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走向小型化:连接器谜题

作者:Mike Deppe
全球产品开发与创新副总裁

小型化已成为工程师们在几乎一切类型的集成电子产品中不断追求的目标。汽车、移动设备、医疗器械、防御系统、消费类电子产品、家电……所有这些品类有一个共同点——要求随着市场需求的变化而缩小体量。

在竞争、消费者和行业偏好乃至市场需求的促使下,设计师们纷纷寻觅缩小电子装配组件、线束和外壳尺寸之道。与此同时,还需不断添加功能特性,以支持最新技术,这意味着兼顾所有是一个大难题。例如,消费者不希望移动设备变得越来越大。汽车制造商需要不断削减整车尺寸和重量,以提高传统内燃机汽车和卡车的行驶里程以及电动汽车 (EV) 的续航里程。可穿戴医疗器械变得更小更轻,力求提高患者的便利性。

电气连接器的使用在设计中起着惊人的重大作用——线对板、线对线、板对板、柔性扁平电缆 (FFC)、柔性印刷电路 (FPC)、输入/输出 (I/O)、电源和射频 (RF) 连接器都是电循环流的组成环节,连通整个设备中的电源和信号,并将所有单个部件绑定为一体,使其得以顺畅地相互作用。随着整体设计体量缩小,要么设备走向流线型,要么为其他关键组件腾出空间,连接器也须如此。这对设计师而言是一个真正的挑战。

应用驱动连接器小型化

移动设备预计会保持方便易用的尺寸,但随着技术的发展,对增量电子功能的需求也在增长。以 5G 为例。新增设的天线阵列意在支持 5G 的先进功能。同样,半导体也在纳入附加功能,并且增加了输入/输出需求。还需以更大的电池来满足电力需求或延长工作时间,这也给设计者带来了严峻挑战。

同样的难题也显现在汽车领域,电子设备(如数字化驾驶舱和传感功能)如此激增,以至于总线束成为了最沉重昂贵的部件之一。

医疗患者也想使用更小巧舒适的可穿戴设备。无论是在消费类电子产品还是医疗器械中,工业控制和物联网都增设了更多功能,成为独立的边缘设备,可以处理和存储数据,直至它们可以将数据传回云处理器。

在这些关键应用中,连接器时常成为机械尺寸的主要限制因素之一。间距尺寸(连接器内相邻两个触点的中心之间的距离)必须缩小,以适应更小的电路板和更大的插针密度,进而支持输入/输出扩增要求。

创新需求

缩小产品体量以适应用户和行业的需求是一大难题。然而,此外还有其他设计限制和要求。
连接器通常在设备内不执行单一任务,而是承载着 5G 或其他蜂窝和 Wi-Fi 通信等高频信号,以及其他形式的信号传递甚至电源。屏蔽变得复杂,插针之间需要壁隔,连接器也需加装外壳。

小尺寸插针和触点使得连接用材变少,进而对其所能承载的信号量甚至电源施加了更严格的限制。较小的几何形状会产生额外的热问题,较小的连接会产生更大阻抗,由此散发热量。组件布局的压缩特性和装配周边更小的物理空间也意味着,引导空气来冷却组件和连接器的空间变小了。
较小的连接器导致信号承载容量变小,恐将加重信号损失。选择适宜类型的连接器并将其安排在印刷电路板上的适当位置,会对外形尺寸乃至整体信噪比性能产生重大影响。

制造中的挑战

如果电气考量需要创造性思维,那么,制造业的工程设计也不例外。小型化连接器带来了多重障碍,制造商必须学会清除。连接器体量可能非常微小,造成人工组装困难——尤其是当连接器如一粒米一般大小时。这些微小连接器也更脆弱,一旦处理不当,很容易破损。无论是机器还是人工组装,这都会让组装变得更加复杂耗时。若工厂生产线上稍微用力偏大,不仅会损坏连接器,也会损坏整个装配单元,从而招致巨大的运营成本。工厂生产线工人往往每天要处理数千个连接器,这些挑战会呈指数级增长。

除了小型化连接器的脆弱特性外,制造商在设计时还面临其他多重考量因素。其中包括:了解如何修复损坏的连接器,调整设置正确的插配力,根据组件或设备的布局考虑所需的几何形状。所有这些制造挑战使得遴选正确的连接合作伙伴成为设计过程中必不可少的一步。

小型化连接器专家

挑战不仅在于制造带有如此微小的连接器的电子产品,也在于制造元件本身。许多设计师可能事后才会意识到连接器的问题。的确,在一方充斥着“酷帅”新设备魅力细节的天地中,连接器可能会被忽视——但它的重要性不容低估。

例如,Molex 莫仕开发出一整条微型连接器产品线,以支持电子应用体量不断缩小的需求。Molex 莫仕拥有丰富多样的线对板、刀形、排状、线对线、Milli-Grid、微 TPA、一件式线到板、板对板、FPC、FFC、板对 FPC、IEEE 1386、USB 和 HDMI 连接器,凭借现有产品范围和专长水平,可助力客户公司开发满足其连接器需求的独特解决方案。