DE19729162C2 - Verbinder zwischen einer Tochterplatine und einer Mutterplatine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Ge­ biet von elektrischen Verbindern und insbesondere auf einen elektrischen Verbinder zum Einrichten einer Si­ gnal- und Leistungsverbindung zwischen gedruckten Schal­ tungsplatinen.

Verbinder für gedruckte Schaltungsplatinen zum Koppeln von Tochterplatinen mit Rückwandplatinen/Mutterplatinen sind Stand der Technik. Der am weitesten verbreitete Stand der Technik betrifft die Verbindung von Tochterplatinen in einem rechten Winkel mit einer Mutterplatine, wodurch ein "Käfig" gebildet wird. Es ist jedoch ferner bekannt, die Tochterpla­ tinen derart zu verbinden, daß dieselben parallel zu der Mutterplatine angeordnet sind. Die Verbindung zwischen den Tochterplatinen und den Mutterplatinen soll im allgemeinen für eine Übertragung von Leistung, Masse und elektrischen Signalen zwischen der Tochterplatine und der Mutterplatine sorgen. Während die Bandbreite (d. h. die Geschwindigkeit der elektrischen Signale) und die Signaldichte zwischen den Tochterplatinen und der Mutterplatine und die tatsächliche Anzahl der Signalverbindungen zwischen den Tochterplatinen und der Mutterplatine zunimmt, wird typischerweise ein grö­ ßerer Wert auf eine Signalintegrität, reduzierte EMI-Emis­ sionen (EMI = electromagnetic interference = Störstrahlung), eine reduzierte Anfälligkeit gegenüber EMI, eine verbesserte Impedanzsteuerung für jeden Signalweg, ein verringertes Ne­ bensprechen zwischen den Signalwegen, eine reduzierte Rück­ laufweginduktivität und eine genauere Zeitanpassung zwischen den Signalwegen gelegt.

Demgemäß besteht ein Bedarf nach einer Verbindung, die eine Signalintegrität für schnelle elektrische Signale (d. h. für Signale mit großer Bandbreite) zwischen Tochterplatinen und Rückwandplatinen/Mutterplatinen bereitstellt, während die Signaldichte bestehender schneller Signalverbinder beibehal­ ten oder überschritten wird.

Die DE 195 02 408 A1 betrifft eine Leiterplatten-Anschluß­ einrichtung, mittels der eine sogenannte Leiterplatte mit einer sogenannten Rückwandleiterplatte verbunden werden kann. Die Leiterplatte ist in einem Randbereich, welcher sich in ein Rückwandmodul erstreckt, mit entsprechenden Kon­ taktstellen in der Form von Kontaktierungsflächen versehen. Das Kontaktiermedium, das z. B. durch Federkontakte oder durch in einer Kunststoffmatrix angeordnete Metallknäuel realisiert ist, wird eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen auf der Leiterplatte und entsprechenden Kontaktbereichen eines Trägers in dem Rückwandmodul herbei­ geführt. Die Rückwandmodule sind über ein Breitbandkabel verbunden.

Die WO 94/16478 beschreibt eine Anordnung, mittels der ein mehradriges Kabel über die Anordnung mit einer Ebene ver­ bunden sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine verbesserte Verbinderanordnung zu schaffen, die eine Signalanpassung zwischen Tochterplatinen und Mutterplatinen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Verbinderanordnung gemäß An­ spruch 1 gelöst.

Die vorhergehenden und weitere Aspekte der vorliegenden Er­ findung werden mit einer Anordnung erreicht, die aus zwei gedruckten Schaltungsplatinen (PCBs; PCB = printed circuit board = gedruckte Schaltungsplatine) besteht, die in einem Gehäuse aneinander befestigt sind, wobei jede PCB einen oder mehrere handelsübliche Platine-zu-Platine-Verbinder mit ho­ her Dichte und niedrigem Profil trägt, die eine gleiche An­ zahl von elektrischen Kontakten bereitstellen. Diese han­ delsüblichen Verbinder passen mit Verbindern zusammen, die permanent an der Tochterplatine und der Rückwandplatine/Mut­ terplatine angebracht sind. Das Gehäuse der Anordnung sorgt für eine teilpermanente Befestigung der Anordnung entweder an der Tochterplatine oder an der Rückwandplatine/Mutterpla­ tine. Das Gehäuse der Anordnung kann aus einem strukturell starken, elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein, das sich mit der Erdmasse in Kontakt befindet, um eine EMI- Abschirmung zu liefern. Eine elektrische Kontinuität zwi­ schen den PCBs in der Anordnung wird von Übertragungslei­ tungssignalverbindern, wie z. B. koaxialen, doppelaxialen Kabeln, Kabeln mit einem geschirmten verdrillten Adernpaar oder Kabeln mit einem ungeschirmten verdrillten Adernpaar mit einer spezifizierten elektrischen Impedanz und Laufzeit, geliefert. Jedes Ende jedes Kabels bedient ein Paar neben­ einander angeordneter Kontakte bei den Verbindern beider PCBs, derart, daß jeder Signalkontakt neben dem Abschir­ mungskontakt desselben Kabels und ausschließlich neben dem Abschirmungskontakt, der von anderen Kabeln bedient wird, und nicht neben den Signalkontakten angeordnet ist, die von anderen Kabeln bedient werden. Für jede Kabelabschirmung können mehrere Verbinderkontakte vorgesehen sein, um die Ab­ schirmungsinduktivität (Rücklaufweginduktivität) weiter zu verringern.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen rechtwinkligen schnellen Verbinder zum elek­ trischen und mechanischen Verbinden von zwei ge­ druckten Schaltungsplatinen, die zueinander senk­ recht angeordnet sind, gemäß einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 die Verbindung von Koaxialkabeln mit einer gedruck­ ten Schaltungsplatine; und

Fig. 3 einen schnellen Verbinder zum elektrischen und mechanischen Verbinden von zwei gedruckten Schal­ tungsplatinen, die parallel zueinander angeordnet sind, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Verbinderanordnung, die das bevorzugte Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung aufweist, soll eine Verbin­ dung zwischen zwei gedruckten Schaltungsplatinen einrichten, die bei einer in einem Computer oder einer ähnlichen elek­ tronischen Komponente verwendeten Rückwandplatinenanordnung verwendet werden. Der elektrische Verbinder, den das hierin dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist, ist ein schneller Verbinder mit hoher Dichte und angepaßter Impedanz, der zwischen benachbarten Signalen ein niedriges Nebensprechen aufweist. Die Abmessun­ gen der Komponenten dieses Verbinders können derart gewählt sein, daß eine beliebige Impedanzdiskontinuität, die an der Verbindung auftritt, vernachlässigbar ist.

Bezugnehmend nun auf Fig. 1 ist ein rechtwinkliger schneller Verbinder 32 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Eine oder mehrere Tochterplatinen 30 sind mittels des schnellen Verbinders 32 mit einer Mutterplatine 28 verbun­ den. Die Tochterplatinen sind typischerweise gedruckte Schaltungsplatinen, die aus Fiberglas hergestellt und mit anwendungsspezifischen elektronischen Komponenten und Halb­ leiterelementen bestückt sind, wobei die Tochterplatinen je­ doch auch aus einem beliebigen ähnlichen Material herge­ stellt sein können. Die Mutterplatinen sind typischerweise auch aus Fiberglas hergestellt und enthalten im allgemeinen die Leistungs- und Mikroverarbeitungseinrichtungen für das Computersystem oder die elektronische Komponente. Der schnelle Verbinder 32 weist eine erste gedruckte Schaltungs­ platine (PCB) 16 auf, die mittels Signalleiter 10 und 12 elektrisch mit einer zweiten gedruckten Schaltungsplatine (PCB) 14 verbunden ist.

Die gedruckten Schaltungsplatinen 14 und 16 können aus Fi­ berglas oder einem beliebigen bekannten ähnlichen Material hergestellt sein. Die Signalleiter 10 und 12 können beliebi­ ge herkömmliche Signalleiter mit gesteuerter Impedanz sein, wie z. B. doppelaxiale Kabel, Koaxialkabel, Kabel mit einem geschirmten verdrillten Adernpaar (die aus einer Abschirmung und zwei Signalleitern bestehen) oder Kabel mit einem unge­ schirmten verdrillten Adernpaar, die für die Anwendung ge­ eignet sind. Für einseitig geerdete (nicht-symmetrische) Si­ gnale werden Koaxialkabel als am geeignetsten erachtet. Kundenspezifische Anordnungen können unterschiedliche Signalleitertypen mi­ schen. Die Impedanz der Signalleiter 10 und 12 kann ausge­ wählt sein, um die Schaltungsimpedanz in den Schaltungspla­ tinen 28 und 30, welche die Verbinderanordnung 32 paarweise zusammen anordnet, anzupassen (typischerweise zwischen 25 und 100 Ohm oder noch typischer etwa 50 Ohm). Es können Um­ stände auftreten, bei denen die Impedanz zwischen der Ver­ binderanordnung 32 und einer oder mehrerer der Schaltungs­ platinen 28 und 30, die paarweise angeordnet sind, bewußt fehlangepaßt wird. Ferner sind kundenspezifische Anordnungen möglich, die Signalleiter verwenden, die mit verschiedenen Impedanzen auf den verschiedenen Signalwegen gewählt sind. Die Sache ist jedoch die, daß die Verbinderanordnung 32 der vorliegenden Erfindung eine Impedanzsteuerung für jeden Si­ gnalweg in dem Signalleiter ermöglicht, um spezifische Schaltungsanforderungen, wie z. B. zeitkritische Wege, usw., zu unterstützen. Andererseits erfordert die typische Rand­ verbinderanordnung gemäß dem Stand der Technik, daß alle Si­ gnalwege dieselbe Impedanz, jedoch verschiedene Ausbrei­ tungsverzögerungen (Laufzeiten) auf unterschiedlichen Si­ gnalwegen aufweisen.

Eine genaue Zeitanpassung der Signale wird erreicht, indem die Längen aller Signalwege in der Anordnung 32 (d. h. die Signalleiter 10 und 12, die PCB-Signalätz- und Verbinderan­ schlußstiftlängen) angepaßt und Signalleiter mit gesteuerter Impedanz verwendet werden, welche ferner eine vorbestimmte Signalausbreitungsgeschwindigkeit aufweisen. Die Längen der Signalleiter 10 und 12 würden normalerweise gewählt werden, um die Laufzeit durch den Verbinder über alle Signalwege an­ zugleichen. In Kenntnis der Eigengeschwindigkeit der Signal­ leiter 10 und 12 könnte man die Anordnung 32 in einigen Fäl­ len kundenspezifisch anordnen, indem verschiedene Längen für unterschiedliche Signalleiter in der Anordnung spezifiziert werden, um eine bekannte Variation im Zeitverhalten der Si­ gnalwege in den paarweise angeordneten Schaltungsplatinen 28 und 30 zu kompensieren.

Es sollte beachtet werden, daß lediglich zwei Signalleiter 10 und 12 gezeigt sind, um dadurch die Erörterung zu verein­ fachen. Typischerweise wird jedoch eine Mehrzahl von Signal­ leitern, die die Verbindung zwischen einer Mutterplatine und einer Tochterplatine aufweist, mit mehr als 16 Signalen pro cm Verbinderlänge vorhanden sein (wobei die Verwendung eines handelsüblichen Verbinders mit einer Anschlußstiftbeabstan­ dung von 1,27 mm mit einem Signal-zu-Massever­ hältnis von 1 : 1 16 oder mehr Signale pro cm Verbinderlänge ermöglicht). Die PCB 16 ist ferner mit einem handelsüblichen Verbinder 20 verbunden, der an dem handelsüblichen Verbinder 26 auf der Tochterplatine 30 zusammenpassend befestigt ist. Die PCB 14 ist mit einem handelsüblichen Verbinder 22 ver­ bunden, der an einem handelsüblichen Verbinder 24 auf der Mutterplatine 28 zusammenpassend befestigt ist.

Die handelsüblichen Verbinder 20, 22, 24 und 26 können be­ liebige bekannte handelsübliche Verbinder mit hoher Dichte und niedrigem Profil sein, welche die Signale nicht wesentlich beeinträchtigen. Die handelsüblichen Verbinder 20, 22, 24 und 26 sollten relativ kurze Signalweglängen auf­ weisen. Insbesondere verursachen Verbinder mit im Vergleich zu den Wellenlängen typischer Signale sehr kurzen Steckkon­ takten eine vernachlässigbare Signalverschlechterung.

Durch die Verbinderanordnung 32 wird ferner eine reduzierte Signalrücklaufweginduktivität geliefert. Daraus ergibt sich, daß ein niedrigeres Masseprellen über der Anordnung, das von dem Durchgang von Signalübergängen durch die Anordnung ver­ ursacht wird, auftritt als das, das von dem Durchgang von Signalen durch andere Verbindertypen verursacht wird. Exi­ stierende Verbinder ohne Impedanzsteuerung stellen im allge­ meinen eine große Impedanzdiskontinuität für die Signale dar, außer es ist eine große Anzahl von Anschlußstiften für die Referenzspannung (gewöhnlicherweise Masse) vorgesehen. Existierende Verbinder mit gesteuerter Impedanz erreichen dies, wobei dieselben jedoch eine niedrige Signaldichte auf­ weisen (d. h., dieselben tragen weniger Signale für ihre Größe).

Die schnelle Verbinderanordnung 32 wird in Vergleich zu an­ deren verfügbaren Verbindern wahrscheinlich keine reduzierte Leistungsrücklaufweginduktivität liefern und folglich nicht der beste Verbinder sein, um Leistung zu führen, es sei denn, daß die Impedanz bestimmt ist, um für eine gegebene Anwendung (beispielsweise, wenn der Leistungsstrom konstant oder nahezu ist) annehmbar zu sein.

Die PCBs 14 und 16 und die impedanzgesteuerten Signalleiter 10 und 12 sind von einem im folgenden als Anordnungsgehäuse bezeichneten Gehäuse 18 umgeben, wel­ ches aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie z. B. Aluminium, hergestellt und mit Erdmasse verbunden sein kann, um eine EMI-Abschirmung für die Signale bereitzustellen oder um die Kontinuität der EMI-Abschirmung zwischen der Mutter­ platine und der Tochterplatine zu verbinden und beizubehal­ ten. Das Anordnungsgehäuse 18 kann ferner ein starres Mate­ rial, wie z. B. Aluminium, sein, derart, daß Beine 34, 36, 38 und 40 eine strukturelle Unterstützung liefern können, die die Tochterplatine 30 bezüglich der Mutterplatine 28 in einer im wesentlichen senkrechten Position beibehält. Alumi­ nium wird als das geeignetste Material betrachtet, um daraus das Anordnungsgehäuse 18 herzustellen, wobei jedoch ein be­ liebiges elektrisch leitfähiges, strukturell robustes Mate­ rial verwendet werden kann, um das Anordnungsgehäuse 18 her­ zustellen. Ferner reduziert für den Fall von einseitig geer­ deten Signalen die Verwendung eines Koaxialkabels als die Signalleiter 10 und 12 und die Verwendung kurzer Anschluß­ stiftlängen bei den handelsüblichen Verbindern 20, 22, 24 und 26 die EMI und die Anfälligkeit gegenüber EMI. Für den Fall von symmetrischen Signalen ergibt sich keine wesentli­ che Verbesserung bezüglich der EMI oder der Anfälligkeit ge­ genüber EMI.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Verbindung von Koaxialkabeln 10 und 12 mit der PCB 14, die mit einem handelsüblichen Verbinder 22 verbunden ist. Insbesondere ist eine äußere Abschirmung 46 und 48 der Koaxialkabel 10 und 12 für eine Befestigung vorbereitet. Die Signalmittelleiter 42 und 44 der Koaxialkabel 10 und 12 sind an Signalkontaktan­ schlußflächen 50 und 52 der PCB gelötet oder auf eine andere Weise mit denselben verbunden, wobei die äußeren Abschir­ mungsbauglieder 46 und 48 über die Spitzen an Massekontakt­ anschlußflächen 54 und 56 der PCB gelötet oder auf eine an­ dere Weise mit denselben verbunden sind. Demgemäß ist jede Signalkontaktanschlußfläche 50 und 52 auf der PCB 14 neben der Abschirmungskontaktanschlußfläche desselben Kabels und ausschließlich neben den Abschirmungskontaktanschlußflächen der anderen Kabel und nicht neben den Signalkontaktanschluß­ flächen der anderen Kabel angeordnet. Beide Enden der Koaxi­ alkabel 10 und 12, etc. sind auf diese Art und Weise mit den PCBs 14 und 16 verbunden. Sowohl die Verbindung der äußeren Abschirmungsbauglieder zwischen den Signalbaugliedern als auch die Kürze der Verbindungsanschlußstifte bei den han­ delsüblichen Verbindern 20/26 und 22/24 sorgt für ein redu­ ziertes Nebensprechen zwischen den Signalwegen.

Es sollte angemerkt werden, daß die Signalleiter 42 und 44 nicht mittels der Abschirmung 46 und 48 an dem Verbindungs­ ort auf den PCBs 14 und 16 getrennt sein müssen. Für gewisse Anwendungen, die eine weniger strenge Nebensprechsteuerung erfordern, ist ein Verbinden der Signalleiter 42 und 44 ohne Trennung durch die Abschirmung 46 und 48 annehmbar, indem die Signalleiter 42 und 44 auf einer Seite der PCBs 14 und 16 befestigt sind, wobei es ferner akzeptabel sein kann, die Abschirmungsleiter 46 und 48 auf den gegenüberliegenden Sei­ ten der PCBs 14 und 16 zu befestigen, wodurch die Anordnung vereinfacht werden kann und die Kosten derselben reduziert werden können.

Es sollte ferner angemerkt werden, daß die Kontakte 50, 52, 54 und 56 auf den PCBs 14 und 16 elektrisch vernachlässigbar sind, falls dieselben ausreichend kurz (d. h. kleiner als 1/10 der Wellenlänge der zu übertragenden höchsten Signal­ frequenz) sind. Existierende rechtwinklige Verbinder mit ge­ steuerter Impedanz weisen relativ lange Kontakte auf. Die Kontakte 50, 52, 54 und 56 auf den PCBs 14 und 16 erfordern nicht notwendigerweise eine gesteuerte Impedanz, da die Kon­ takte 50, 52, 54 und 56 sehr kurz gehalten sind. Demgemäß befindet sich der größte Teil der Signalweglänge in dem Ka­ belmaterial (Koaxialkabel, Doppelaxialkabel, Kabel mit einem geschirmten verdrillten Adernpaar oder Kabel mit einem unge­ schirmten verdrillten Adernpaar), welches eine sehr hohe Bandbreite und eine minimale Nebensprechkopplung aufweist.

Fig. 3 zeigt eine schnelle Verbinderanordnung 60 zum paral­ lelen Verbinden einer Tochterplatine 30 mit einer Mutterpla­ tine 28. Alle gleichen Merkmale zwischen Fig. 1 und 3 sind mit denselben Bezugszeichen beschriftet. Es ist demgemäß zu erkennen, daß das Gehäuse 62 die gedruckten Schal­ tungsplatinen 28 und 30 strukturell parallel zu den Beinen 64, 66, 68 und 70 hält, die die Strukturunterstützung lie­ fern. Die schnelle Verbinderanordnung 60 ist in jeder weite­ ren Hinsicht mit der schnellen Verbinderanordnung 32 iden­ tisch.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel kann mehrere PCBs 14a, 14b, etc., die parallel zueinander in dem Gehäuse und senk­ recht zu der Schaltungsplatine 28 angebracht sind, und meh­ rere PCBs 16a, 16b, etc. aufweisen, die parallel zueinander in dem Gehäuse und senkrecht zu der Schaltungsplatine 30 an­ gebracht sind. Dieses Ausführungsbeispiel ist ohne weiteres aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich und kann ein besseres Aus­ führungsbeispiel sein, indem mehr Signale in einem Gehäuse und eine einfachere Anordnung möglich sind.

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist zum Zwecke der Darstellung und Beschreibung vorgelegt worden. Es sind weitere Modifikationen und Variationen be­ züglich der obigen Lehren möglich. Beispielsweise könn­ te es bei einigen Anwendungen vorteilhaft sein, eine perma­ nente Verbindung zwischen der Verbinderanordnung 32 und ei­ ner der zusammenpassenden Schaltungsplatinen 28 und 30 mit­ tels Lötmittel oder einer anderen bekannten Einrichtung zum permanenten Verbinden von gedruckten Schaltungsplatinen her­ zustellen.

Claims (10)

1. Verbinderanordnung (32, 60) zum elektrischen Verbinden einer Mutterplatine (28), die ein erstes Verbinderele­ ment (24) aufweist, mit einer Tochterplatine (30), die ein zweites Verbinderelement (26) aufweist, mit:

• - einem Gehäuse (18, 62);
• - einer ersten Schaltungsplatine (14) an einer Seite des Gehäuses (18, 62), an der ein drittes Verbinderelement (22) befestigt ist, das mit dem ersten Verbinderele­ ment (24) zusammenwirkt;
• - einer zweiten Schaltungsplatine (16) an einer weiteren Seite des Gehäuses (18, 62), an der ein viertes Ver­ binderelement (20) befestigt ist, das mit dem zweiten Verbinderelement (26) zusammenwirkt; und
• - zumindest zwei Signalleitern (10, 12) innerhalb des Gehäuses, deren Impedanz unabhängig voneinander ein­ stellbar ist und die die erste und die zweite Schal­ tungsplatine (14, 16) elektrisch miteinander ver­ binden.

2. Verbinderanordnung (32, 60) gemäß Anspruch 1, bei der das Gehäuse (18, 62) aus einem leitfähigen Material hergestellt ist.

3. Verbinderanordnung (32, 60) gemäß Anspruch 2, bei der das Gehäuse (18, 62) mit Erde verbunden ist.

4. Verbinderanordnung (32, 60) gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der das Gehäuse (18, 62) aus Aluminium hergestellt ist.

5. Verbinderanordnung (32, 60) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Gehäuse (18, 62) aus einem starren Material hergestellt ist, um eine strukturelle Unter­ stützung zu liefern, die die Tochterplatine (30) bezüg­ lich der Mutterplatine (28) in einer im wesentlichen vorbestimmten Position hält.

6. Verbinderanordnung (32, 60) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der Mutterplatine (28) und die Tochter­ platine (30) zueinander senkrecht sind.

7. Verbinderanordnung (32, 60) gemäß Anspruch 6, bei der die eine Seite des Gehäuses (18) und die weitere Seite des Gehäuses (18) zueinander senkrecht sind.

8. Verbinderanordnung (32, 60) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der zumindest ein Signalleiter (10, 12) eine Länge aufweist, derart, daß Signale, die zwischen der Mutterplatine (28) und der Tochterplatine (30) ver­ laufen, vorbestimmte Laufzeiten aufweisen.

9. Verbinderanordnung (32, 60) gemäß Anspruch 8, bei der zumindest ein Signalleiter (10, 12) ein Koaxialkabel ist.

10. Verbinderanordnung (32, 60) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der zumindest ein Signalleiter (10, 12) ein doppelaxiales Kabel, ein Kabel mit einem geschirmten verdrillten Adernpaar oder ein Kabel mit einem unge­ schirmten verdrillten Adernpaar ist.