專利名稱：用于電連接器的串擾減小的制作方法
技術領域：
通常，本發明涉及電連接器的場。特別地，本發明涉及輕量、低成本、高密度的電連接器，其即使在沒有接頭之間的屏蔽時，提供阻抗受控、高速、低干擾的通信，并且提供在現有的連接器中沒有的各種其他優點。
背景技術：
電連接器使用信號接頭提供電子設備之間的信號連接。通常，該信號接頭間隔如此接近，使得在相鄰信號接頭之間出現不希望的干擾或者“串擾”。如在此所用，當由于混合的電場導致一個信號接頭在相鄰的信號接頭中感應電干擾時出現串擾，從而破壞信號的完整性。隨著電子設備的小型化和高速度，高信號完整性的電通信變得更加普遍，該串擾的減小變為在連接器設計中的一個重要因素。
一種通常使用的用于減小串擾的技術是例如以金屬板的形式把分離的電屏蔽設置在信號接頭之間。該屏蔽用于通過阻止接頭電場的混合而阻斷信號接頭之間的串擾。圖1A和1B示出用于使用阻斷串擾的屏蔽的電連接器的示意接頭結構。
圖1A示出一種結構，其中信號接頭S和接地接頭G被設置為使得該差分信號對S+、S-被沿著列101-106放置。如圖所示，屏蔽112可以置于接頭列101-106之間。該列101-106可以包括信號接頭S+、S-以及接地接頭G之間的任何組合。該接地接頭用于阻斷相同列中差分信號對之間的串擾。該屏蔽112用于阻斷在相鄰列中在差分信號對之間的串擾。
圖1B示出一種結構，其中信號接頭S和接地接頭G被設置為使得差分信號對S+、S-被沿著行111-116放置。如圖所示，屏蔽122可以置于行111-116之間。一個行111-116可以信號接頭S+、S-和接地接頭G的任何組合來表示。該接地接頭G用于阻斷在相同行中的差分信號對之間的串擾。該屏蔽122用于阻斷在相鄰行中的差分信號對之間的串擾。
由于需要更小、更輕的通信設備，希望該連接器被制作得更小和更輕，并且提供相同的性能。屏蔽占用該連接器內的有效空間，否則可以用于提供附加的信號接頭，因此限制接頭密度(以及連接器尺寸)。另外，制造和插入這樣的屏蔽大大地增加與制造該連接器相關的整體成本。在一些應用中，已知屏蔽占據該連接器的成本的40％或更多。該屏蔽的另一個已知缺點是它們具有較低的阻抗。因此，為了使得在高接頭密度中的阻抗足夠高，需要使得該接頭如此小，以至于它們在許多應用中不夠堅固。
一般用于絕緣該接頭并且保持它們在該連接器中的位置的電介質還增加不希望出現的成本和重量。
因此，需要一種輕量、高速的電連接器(即，工作在超過1Gb/s并且一般工作在大約10Gb/s的范圍內)，這減小串擾的出現，而不需要分離屏蔽，并且提供在現有連接器中沒有的各種其他優點。
發明內容
本發明提供高速連接器(工作在1Gb/s以上，并且一般在大約10Gb/s的范圍內)，其中差分信號對和接地接頭被設置為限制相鄰差分信號對之間的串擾級別。這樣一個連接器可以包括沿著第一接頭列設置的第一差分信號對和沿著第二接頭列與第一信號對相鄰設置的第二差分信號對。該連接器可以并且最好在第一信號對和相鄰信號對之間沒有屏蔽。該接頭被設置為使得在第一信號對中的差分信號在形成該信號對的接頭之間的間隙中產生高場，并且在第二信號對附近產生低場。
這種連接器還包括用于減小插入損失并且沿著接頭長度基本上保持恒定阻抗的新接頭結構。使用空氣作為主要電介質來絕緣該接頭，導致適用于作為直角球柵陣列連接器的輕量連接器。
下面參照附圖通過本發明非限制性的示意實施例進一步詳細描述本發明，其中在附圖中相同的參考標號表示相同的部件，其中圖1A和1B示出用于使用屏蔽來阻止串擾的電連接器的示意接頭結構；圖2A為一種電連接器的示意圖，其中導電和絕緣元件通常被設置為“I”形的幾何結構；圖2B示出在信號接頭和接地接頭的分布中的等勢區；圖3A示出用于測量偏移對多作用串擾的影響的導體分布；圖3B為示出根據本發明一個方面在多作用串擾和相鄰列端子的偏移之間的關系的曲線圖；圖3C示出用于在最壞情況下確定串擾的接頭分布；圖4A-4C示出把信號對設置在列中的導體分布；圖5示出信號對被排列在行中的導體分布；圖6為示出根據本發明一個方面而設置的6列端子的陣列的示意圖；圖7為示出根據本發明另一個實施例設置的6個列的陣列的示意圖；
圖8為示出根據本發明的示意直角電連接器的透視圖；圖9為圖8的直角電連接器的側視圖；圖10為沿著線A-A截取的直角電連接器的一部分的側視圖；圖11為沿著線B-B截取的直角電連接器的一部分的側視圖；圖12為沿著線B-B截取的圖8的直角電連接器的導體的頂部切除視圖；圖13為沿著線A-A截取的圖8的直角電連接器的導一部分側面切除視圖；圖13A為沿著圖13的線C-C截取的截面視圖；圖14為根據本發明的直角電連接器的示意導體的透視圖；圖15為圖8的直角電連接器的另一個示意導體的透視圖；圖16A為具有示意直角電連接器的一個底板系統的透視圖；圖16B為具有具有直角電連接器的底板系統的另一個實施例的簡化視圖；圖16C為具有垂直連接器的板靠板系統的簡化視圖；圖17為圖16A中所示的導體的連接器插塞部分的透視圖；圖18為圖17的插塞連接器的側視圖；圖19為圖17的插塞連接器的引線組件的側視圖；圖19B示出在配合過程中圖19的引線組件；圖20為根據本發明一個實施例的兩列端子的側視圖；圖21為圖20的端子的正視圖；圖22為根據本發明另一個實施例的插座的透視圖；圖23為圖22的插座的側視圖；圖24為單列插座接頭的透視圖；圖25為根據本發明另一個實施例的連接器的透視圖；圖26為根據本發明另一個方面的直角端子的側視圖；圖27和28分別為沿著線A-A和線B-B截取的直角端子的正視圖；圖29示出在根據本發明另一個方面作為到電子設備上的通孔的電端子連接的端子的截面；
圖30為根據本發明的示出直角電連接器的透視圖；圖31為根據本發明的示出另一種直角電連接器的透視圖；圖32為容器連接器的替換實施例的透視圖；以及圖33為用于制造根據本發明的連接器的方法的流程圖。
具體實施例方式
僅僅為了方便起見，在下文的描述中使用特定術語，并且這不應當被認為是在任何方式對本發明的限制。例如，術語“頂”、“底”、“左”、“右”、“上”和“下”表示在圖中作為參考的方向。類似地，術語“向內”和“向外”分別表示向著或遠離參考物體的幾何中心的方向。該術語包括上文具體描述的詞語及其變型和類似含義的詞語。
用于電連接器理論模型的I形幾何結構圖2A為導電和絕緣元件一般設置為“I”形幾何結構的電連接器的示意圖。這樣的連接器體現在受讓人的“I梁”技術中，并且在名稱為“Low Cross And Impedance Controlled Electric Connector”的美國專利NO.5,741,144號中描述并要求保護，該專利的公開內容通過引用的方式被包含于此。已經發現由于使用這種幾何結構而獲得低串擾和受控阻抗。
該原來設想的I形傳輸線幾何結構可以被垂直插入兩個平行電介質和接地面元件之間。作為I形的傳輸線幾何結構的描述來自一般用數字10表示的在具有一個介電常數ε的兩個水平介電層12和14之間的信號導體以及對稱地置于該導體的上下邊緣的接地面13和15的垂直分布。該導體的側邊20和22向著具有空氣介電常數ε0的空氣24。在一個連接器應用中，該導體可以包括兩個部分26和28，其端到端或面到面地相鄰。該介電層12和14的厚度t1和t2首先控制傳輸線的特性阻抗，并且整體高度h與電介質寬度Wd的比率控制透過相鄰接頭的電磁場。最初的實驗導致這樣的結論，即，使得超過A和B的干擾最小化所需的比率h/Wd可以近似統一(如圖2A所示)。
在圖2A的線30、32、34、36和38為在空氣-電介質間隔中的電壓的等勢線。取接近于一個接地面的一條等勢線，隨后它向著邊界A和B方向向外延伸，可以看出邊界A或邊界B非常接近于地電勢。這意味著，在每個邊界A和邊界B處存在虛擬接地表面。因此，如果兩個或多個I形模塊被并排放置，則在該模塊之間存在虛擬接地表面，并且存在很少或沒有模塊的場的混合。通常，該導體寬度We和電介質厚度t1、t2與電介質寬度Wd或模塊間距(即，相鄰模塊之間的距離)相比應當較小。
給定對實際連接器設計的機械限制，實際發現信號導體(葉片/梁接頭)寬度和電介質厚度可能偏離優選的比率，并且在相鄰信號導體之間可能存在一些最小干擾。但是，使用上述I形幾何結構的設計傾向于比常規設計具有更小的串擾。
影響相鄰接頭之間的串擾的示例因素根據本發明，上述基本原理被進一步分析和擴展，并且用于通過確定信號接頭和接地接頭的適當分布和幾何結構，即使在該接頭之間沒有屏蔽時也可以確定如何進一步限制相鄰信號接頭之間的串擾。圖2B包括在根據本發明的信號接頭S和接地接頭G的接頭分布中在基于活躍列的差分信號對S+、S-附近的電壓等勢線圖。如圖所示，輪廓線42最接近于0電壓，輪廓線44接近于-1電壓，并且輪廓線46接近于+1電壓。我們已經觀察到盡管該電壓在最接近于活躍對(active pair)的“靜止”差分信號對處的電壓不一定接近于0，但是對靜止對的干擾接近于0。也就是說，作用在正向靜止差分對信號接頭上的電壓近似于與作用在負向靜止差分對信號接頭上的電壓相同。結果，作為正負向信號之間的電壓差的作用在靜止對上的噪聲接近于0。
因此，如圖2B所示，信號接頭S和接地接頭G可以相互相對地按比例縮小和設置，使得在第一差分信號對中的差分信號在形成該信號對的該接頭之間的間隙中產生高場H并且在相鄰信號對附近產生低場L(即，接近于地電勢)。結果，對于特定應用來說，在相鄰信號接頭之間的串擾可以被限制為可以接受的水平。在這樣的連接器中，即使在高速、高信號完整性應用中，在相鄰信號接頭之間的串擾水平可以被限制到不需要在相鄰接頭之間的屏蔽的程度。
通過上述I形模型的進一步分析，可以發現長與寬的單一比率不像最初看起來那樣重要。還可以發現多種因素可以影響相鄰信號接頭之間的串擾水平。多種這樣的因素在下文中詳細描述，但是還可能有其他因素。另外，盡管最好所有這些因素都被考慮，但是應當知道，每個因素可能單獨充分地限制對于特定的應用的串擾。在對特定連接器設計確定適當的接頭分布中可以考慮如下任何或所有如下因素a)當相鄰接頭是邊緣耦合型時(即，一個接頭的邊緣與一個相鄰接頭的邊緣相鄰)比相鄰接頭是寬邊耦合型(即，一個接頭的寬邊與一個相鄰接頭的寬邊相鄰)時出現更少的串擾。邊緣耦合得更緊，則耦合信號對的電場延伸向相鄰對的情況更少，并且連接器的應用更加不必近似于原始的I形理論模型的單一高寬比。邊緣耦合還允許相鄰連接器之間更小的間隙寬度，因此便于在高接頭密度連接器中實現所需阻抗電平，而不要求該接頭太小以至于不能適當地使用。例如，我們發現在該接頭是邊緣耦合型時，大約0.3-0.4mm的間隙適用于提供大約100Ω的阻抗；而當相同的接頭是寬邊耦合型時為了實現相同的阻抗，需要大約1mm的間隙。當該接頭貫穿電介質區、接頭區等等時，邊緣耦合還便于改變接頭寬度以及間隙寬度；b)我們發現通過改變“縱橫比”，即，列間距(即相鄰列之間的距離)與在給定列中的相鄰接頭之間的間隙，可以有效地減小串擾；c)相鄰列相互相對地“交錯”也可以減小串擾水平。也就是說，在第一列相對于在相鄰列中的相鄰信號接頭偏移時，可以有效地限制串擾。例如，偏移量可以是整個行間距(即，相鄰行之間的距離)、半個行間距或者對于特定連接器設計導致可接受的低串擾水平的任何其他距離。我們發現最佳偏移量取決于多種因素，例如列間距、行間距、端子的形狀以及在端子周圍的絕緣材料的介電常數(ε)。我們還發現最佳偏移量不一定是通常所認為的“在間距方面的偏移”。也就是說，最佳偏移可以是任何數值，并且不限于行間距的整分數比例(例如，整個或半個行間距)。
圖3A示出用于測量相鄰列之間的偏移量對串擾的影響的接頭分布。快速(例如，40ps)上升時間差分信號被應用于每個活躍對1和活躍對2。在相鄰列之間的偏移量d從0至5.0mm變化時，在沒有施加信號的靜止對處確定近端串擾Nxt1和Nxt2。當從一個活躍對中的載流接頭在該靜止對上感應噪聲時，出現近端串擾。
如圖3B的曲線圖中所示，在大約1.3mm和大約3.65mm的偏移量處多作用串擾(在圖3B中的暗線)的發生率被最小化。在該實驗中，多作用串擾被認為是來自每個活躍對1(在圖3B中的虛線)和活躍對2(在圖3B中的細線)的每一個的串擾的絕對值之和。因此，已經示出相鄰列可以相互相對地偏移，直到獲得相鄰對之間的最佳串擾水平(在本例中大約為1.3mm)。
d)通過添加外部接地，即把接地接頭置于相鄰接頭列的交替端，可以進一步減小近端串擾(“NEXT”)和遠端串擾(“FEXT”)；e)我們發現按比例縮小接頭(即，減小接頭的絕對尺寸并且保持它們的比例和幾何關系)用于增加接頭密度(即，每線性英寸的接頭數目)，而不對該連接器的電特性具有不良影響。
通過考慮任何或所有這些因素，可以設計該連接器，以便于即使在相鄰接頭之間沒有屏蔽時也可以進行高性能(即，低串擾)、高速度(例如，大于1Gb/s并且一般大約為10Gb/s)的通信。還應當知道這種能夠提供這樣的高速通信的連接器和技術還用于較低速度。在最壞的情況下，在40皮秒的上升時間以及每線性英寸63.5個配對信號對的密度，根據本發明的連接器具有小于大約3％的近端串擾和小于大約4％的遠端串擾。這樣的連接器可以在5GHz具有約小于0.7dB的插入損失，以及在40皮秒上升時間測量的大約100±8Ω的阻抗匹配。
圖3C示出在最壞情況下確定串擾的接頭分布。在一個“受害(victim)”對V處確定來自6個侵犯對(attacking pair)S1、S2、S3、S4、S5和S6的每一個的串擾。侵犯對S1、S2、S3、S4、S5和S6是8個與信號對V最接近的8個相鄰對中的6個。已經確定從侵犯對S7和S8在受害對V處的串擾的附加影響可以忽略。通過對來自每個對的峰值串擾的絕對值求和而確定來自6個最近的侵犯對的組合串擾，這假設在同一時間每個對處于最高電平。因此，應當知道這是最壞的情況，并且在實踐中，可以獲得好得多的結果。
根據本發明的接頭分布的例子圖4A示出具有基于列的差分信號對(即，差分信號對被排列為列)的根據本發明的連接器100。(如在此所用，“列”是指沿著接頭邊緣耦合的方向。“行”是與列垂直的方向)。如圖所示，每個列401-406按照從上到下的次序包括第一差分信號對、第一接地導體、第二差分信號對、以及第二接地導體。如圖所示，第一列401按照從上到下的次序包括具有信號導體S1+和S1-的第一差分信號對、第一接地接頭G、具有信號導體S7+和S7-的第二差分信號對、以及第二接地接頭G。每個行413和416包括多個接地接頭G。行411和412一同包括六個差分信號對，并且行514和515一同包括另外6個差分信號對。該接地導體的行413和416限制在行411-412中的信號對和在行414-415中的信號對之間的串擾。在圖4A中所示的實施例中，36個接頭排列為列可以提供12個差分信號對。因為該連接器沒有屏蔽，因此該接頭可以被制造為相對較大(與具有屏蔽的連接器中的接頭相比)。因此，需要較小的連接器空間來實現所需的阻抗。
圖4B和4C示出根據本發明的包括外部接地的連接器。如圖4B中所示，接地接頭G可以置于每個列的每一端。如圖4C所示，接地接頭G可以置于相鄰列的交替端。我們發現與其他方面相同但是沒有這樣的外部接地的接頭分布的連接器相比，把接地接頭G置于相鄰列的交替端導致NEXT減小35％，并且FEXT減小65％。我們還發現，通過把接地接頭置于每個接頭列的兩端可以實現基本上相同的效果，如圖4B中所示。結果，最好，為了(相對于外部接地置于每個列的兩端的連接器)增加接頭密度而不增加串擾水平，最好把外部接地置于相鄰列的交替端。
另外，如圖5中所示，差分信號對可以被設置為行。如圖5中所示，每個行511-516包括兩個接地導體和差分信號對的重復序列。第一行511按照從左到右的次序包括兩個接地導體G、差分信號對S1+、S1-和兩個接地導體G。該接地導體阻止相鄰信號對之間的串擾。在圖5中所示的實施例中，把36個接頭排列為行僅僅提供9個差分信號對。
通過把圖4A中所示的分布的與圖5中所示的分布相比較，可以理解差分信號對的列分布比行分布獲得更高的信號接頭密度。但是，對于排列為列的直角連接器，在差分信號對內的接頭具有不同長度，因此這樣的差分信號對可能具有對內傾斜。類似地，由于不同差分信號對的不同導體長度，把信號對設置為行或列可能導致對間傾斜。因此，應當知道，盡管把信號對排列為列獲得更高的接頭密度，但是可以對特定的應用選擇把信號對排列為列或行。
無論該信號對是否被排列為行或列，每個差分信號對在該差分信號對的正導體Sx+和負導體Sx-之間具有差分阻抗Z0。該差分阻抗被定義為在沿著該差分信號對的長度的特定點處，存在于相同差分信號對的兩個信號導體之間的阻抗。眾所周知，需要控制該差分阻抗Z0，以便于與連接該連接器的電子設備的阻抗相匹配。把該差分阻抗Z0與電子設備的阻抗相匹配使得可能限制整個系統帶寬的信號反射和/或系統諧振最小化。另外，希望控制差分阻抗Z0使得它沿著差分信號對的長度方向基本上為常量，即，使得每個差分信號對具有基本上一致的差分阻抗特性。
該差分阻抗特性可以通過設置信號導體和接地導體而控制。具體來說，通過把信號導體的邊緣接近于相鄰“地”并且相距在一個差分信號對內的信號導體的邊緣之間的間隙而確定差分阻抗。
如圖4A中所示，包括信號導體S6+和S6-的差分信號對被設置為與行413中的一個接地導體G相鄰。包括信號導體S12+和S12-的差分信號對被設置為與兩個接地導體G相鄰，該接地導體G中的一個在行413中，一個在行416中。常規的連接器包括與每個差分信號對相鄰的兩個接地導體，以使得阻抗匹配問題最小化。除去一個接地導體一般導致減小通信速度的阻抗失配。但是，通過減小該差分信號對導體與僅僅一個相鄰接地導體之間的間隙，可以補償一個相鄰接地導體的缺失。例如，如圖4A中所示，信號導體S6+和S6-可以被設置為相互相距距離d1，信號導體S12+和S12-可以被設置為相互相距不同距離d2。可以通過使得信號導體S6+和S6-的寬度比信號導體S12+和S12-的寬度更寬而控制該距離(在沿著列的方向測量導體寬度的情況下)。
對于單端信號傳輸，還可以通過設置該信號導體和接地導體而控制單端阻抗(Single ended impedance)。具體來說，通過信號導體和相鄰接地之間的間隔確定單端阻抗。單端阻抗被定義為在沿著單端信號導體的長度方向，存在于信號導體和“地”之間的阻抗。
為了保持用于高帶寬系統的差分阻抗控制，希望把接頭之間的間隙控制在千分之幾英寸。超過千分之幾英寸的間隙變化可能導致阻抗特性不可接受的變化；但是，可接受的變化取決于所需的速度、可接受的誤碼率以及其他設計因素。
圖6示出差分信號對和接地接頭的一個陣列，其中每列端子偏移每個相鄰列。從一個端子的邊緣到相鄰列中的相應端子的相同邊緣的偏移量。如圖6中所示，該列間距和間隙寬度的縱橫比是P/X。我們發現大約為5的縱橫比(即，2mm的列間距；0.4mm間隙寬度)適合于限制串擾，其中該列也是交錯的。當該列不是交錯時，需要大約8-10的縱橫比。
如上文所述，通過偏移該列，在任何特定端子中出現的多作用串擾的水平可以被限制為對于特定連接器應用來說可接受的水平。如圖6中所示，每個列沿著列的方向相對于相鄰列偏移距離d。具體來說，列601相對于列602偏移距離d，列602相對于列603偏移距離d，如此等等。由于每個列相對于相鄰列偏移，因此每個端子在相對于在相鄰列中的相鄰端子偏移。例如，在差分對DP3中的信號接頭680相對于在差分對DP4中的信號接頭681偏移距離d，如圖所示。
圖7示出差分對的另一個結構，其中端子的每個列相對于相鄰列偏移。例如，如圖所示，在列701中的差分對DP1相對于在列702中的差分對DP2偏移距離d。但是，在該實施例中，該端子的陣列不包括分離每個差分對的接地接頭。而是，在每個列中的差分對相互分離的距離大于在一個差分對中的一個端子相對于在相同差分對中的第二端子分離的距離。例如，當在每個差分對中的端子之間的距離為Y時，差分對分離的距離可以是Y+X，其中Y+X/Y＞＞1。我們發現這樣的間隔也可以用于減小串擾。
根據本發明的示意連接器系統圖8為根據本發明的直角電連接器的透視圖，其針對于一種高速電連接器，其中差分信號對的信號導體沿著該差分信號對的長度方向具有基本上恒定的差分阻抗。如圖8中所示，連接器800包括第一部分801和第二部分802。第一部分801被電連接到第一電子設備810，并且第二部分802被電連接到第二電子設備812。這樣的連接可以是SMT、PIP、焊錫球柵陣列、壓配合或者其他這樣的連接。一般來說，這樣的連接是在連接引腳之間具有常規連接間隔的常規連接；但是，這樣的連接可以具有在連接引腳之間的其他間隔。第一部分801和第二部分802可以電連接在一起，從而把第一電子設備810電連接到第二電子設備812。
如圖所示，第一部分801包括多個模塊805。每個模塊805包括一列導體830。如圖所示，第一部分801包括6個模塊805，并且每個模塊805包括6個導體830；但是，可以使用任何數目的模塊805。第二部分802包括多個模塊806。每個模塊806包括一列導體840。如圖所示，第二部分802包括6個模塊806，并且每個模塊806包括6個導體840；但是，可以使用任何數目的模塊806和導體840。
圖9為連接器800的側視圖。如圖9中所示，每個模塊805包括固定在框架850上的多個導體830。每個導體830包括從框架850延伸的用于連接到第一電子設備810的連接引腳832、從框架850延伸的用于連接到第二部分802的葉片836、以及把連接引腳832連接到葉片836的導體段834。
每個模塊806包括固定在框架852中的多個導體840。每個導體840包括接觸界面841和連接引腳842。每個接觸界面841從框架852延伸，用于連接到第一部分801的葉片836。每個導體840還電連接到從框架852延伸的用于電連接到第二電子設備812的連接引腳842。
每個模塊805包括用于與模塊805對齊的第一孔856和第二孔857。因此，多列導體830可以被對齊。每個模塊806包括用于與相鄰模塊806對齊的第一孔847和第二孔848。因此，可以對齊多列導體840。
連接器800的模塊805被示出為直角模塊。也就是說，一組第一連接引腳832被置于第一面(例如，與第一電子設備810共面)上，并且一組連接引腳842被置于與第一面垂直的第二面(例如，與第二電子設備812共面)上。為了把第一面連接到第二面，每個導體830總共轉90度(直角)，以把第一電子設備810和812連接在一起。
為了簡化導體放置，導體830可以具有一個矩形截面；但是，導體830可以具有任何形狀。在該實施例中，導體830具有較高的寬厚比，以便于制造。該特定寬厚比可以根據包括所需通信速度、連接端分布等等這樣的各種設計參數來選擇。
圖10為沿著線A-A截取的連接器800的兩個模塊的側視圖，并且圖11為沿著線B-B截取的連接器800的兩個模塊的頂視圖。如圖所示，每個葉片836被設置在接觸界面841的兩個單梁接頭849之間，從而提供第一部分801和第二部分802之間的電連接，并且在下文中更加詳細地描述。連接引腳832被置于模塊805的中央線的附近，使得連接引腳832可以配合到具有常規連接間隔的一個設備。連接引腳842被置于模塊806的中央線的附近，使得連接引腳842可以配合到具有常規連接間隔的設備。但是，如果這樣的連接間隔被該配合設備所支承，則連接引腳可以被設置為相對于模塊806的中央線偏移。另外，盡管在該圖中示出連接引腳，但是可以考慮使用其他連接技術，例如焊錫球等等。
現在轉到圖8的連接器800，以討論連接引腳和導體的分布，連接器800的第一部分801包括6列和6行導體830。導體830可以是信號導體S或接地導體G。一般來說，每個信號導體S被用作為差分信號對的正導體或負導體；但是，信號導體可以被用作為用于單端信號傳輸(single ended signaling)的導體。另外，這樣的導體830可以被設置為列或行。
除了導體布置之外，差分阻抗和插入損失還受到接近于導體的介電性質的影響。通常，希望使得具有非常低的介電常數的材料相鄰并且盡可能地與該導體相接觸。空氣是最理想的電介質，因為它使得連接器變輕，并且具有最好的介電性質。盡管框架850和框架852可以包括聚合物、塑料等等，以固定導體830和840，從而可以保持所需的間隙容限，所用的塑料的量被最小化。因此，導體的其他部分包括空氣電介質，并且導體830和840被置于空氣中，并且僅僅最低限度地在具有第二介電性質的第二材料(例如，聚合物)中。因此，為了提供基本上恒定的差分阻抗特性，在該第二材料中，差分信號對的導體之間的間隔可以變化。
如圖所示，該導體可以主要暴露于空氣中而不是被包在塑料中。使用空氣而不是塑料作為電介質具有多個優點。例如，使用空氣使得該連接器使用比常規連接器少得多的塑料來形成。因此，根據本發明的連接器可以比使用塑料作為電介質的常規連接器的重量更輕。空氣還使得接頭之間的間隙更小，從而用相對較大的接頭提供更好的阻抗和串擾控制，減小串擾，提供更少的介電損失，增加信號速度(即，更小的傳播延遲)。
通過使用空氣作為主要電介質，可以提供適合用作為球柵組件(“BGA”)直角連接器的輕量、低阻抗、低串擾的連接器。一般來說，一個直角連接器是“不穩的”，即在該配合區中重量不平衡。從而，該連接器傾向于在配合區的方向上“傾斜”。由于BGA的焊錫球，在熔化時僅僅可以支承特定的重量，現有的連接器一般不能夠包括附加質量來平衡該連接器。通過使用空氣而不是塑料作為電介質，可以減小該連接器的質量。從而，可以添加附加質量來平衡該連接器，而不導致該熔化的焊錫球脫離。
圖12當導體從被空氣包圍到被框架850所包圍時在行中的導體之間的間隔改變。如圖12中所示，在連接引腳832處導體S+和S-之間的距離為D1。距離D1可以被選擇為與在第一電子設備810上的常規連接器間隔相配合，或者可以被選擇為優化該差分阻抗特性。如圖所示，距離D1被選擇為與常規連接器相配合，并且被置于模塊805的中央線附近。當導體S+和S-從連接引腳832通過框架850時，導體S+和S-相互靠近，最后在空氣區860中到達距離D2。給定其他參數，例如接近于接地導體G，距離D2被選擇以給出在導體S+和S-之間的所需差分阻抗。所需差分阻抗Z0取決于該系統阻抗(例如，第一電子設備810)，并且可以是100Ω或者其他數值。一般來說，希望有大約5％的容限；但是對于一些應用來說可以接受10％的容限。在10％或更小的范圍內被認為是基本上恒定的差分阻抗。
如圖13中所示，導體S+和S-被設置為從空氣區860向著葉片836，并且在框架850內相互向外分離，使得葉片836在離開框架850之后分離距離D3。葉片836被接收在接觸界面841中，從而提供第一部分801和第二部分802之間的電連接。接觸界面841從空氣區860向著框架852方向相互向外分離，最終到達相距距離D4的連接引腳842。如圖所示，連接引腳842被設置為接近于框架852的中央線，以與常規連接器間隔相配合。
圖14為導體830的透視圖。如圖所示，在框架850內，導體830向內靠近或向外分離，以沿著導電路徑保持基本上恒定的差分阻抗特性。
圖15為包括兩個單梁接頭849的導體840的透視圖，在葉片836的每一側上各有一個梁接頭849。該設計可以提供減小的串擾性能，因為每個單梁接頭849進一步遠離其相鄰的接頭。并且，該設計可以提供增加的接頭可靠性，因為其具有“真正的”雙重接頭。該設計還可以減小用于接頭的定位以及接頭的形成的緊密度容限要求。
如圖所示，在框架852內，導體840向內靠近或向外分離，以保持基本上恒定的差分阻抗特性，并且與第二電子設備812上的連接器相配合。為了排列為列，導體830和840被分別沿著框架850、852的中央線放置。
圖13A為沿著圖13的線C-C截取的截面視圖。如圖13A中所示，葉片836被接收在接觸界面841中，使得梁接頭839與葉片836的各個側面相嚙合。最好，在該連接器的配合和分離過程中，該梁接頭839具有在足以保持該連接器的電特性的組合表面區域上提供葉片836和接觸界面841之間的接觸的尺寸和形狀。
如圖13A中所示，該接頭設計在該配合區中保持邊緣耦合縱橫比。也就是說，被選擇為限制在該連接器中的串擾的列間距與間隙寬度的縱橫比也存在于該接頭區中，從而限制該配合區中的串擾。并且，由于未配合的葉片接頭的截面近似于與配合接頭的組合截面相同，因此即使該連接器部分地未配合，也可以保持阻抗特性。這至少部分地因為該配合接頭的組合截面包括一個或兩個以上的金屬厚度(該葉片和接頭界面的厚度)，而不是在現有連接器中典型的三個厚度(例如，參見圖13B)。拔下如圖13B中所示的連接器導致截面的較大改變，因此，阻抗變化較大(如果該連接器是不正確或完全地配合，則造成顯著的電子性能下降)。由于當該連接器未配合時，該接頭截面不發生顯著改變，則當部分未配合時(即，相差1-2mm的未配合)與完全配合時相同，該連接器(如圖13A中所示)可以提供近似相同的電特性。
圖16A為根據本發明一個實施例的具有示意直角電連接器的底板系統的透視圖。如圖16A中所示，連接器900包括插塞902和插座1100。
插塞902包括殼體905和多個引線組件908。該殼體905被配置為包含和對齊多個引線組件908，以通過插座1100在電子設備910和電子設備912之間進行適用于信號通信的電連接。在本發明的一個實施例中，電子設備910是一個底板，并且電子設備912是一個子插件板。但是，電子設備910和912可以是任何電子設備，而不脫離本發明的范圍。
如圖所示，連接器902包括多個引線組件908。每個引線組件908包括將在下文中描述的一列端子或導體930。每個引線組件908包括任何數目的端子930。
圖16B為類似于圖16A的底板系統，只是連接器903是單個設備，而不是配合插塞和插座。該連接器903包括一個殼體和多個引線組件(為示出)。該殼體被配置為包含和對齊多個引線組件(為示出)，以在第一電子設備910和第二電子設備912之間形成適用于信號通信的電連接。
圖16C為類似于圖16A的板到板系統，只是插塞殼體905是一個垂直插塞連接器而不是一個直角插塞連接器。該實施例在兩個平行電子設備910和913之間進行電連接。根據本發明的一個垂直底板插座連接器例如可以被夾物模壓(insert molded)到一個板上。因此，可以保持間隔和性能。
圖17為示出沒有電子設備910和912以及插座連接器1100的插塞連接器的透視圖。如圖所示，縫隙907形成在其中包含和對齊引線組件908的殼體905中。圖17還示出連接引腳932、942。連接引腳942把連接器902連接到電子設備912。連接引腳932把連接器902通過插座1100電連接電子設備910。連接引腳932和942可以適用于提供到電子設備(為示出)的貫穿安裝或表面安裝連接。
在一個實施例中，該殼體905由塑料所制成，但是，可以使用任何適當的材料。到電子設備910和912的連接可以是表面或貫穿安裝連接。
圖18為如圖17中所示的插塞連接器902的側視圖。如圖所示，包含在每個引線組件908中的端子列相對于在相鄰引線組件中的另一個端子列偏移距離D。這樣的偏移在上文結合圖6和7更加完整地描述。
圖19為單個引線組件908的側視圖。如圖19中所示，引線組件908的一個實施例包括金屬引線框架940和夾物模壓塑料框架933。按照這種方式，該夾物模壓引線框架933用于包括一列端子或導體930。該端子可以包括差分對或接地接頭。按照這種方式，每個引線組件908包括一列差分對935A和935B以及接地接頭937。
如圖19中所示，包含在每個引線組件908中的差分對和接地接頭的列被設置為一個信號-信號＝地結構。按照這種方式，在引線組件908中的接頭列的頂部接頭為接地接頭937A。與接地接頭937A相鄰的是一個包括兩個信號接頭的一個差分對935A，一個具有正極性并且一個具有負極性。
如圖所示，該接地接頭937A和937B從夾物模壓引線框架933延伸更大的距離。如圖19B中所示，這樣一種結構，在信號接頭935與相應的插座接頭1102S相配合之前，允許接地接頭937與在插座1100中的相應的插座接頭1102G相配合。因此，在發生信號傳輸之前，被連接的設備(未在圖19B中示出)可以共地(common ground)。這提供該設備的“熱”連接。
連接器900的引線組件908被示出為一個直角模塊。為了說明，一組第一連接引腳932被被置于第一面上(例如，與第一電子設備910共面)，并且一組連接引腳942被置于與第一面相垂直的第二面上(例如，與第二電子設備912共面)。為了把第一面連接到第二面，每個導體930被形成為總共大約90度(直角)，以電連接電子設備910和912。
圖20和21分別為根據本發明的一個方面的兩個端子列的側視圖和正視圖。如圖20和21中所示，相鄰端子列相互相對交錯。換句話說，在相鄰引線組件中在端子之間存在偏移。具體如圖20和21中所示，在列1的端子和列2的端子之間存在距離d的偏移量。如圖所示，偏移量d在該端子的全長上保持。如上文所述，該偏移量通過進一步增加信號承載接頭之間的距離而減小串擾的出現。
為了簡化導體的放置，導體930具有如圖20中所示的矩形截面。但是，導體930可以是任何形狀。
圖22為在圖16A中所示的連接器的插座部分的透視圖。插座1100可以與連接器插塞902相配合(如圖16A中所示)并且用于連接兩個電子設備(為示出)。具體來說，連接引腳932(在圖17中所示)可以被插入到孔1142，以把連接器902電連接到插座1100。插座1100還包括對齊結構1120，以有助于對齊，并且把連接器900插入到插座1100。一旦插入時，結構1120還用于把插入的連接器固定到插座1100。從而這樣的結構1120避免可能在該連接器和插座之間出現的可能導致機械斷裂的任何運動。
插座1100包括多個插座引線組件1160，每個插座引線組件1160包含多個端子(僅僅示出其末端)。該端子提供連接器900和任何配合的電子設備(為示出)之間的電通路。
圖23為包括結構1120、殼體1150和插座引線組件1160的圖22的插座的側視圖。如圖所示，圖23還示出根據本發明該插座引線組件可以相互偏移。如上文所述，這樣的偏移減小上述多作用串擾的出現。
圖24為不包含在插座殼體1150中的單個插座接頭組件的透視圖。如圖所示，該組件1160包括多個雙梁導電端1175和由絕緣材料所制成的支架1168。在一個實施例中，該支架1168由包圍該接頭的塑料注模所制成；但是，可以使用任何適當的絕緣材料，而不脫離本發明的范圍，圖25為根據本發明另一個實施例的連接器的透視圖。如圖所示，連接器1310和插座1315被組合使用，以把例如電路板1305這樣的電子設備連接到電纜1325。具體來說，當連接器1310與插座1315相配合時，在電路板1305和電纜1325之間建立電連接。然后，電纜1325把信號發送到適用于接收這樣的信號的任何電子設備(為示出)。
在本發明的另一個實施例中，考慮偏移距離d可以在該連接器中的端子長度上變化。按照這種方式，該偏移距離可以沿著該端子的長度以及在該導體的任何端部變化。為了說明該實施例，現在參見圖26，其中示出單列直角端子的側視圖。如圖所示，在部分A中的端子的高度為高度H1，并且在部分B中的端子的截面的高度為高度H2。
圖27和28分別為沿著線A-A和線B-B截取的直角端子的列的正視圖。除了在圖26中所示的單列之外，圖27和28還示出包含在連接器殼體的相鄰引線組件內的相鄰端子列。
根據本發明，相鄰列的偏移量可以沿著該引線組件內的端子的長度變化。更加具體來說，在相鄰列之間的偏移量根據端子的相鄰部分而變化。按照這種方式，在端子的部分A和端子的部分B之間，在列之間的偏移距離方面不同。
如圖27和28中所示，在端子的部分A中沿著線A-A截取的端子截面高度為H1，并且在部分B中沿著線B-B截取的截面高度為高度H2。如圖27中所示，在端子的截面高度為H1時，在部分A中的端子偏移量為距離D1。
類似地，圖28示出在端子的部分B中端子的偏移量。如圖所示，在端子的部分B中端子之間的偏移距離為D2。最好，由于間隔或其他參數不同，該距離D2被選擇為使得串擾最小化，并且可以與偏移量D1不同。因此可以減小在端子之間出現的多作用串擾，從而增加信號完整性。
在本發明的另一個實施例中，為了進一步減小串擾，在相鄰端子列之間的偏移量與在配合的印刷電路板上的通孔之間的偏移量不同。一個通孔是在一個印刷電路板上的兩個或多個層之間的導電路徑。一般來說，通過在兩個或多個導體互連的適當的位置對該印刷電路板鉆孔而產生一個通孔。
為了說明這樣一個實施例，圖29示出當端子與在一個電子設備上的通孔配合時4列端子的截面的正視圖。這樣的電子設備可以類似于圖16A中所示的設備。通過連接引腳(為示出)，把該連接器(為示出)的端子1710插入到通孔1700。但是，該連接引腳可以類似于圖17中所示。
根據本發明的這一實施例，在相鄰端子列之間的偏移量與在配合的印刷電路板上的通孔之間的偏移量不同。具體來說，如圖29中所示，在相鄰列端子的偏移量之間的距離為D1，并且在電子設備中的通孔的偏移量之間的距離為D2。根據本發明，通過把兩個偏移距離改變為它們的最佳數值，減小本發明的連接器中出現的串擾，并且保持相應信號完整性。
圖30為一個直角電連接器1100的另一個實施例的透視圖。如圖30中所示，導體930被設置為從第一面連接到與第一面相垂直的第二面。即使導體930的寬度可以變化并且即使導體930的路徑可以連續，在相鄰導體930之間的距離D基本上為常量。該基本上恒定的間隙D沿著該導體的長度方向提供基本上恒定的差分阻抗。
圖31為直角電連接器1200的另一個實施例的透視圖。如圖12中所示，模塊1210被置于框架1220中，以提供相鄰模塊1210之間的適當間隔。
圖32為插座連接器1100’的另一個實施例的透視圖。如圖32所示，該連接器1100’包括框架1190，以提供在連接引腳1175’之間適當的間隔。框架1190包括固定導體1175’的凹陷。每個導體1175’包括單個接觸界面1191和連接引腳1192。每個接觸界面1191從框架1190延伸，用于連接到相應的插塞接頭，如上文所述。每個連接引腳1942從框架1190延伸，用于電連接到第二電子設備。插座連接器1190可以通過壓合處理而組裝。
為了在導體902上實現所需的間隙容限，連接器900可以通過如圖33中所示的方法來制造。如圖33中所示，在步驟1400中，導體930被置于模具坯料，在導體930之間具有預定間隙。在步驟1410中，聚合物被注入到該模具坯料，以形成連接器900的框架。導體930的相對位置由框架950所保持。由剩余應力所造成的隨后翹曲和扭曲可能對可變性具有影響，但是如果良好設計的話，所獲得的框架950應當具有足夠的穩定性，以保持所需的間隙容限。按照這種方式，在導體930之間的間隙可以被控制為具有千分之幾英寸的可變性。
最好，為了提供最佳性能，通過導體的載流路徑應當被制造為具有盡可能高的導電性。因為，該載流路徑在該接頭的外側部分，希望該接頭被鍍上高導電性材料的薄外層。這種高導電性材料的例子包括金、銅、銀、錫合金。
應當知道，上述示意實施例僅僅為了說明的目的而提供的，并且不被認為是對本發明的限制。在此所用的術語是描述性和說明性的術語，而不是限制性的術語。另外，盡管本發明已經在此參照特定結構、材料和/或實施例而描述，但是本發明不限于在此所公開的特定實施例。而是，本發明擴展到在所附權利要求的范圍內的所有功能等效的結構、方法和用途。本領域的普通技術人員在獲得該說明書中教導的優點之后，可以實現各種變型和改變，而不脫離本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種電連接器，其中包括連接器殼體；至少部分貫穿該連接器殼體并且具有第一長度的第一導體；以及至少部分貫穿該連接器殼體并且具有第二長度的第二導體，其中在第一和第二導體之間的阻抗沿著第一長度和第二長度上基本上為常量。
2.根據權利要求1所述的電連接器，其中該第一和第二導體是差分信號對的導體，并且該阻抗是差分阻抗。
3.根據權利要求1所述的電連接器，其中該第一導體是信號導體，該第二導體是接地導體，并且該阻抗是單端阻抗。
4.根據權利要求1所述的電連接器，其中該阻抗沿著第一和第二長度上的變化小于10％。
5.根據權利要求1所述的電連接器，其中該阻抗沿著第一和第二長度上的變化小于5％。
6.根據權利要求1所述的電連接器，其中該第一導體包括沿著第一導體的長度的第一邊緣，該第二導體包括沿著第二導體的長度的第二邊緣，以及在第一邊緣和第二邊緣之間的間隙基本上為常量。
7.根據權利要求6所述的電連接器，其中每個導體具有基本上矩形的截面。
8.根據權利要求7所述的電連接器，其中該矩形截面的寬度遠大于該矩形截面的厚度。
9.根據權利要求8所述的電連接器，其中該基本上為常量的間隙被置于該矩形截面的相鄰寬度面之間。
10.根據權利要求8所述的電連接器，其中該基本上為常量的間隙被置于該矩形截面的相鄰厚度面之間。
11.根據權利要求1所述的電連接器，其中該第一和第二導體是差分信號對的導體，并且進一步包括多個差分信號對的導體，每個差分對的導體沿著該對導體的長度方向在該對導體之間具有基本上為常量的阻抗；以及多個接地導體，每個接地導體被設置為與所述多個差分信號對之一相鄰。
12.根據權利要求11所述的電連接器，其中所述多個接地導體和所述多個差分信號對被排列成行。
13.根據權利要求11所述的電連接器，其中所述多個接地導體和所述多個差分信號對被排列成列。
14.根據權利要求13所述的電連接器，其中在與一個“地”相鄰的差分信號對中的導體之間的間隙小于與兩個“地”相鄰的差分信號對中的導體之間的間隙，從而增加所述多個差分信號對的差分阻抗的一致性。
15.根據權利要求1所述的電連接器，其中第一導體的第一部分被置于具有第一介電常數的第一材料中，并且該第一導體的第二部分被置于具有第二介電常數的第二材料中；第二導體的第一部分被置于第一材料中，并且該第二導體的第二部分被置于第二材料中；在第一材料中的第一導體和第二導體之間的間隙是第一距離并且在第二材料中的第一導體和第二導體之間的間隙是第二距離，使得該阻抗沿著該導體的長度方向基本上為常量。
16.根據權利要求15所述的電連接器，其中該第一材料包括空氣并且第二材料包括聚合物。
17.根據權利要求15所述的電連接器，其中該第一導體包括沿著第一導體的長度的第一邊緣，該第二導體包括沿著該導體的長度的第二邊緣，并且在第一邊緣和第二邊緣之間的間隙基本上為常量。
18.根據權利要求1所述的電連接器，其中第一和第二導體最終到達葉片。
19.根據權利要求1所述的電連接器，其中第一和第二導體最終到達兩個單梁接頭。
20.根據權利要求1所述的電連接器，其中第一和第二導體中的每一個在第一平面進入該連接器，并且在基本上與第一平面正交的第二平面處從該連接器退出。
全文摘要
在此公開一種輕量、低成本、高密度的電連接器，其即使在沒有接頭之間的屏蔽時，提供阻抗受控、高速、低干擾的通信，并且提供低插入損失。在該連接器中的信號接頭(S)和接地接頭(G)可以被按比例縮小并且相互相對設置，使得在第一差分對中的差分信號在形成該信號對的接頭之間的間隙中產生高場(H)并且在相鄰信號對附近產生低場(L)。
文檔編號H01R12/00GK101043111SQ20071010210
公開日2007年9月26日 申請日期2002年11月14日 優先權日2001年11月14日
發明者克利福德·L·文格斯, 約瑟夫·B·舒葉, 斯蒂芬·瑟庫, 斯蒂芬·B·史密斯, 蒂莫西·A·雷馬克, 格埋戈里·S·赫爾, 蒂莫西·W·霍特茲 申請人:Fci公司