) フレックス ケーブル接続を含むカメラ レンズを示しており、 図3 は、統合されたフレックス ケーブルを備えた「リジッド フレックス」PCBの違いを示しています。設計やベンダーへの指定が難しい場合もありますが、リジッドフレックス技術を組み込むことで、製造コストを大幅に削減し、より信頼性が高く、よりぴったりフィットする設計が可能になります。ただし、リジッドフレックスの組み立ては、2つのPCBを物理的に分離できないため、より困難になる可能性があります。
図2: フレックスケーブル付きカメラレンズアセンブリ
図3: リジッドフレックスPCB技術
コネクタが適用されるアプリケーションを考慮する
ケーブル接続について話している間に、考慮すべき他の重要な項目のいくつかについて簡単に説明しましょう。1つのトピックは使いやすさであり、その完璧な例は標準USBポートです。長年にわたり、USBコネクタは、電流容量、信号密度、USB-Cによるリバーシブルで方向を問わない接続など、さまざまな点で改良されてきました。逆に、キーが付いていて一方向のみを許可する方向依存コネクタ (従来のUSB 2.0コネクタなど) は、ユーザーをガイドし、誤接続を防ぐのに役立ちます。ロックされた接続は通常、より優れた機械的サポートを提供し、プラグを回す (BNCコネクタ) かタブを圧迫する (RJ-45ネットワーク ケーブル) ことが必要になる場合があります。基本的に、コネクタを繰り返し使用する必要がある場合、使いやすさは間違いなくユーザーの要件の最優先事項になるはずです。
一部のアプリケーションでは、長距離にわたる高速で高感度な接続が必要であり、そのために光ファイバーが使用されます。光ファイバー接続には、シングルモード、マルチモード、プラスチック光ファイバー (POF) の3つの主なタイプがあります。マルチモード接続ではより高い帯域幅が可能になりますが、分散率と減衰率が高いため、一般的に長距離アプリケーションでは問題が発生するため、短距離のLANベースの接続に最適です。シングルモードは長距離に優れており、RFブロードバンド (地元のケーブル会社) などのアプリケーションに最適です。さらに、PCI (Peripheral Component Interconnect) などの接続を介したパラレル データ バスは、通常、USBなどのシリアル接続よりもはるかに高速です (ただし、USB-Cではパラレル接続も可能です)。アプリケーションの速度とパフォーマンスによって、これらの相互接続がどのように定義されるかが決まります。
航空宇宙や軍事などの一部のアプリケーションでは、過酷な動作条件が要件を左右する可能性があります。一部のコネクタには、電磁干渉 (EMI)、静電放電 (ESD)、振動、湿気などに対する特別な保護機能が備わっています。設計者にとって一般的な決定は、コネクタをシールドするかどうかです。シールド コネクタ (導電性金属で覆われ、EMIガスケットを含む場合があります) は、不要な放射線や局所的な磁場に対する追加の保護レベルを提供しますが、シールドされていない代替品と比較すると、通常はかさばったり、高価になったりします。シェルと対応するピンを備えたコネクタは、人間の接触やその他の局所的な過渡現象の発生源によって発生するESDに対処するために接地することができます。一部のコネクタには、衝撃を吸収する接点も含まれており、衝撃が厳しく信頼性の高いアプリケーションに役立ちます。最後に、外部の湿気に対する保護が必要な接続部には、シールが含まれている（またはシールが使用できる）ことがよくあります。図4 一般的に発生する接続におけるこれら4つのバリエーションすべてを示します。
図4: (L –R) シールド付きDC電源ジャック、シールド付き/接地付きRJ-45ジャック、耐振動ボード間コネクタ、防水USBコネクタ
高負荷アプリケーションの場合、最大電流または最大電圧定格のコネクタを選択すると、設計プロセスも促進される可能性があります。一部のコネクタには、データ接続と電源接続の両方をサポートする混合信号ピン配列が含まれています。通常、電源ピンは電流容量が大きく、少し太いため、電源とデータのコネクタ/ケーブルが別々になるのを防ぐのに役立ちます。
AC電圧アプリケーションによってコネクタの選択も決まり、各ピン間の最小のクリアランスまたは間隔が必要になります (最大電圧によって異なります)。これにより、システムとオペレーターの両方に悪影響を与える可能性があるアーク放電を防ぐことができます。コネクタには常に電力定格が記載されており、十分な余裕を持って設計しながらこれらの仕様に従うことが重要です。
最後に、コネクタを完全に設計から外し、露出した銅パッドをスプリング式インターフェースに使用するのが最善の（そして最もコストのかからない）解決策となる場合があります。より薄型のフットプリントを提供すると同時に、コンポーネントのコストを削減し、（PCBの配置の柔軟性に基づいて）プロービングを容易にすることができます。最も一般的なアプリケーションとしては、プログラミングまたはテスト インターフェイスがあります。組み込み設計にはデバッグ ポートやプログラミング ポートが含まれることがよくありますが、通常は使用されない (製造またはサービスにのみ必要な) のに、そこにコネクタを配置する理由は何でしょうか。タグコネクト（図参照）などのケーブル技術 図5) により、より薄型で低コストのソリューションが可能になります。多くの場合はテスト ポイントとしてのみ使用されますが、ポゴピン ベースの接続にもパッドの配列を使用することを検討してください。
図5: タグコネクトのポゴピンケーブル技術
PCB設計スイートが役立ちます
最近の多くのCADプログラムは、3D視覚化と機械ファイルのインポート/エクスポートのサポートを備えています。一例として、Solidworks Electrical (SWE) が挙げられます。従来は機械設計CADプログラムでしたが、Solidworks用の電気スイートが存在するため、概略的に定義されたPCBおよび関連する接続と簡単に統合できます。設計者の利点には、相互接続の定義、ケーブル仕様、配線図、さらには他のPCB設計プログラムで使用できるファイルの作成に役立つ電気設計ツールがあり、システムの相互接続を完全に視覚化しながらネットリストの作成に役立ちます。多くのPCB設計プログラムには3D視覚化機能が含まれていますが、一部のプログラムではファイルの互換性が確保されており、PCBの形状 (2Dファイル経由) を定義したり、コンポーネントのフットプリント (3Dファイル経由) をインポートしたりできるため、干渉のチェックやコネクタの位置の最適化に非常に役立ちます。
結論
PCB接続の設計はアプリケーションに完全に依存しており、通常はユーザー要件から始まり、設計要件を考慮し、特別な機能が必要かどうかを判断し始めます。忘れられがちですが、合理的な容易さとコストで製造および組み立てができるようにするために、製造要件も考慮する必要があります。
あらゆる形状とサイズのPCB設計スイートには、設計の反復のリスクを大幅に低減し、コネクタの配置を最適化するのに役立つ機械関連の機能が含まれています。
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