差分信號電接插件的制作方法

專利名稱：差分信號電接插件的制作方法
技術領域：
本發明涉及電接插件，說得更具體一點，本發明涉及模塊化的電接插件，用來為處于母板和子板或別的電氣元件之間的差分信號提供信號通路。
背景技術：
特制的電接插件可用來連接電氣系統的不同元件。典型地，這樣的電接插件可把一系列子板之間的大量電信號連接至母板。母板和子板之間以直角連接。電接插件一般是模塊化的。例如，平面的、二維的金屬引線框架里包含了數條信號通路，每條信號通路皆在金屬引線框架平面里彎折成直角。這些信號通路被組裝在一個絕緣殼內，該絕緣殼亦包含平面的接地極板，藉以提供接地通路并在信號之間提供隔離。該模塊還可進一步與別的類似模塊一起組裝，從而形成了一個可以把電氣系統元件之間的大量信號連接在一起的接插件。
一般地，接插件連接至印制線路板，例如母板、子板或底板。印制線路板里的導線連至接插件的信號插腳，于是信號即可在接插件之間和整個電氣系統里沿導線傳送。接插件亦可用于其他環境里，例如，用于印制線路板的彼此連接，以及電纜到印制線路板的連接。
電子系統的功能普遍日趨復雜化。借助于相同空間里日益增加的電路數量，電路的工作頻率也不斷上升，系統處理更多的數據，并需要能夠在電氣上輸送這些電信號的電接插件。隨著信號頻率的升高，接插件產生電氣噪聲的可能性也更大了，電氣噪聲的形式例如有反射、串音和電磁輻射。因此，電接插件被設計成可控制不同信號通路之間的串音，并控制各信號通路的特征阻抗。為減小典型模塊里的信號反射，信號通路的特征阻抗通常取決于該通路的信號導體與相關接地導體的間距、以及信號導體的橫截面尺寸和位于這些信號與接地導體之間的絕緣材料的有效介電常數。
通過把各種信號通路安排成彼此間隔較遠并皆靠近屏蔽板(該屏蔽板通常是接地極板)，可以控制各個信號通路之間的串音。于是，不同信號通路更多地趨于與接地導體通路電磁地耦合，而它們彼此之間的耦合則較少。對于給定電平的串音，當保持足夠的與接地導體的電磁耦合時，信號通路可以彼此更靠近一些。
屏蔽的早期使用出現在富士通株式會社于1974年2月15日提交的日本特許公開49-6543。美國專利4,632,476和4,806,107(二者皆授予美國電話電報公司貝爾實驗室)揭示了一種接插件設計，其中在信號接點列之間使用了屏蔽。在這些專利所描述的接插件里，在整個子板和底板的接插件里屏蔽皆平行于信號接點。美國專利5,429,520、5,429,521、5,433,617和5,433,618(皆授予法馬通國際接插件公司)示出了類似的安排。
美國專利5,066,236和5,496,183(皆授予AMP公司)公開了另一種模塊化接插件系統，其所描述的電氣模塊所擁有的單列信號接點和信號通路被安排在平行于接地極板的單個平面里。與此相反的是做為參考而收入本申請的美國專利5,795,191，它描述的電氣模塊所擁有的電信號通路被安排在兩個各自與不同的接地極板耦合的平行平面里。
看來，上述電接插件主要是針對單端信號而設計的。單端信號在單條信號傳導通路上輸送，以相對于公共接地基準導體群的電壓做為信號。由于這個原因，單端信號通路對于出現在公共基準導體上的共模噪聲極其敏感。我們已經認識到這就嚴重地限制了單端信號在高頻信號通路數增長的系統里的使用。
此外，現有的高頻、高密度接插件常要求在所附著的印制導線板(PWB)上進行打孔的排列和尺寸，這些孔限制了穿過PWB上接插件附著電路板部分而走線的印制線路信號線的寬度和數量。
我們已經認識到在主要是印制線路底板上，特別希望能夠在各信號層上，沿各個方向在接插件附著電路板處的孔的特定排列、行或列之間走線。我們還認識到在高頻底板應用、尤其是長的通路里，較寬的線路布線能力有助于減少導體損耗。
我們還認識到通過為差分信號設計接插件，可以獲得對串音的更好控制。差分信號是由一對稱做“差分對”的導電通路所代表的信號。導電通路之間的電壓差代表信號。
差分對公知于電話線和某些印制線路板之類的應用中。一般地，差分對的兩條導電通路被安排得彼此靠近走行。若有任何電氣噪聲源以電磁方式耦合至差分對，則給差分對的各條導電通路皆帶來相同的影響。由于差分對的信號處理為兩條導電通路上的電壓差，故耦合至差分對的兩條導電通路上的共模噪聲電壓不影響信號。這就使得差分對較之單端信號號通路對串音不敏感。我們已經發明了很適于輸送差分對的電接插件。
其次，差分對的兩條導電通路最好是擁有對稱、平衡的電氣特征。由于目前接插件的信號通路長度不同(如圖2和圖3所示)，故各條通路的電氣延遲不等，這可由于感應畸變惡化差分信號的質量。差分接插件最好是擁有對稱的通路。
再次，差分接插件最好是擁有兼容于已有的模塊化接插元件的差分接插件模塊。接插件還最好是擁有支持多種寬度的信號線和可走線性更佳的線路板打孔排列。

發明內容
本發明的一個方面是電接插件模塊，用來在電氣元件之間傳輸多個差分信號。該模塊擁有多個帶有第一信號通路和第二信號通路的信號導體對。每條信號通路擁有處于該信號通路末端的接觸部分，以及延伸在接觸部分之間的過渡段。對于每一對信號導體來說，過渡段間的第一間距小于該信號導體對與多個信號導體中任何別的信號導體之間的第二間距。
本發明的另一方面是電接插件模塊，用來在電氣元件之間傳導差分信號，該接插件模塊擁有終止于同一邊緣的一組對邊。該模塊含有優化了的耦接差分信號的信號導體對。該導體被置于模塊里。每個導體都有沿模塊邊緣橫向間隔開的接觸部分。導體對的表面部分以實質上重疊的關系沿通過模塊的邊的方向從接觸部分穿越模塊。
本發明的各實施例皆具有下列一條或數條優點。各差分信號通路的阻抗得到匹配。差分信號導體對的各信號通路皆有相等的電氣長度。差分信號通路對可彼此間隔得較近。各差分信號導體對與別的導體對的間距減小了接插件里的串音。差分信號導體對可耦合至接地極板，從而允許別的差分信號導體對靠近信號通路放置，而又不感應串音。屏蔽板的一部分可在各對差分信號導體之間延伸。降低了各對差分信號導體內的噪聲。信號線的走線是高效的。接地接觸部分可在信號導體的接觸部分之間延伸并允許信號線按直的路徑穿越走線槽路。走線槽路可以又寬又直。


圖1是根據本發明的系統透視圖，其中，在母板和子板之間組裝了一組模塊化的接插件；圖2是現有技術的信號通路金屬引線框架的原理圖，該框架可用來組裝模塊化電接插件，其中，信號通路的間距相等，并且未被安排為差分對；圖3是信號通路金屬引線框架的原理圖，該框架用來構建模塊化接插件，其中，信號通路被安排為單一平面里的差分信號導體對；圖4是信號通路金屬引線框架的另一種實施例的原理圖，該框架用來構建模塊化接插件，其中，信號通路被安排為單一平面里的差分信號導體對；圖5是接地極板的透視圖，該接地極板可與圖4所示的信號通路金屬引線框架兼容使用，其中，接地極板的接觸部分可在信號通路金屬引線框架的接觸部分之間延伸；圖5A是含有圖5所示的接地極板的插腳頭的透視圖；圖6是根據現有技術的信號通路安排的透視圖，其中，信號通路被安排在兩個平行平面里，一個平面里的各條信號通路與第一接地極板(未示出)感性耦合，而另一個平面里的各條信號通路則與第二接地極板(未示出)耦合；圖7是被安排為差分信號導體對的信號通路的另一種實施例的透視圖，其中，信號通路被安排在兩個平行的平面里；圖8是被安排為差分信號導體對的信號通路的又一種實施例的前視圖，其中，信號通路被安排在兩個平行的平面里；圖9是圖8所示的信號通路的側視圖；圖10是帶有對稱電氣特性的接插件模塊的原理圖；圖11A是描繪現有技術線路板信號激勵的簡圖；和圖11B是描繪改進型線路板信號激勵的簡圖。
具體實施例方式
參考圖1，電氣系統10包括模塊化接插件12，它把底板14連接至子板16。接插件12包括多個接插件模塊18，能夠連接一組電信號，無論是差分信號、非差分信號，還是兩種類型的信號兼而有之。
例如，若按下述來組裝，則電接插件模塊18可傳導一對差分在系統10的電氣元件(例如母板14和子板16)之間傳導一對差分的電信號。每個接插件模塊18皆擁有一組平行的對邊20，22。邊20，22各沿接插件模塊18的邊緣24終止。(如圖所示，邊緣24是平表面。不過，亦可使用別的結構)。一組連接插腳28從邊緣24伸出。屏蔽(未示出)可置于模塊18之間。
需注意到，在優選的實施例里，各模塊18的開口19間距相等。同樣，接點末稍28亦是間距相等。
參考圖2，金屬引線框架50限定了八個非差分信號通路52a～52h，用于接插件模塊18。在組裝電接插件模塊18之前及組裝過程當中，由一片薄金屬平板印制出金屬引線框架50，藉以包括支撐信號通路52a～52h的載體條56。當信號通路52a～52h與電氣接插模塊18完全整合后，支撐段56即與信號通路52a～52h斷開連接，而各信號通路52a～52h亦與別的信號通路52a～52h斷開連接。在1997年2月7日提交的題為“高速度、高密度的電接插件”的美國專利申請08/797,540里，公開了一種包含金屬引線框架50的電接插件。該授予泰拉丁公司的08/797,540號申請將做為參考而收入本申請。
參考圖3，類似的金屬框架100限定了八個非差分信號通路102a～102h，用于接插件模塊18。不過，通路102a～102h被分成四組差分信號導體104a～104d。在組裝電接插件模塊18之前及組裝過程當中，以一片支撐信號通路102a～102h的薄金屬平板印制出金屬引線框架100。當信號通路102a～102h與電氣接插模塊18完全整合后，支撐段106即與信號通路102a～102h斷開連接，而各信號通路102a～102h亦與電接插件模塊18里別的信號通路102a～102h斷開連接。
每條信號通路102a～102h各包括一對接觸部分112，114，以及接觸部分之間的過渡段116。接觸部分112，114是接觸插腳，可把模塊18連接至系統10的電氣元件。接觸部分112被示成兩個平行部件。如現有技術，這些部分可被折疊以形成框形接點。框形接點充當來自底板的插腳21的插座。不過，還公知有多種形狀的可分離接觸區域，這并非發明的關鍵。
在本實施例里，信號通路102a～102h的接觸部分112沿著金屬引線框架100橫向地且等距離地隔開。在優選的實施例里，間距是0.030時。一般情況下，當安裝到系統10上成為其一部分時，間距在豎直方向。兩個接觸部分112，114皆從模塊18的支架32伸出。模塊18的外部結構與別的并非專為傳導差分信號而設計的模塊是一模一樣的。因此，模塊18可與別的模塊互換，而接插件12可用不同類型的模塊來構形，這些模塊允許接插件既能傳導差分信號，亦能傳導非差分信號。
各信號通路102a～102h的過渡段116都對齊同一個平面120，一般是豎直的平面。因此，導體對104a～104d里過渡段116的表面部分118實質上重疊在豎直平面里。
在差分對104a～104d里，每個信號通路102a～102h各與另一條信號通路102a～102h耦合。例如信號通路102a，102b形成差分信號導體對104a；信號通路102e，102f形成差分信號導體對104c；信號通路102g，102h形成差分信號導體對104d。各差分信號導體對104a～104d的各信號通路102a～102h皆與相應導體對104a～104d的信號通路102a～102h耦合。這種耦合能奏效，是因為差分信號導體對104a～104d的間距108與相鄰的差分信號導體對104a～104d的間距相比，要小得多。信號導體對104a～104d的過渡段116被盡量地安排得近一些，同時亦要保持差分阻抗。各導體對104a～104d的過渡段116之一擁有曲線段122，124，它們朝向導體對104a～104d的別的過渡段116彎曲。在曲線段122，124之間，導體對104a～104d一齊沿著大部分過渡段116的軌跡走行。
曲線段122，124減小了各導體對104a～104d的過渡段116的間距108，增加了相鄰導體對104a～104d的間距110，由此使導體對104a～104d的各過渡段116趨于一樣長。這種配置改進了差分信號的信號的整體性，并降低了差分對104a～104d之間的串音、減小了信號崎變。
別的實施例亦在發明范圍內。
例如，參考圖4，金屬引線框架100包括六條信號通路202a～202f，而非八條。這些信號通路被安排為三對204a～204c。實質上，金屬引線框架200和金屬引線框架100一模一樣，只是去掉了兩條信號通路102c，102f的等同性。其余通路還像以前那樣按對排放，信號通路過渡段的間距小于接觸部分的間距。信號通路102c，102f所騰出來兩個空間208，210位于接觸部分214之間。
亦參考圖5，接地極板220包括主體230，彈性觸片224和接觸部分226，228。接地極板220旨在取代接地極板23(圖1)，尤其是與圖4的實施例聯用。
當完全組裝好接插件12并與接插件13配合后，接地極板222平行于信號通路202a～202f。接觸部分226，288與信號通路202a～202f的接觸部分212對齊。接觸部分226，228各與主體230成相應的直角，并在相應空間208，210里的接觸部分212之間延伸。
圖5A示出了包括屏蔽部件220的底板模塊13’。有信號插腳521的列。每列含有六個信號插腳521，以對應于六個配合接點212。底板接插件13’里沒有對應于空間208和210(圖4)的信號插腳。相反，接觸部分226和228被插入對應于空間208和210的空間里。結果，每列里就有八個接觸末稍了——六個與信號插腳521對應，還有兩個附加的接觸末稍226和228。接觸末稍的間距一致，以圖5A里的尺度P來代表。
接觸末稍的如此安排意味著相鄰列的間距是尺度D。間距D取決于相鄰列中信號對521的間距。
與此相反，在底板接插件13(圖1)里，信號插腳接觸末稍列的間距由用于屏蔽板的接觸末稍占據。
當把底板接插件安裝到底板上時，需要為每個接觸末稍打一個孔。信號線均不能在靠近孔在底板中走線。因此，為使信號線穿越底板，信號線通常穿過接觸末稍列之間的空間。在圖5A的實施例里，間距D代表信號線的一條寬的走線槽路。因此信號線可以做較寬一些，于是損耗就更低了。信號線亦可較直一些，因為他們毋需在信號接觸末稍之間的槽路里的孔周圍繞來繞去了。較直的走線產生較少的阻抗不連續，而阻抗不連續是不利的，因為會造成反射。該特性對輸送高頻信號的系統特別有益。變通地可在每層里多布一些走線，以此來減少層數并節省開支。
參考圖6，用于模塊化電接插件的一組現有技術的信號通路300a～300h擁有過渡段302，該過渡段與兩個不同的平行平面320，322對齊。過渡段的一半與各相應平面對齊。接觸部分314在第三中央平面中對齊。接觸部分312處于分立平面里，并與該第三中央平面對齊。因此，當完全安裝后，各過渡段302離接地極板比離別的信號通路300a～300h更近。
亦參考圖7，圖6的信號通路適宜于提供一組差分信號導體304a～304d。導體對304a～304d的每個導體包括一對接觸部分332，334和在接觸部分332，334之間延伸的過渡段336，337。各對過渡段336，337皆擁有表面338，339，他們重疊在別的相應表面338，339上。表面338，339在沿電氣接插模塊303的邊326，328的方向上彼此重疊，如圖6所示。因此，正如圖3里的導體對104a～104d通常在豎直方向上擁有重疊表面118那樣，導體對304a～304d通常在水平方向上擁有重疊表面338，339(導體對104a～104d與導體對304a～304d之間的區別是相對的，表面338亦可重疊在非水平的方向上)。
不過，與圖6所描繪的通路300a～300h不同，各導體對304a～304d的過渡段336離各導體對304a～304d的過渡段337比離接地極板或別的信號導體對304a～304d更近。因此，各對導體304a～304d耦合至導體對304a～304d的相應導體以減少噪聲。
信號接點的差分對最好是固定在一個未示出的絕緣殼上。接點可如圖7所示那樣安置，再以絕緣材料模制于接點的過渡段周圍。為達到正確安裝接點元件，可把塑料載體條模制于一個平面里的接點元件周圍。于是別的平面里的接點元件即可重疊在載體條上。然后再把附加絕緣材料模制于整個子組件上。
還有另一種辦法可以在圖7所示的構形中形成接觸元件周圍的絕緣殼，就是把絕緣殼模制在兩個互鎖片上。一片包括一個平面里的信號接點。另一片包括另一個平面里的信號接點。再把兩片夾在一起以形成模塊，其信號接點的布置如圖7所示。該制做工藝在美國專利5,795,191里做了描述(其內容做為參考而收入此處)。不過，該專利并未意識到把信號接點的過渡段置于子組件的兩片里的最誘人處在于當組裝兩片時，信號接點會重疊起來以創建差分對。
參考圖8～9，另一種信號通路的安排包括信號導體對304’(此處只示出了一對)。像圖6里的信號通路300a～300h那樣，導體對的每個導體304’伸向模塊303’的相應邊326，328。不過，與信號通路300a～300h不同的是，信號導體對304’的表面318’被分別彎折了，從而在垂直于模塊303’的邊326，328的方向上擁有重疊的表面338’，339’。于是，像圖3，4和7里的導體對那樣，導體304’的間距小于從一對導體對304’到另一類似導體對的距離。而且，像圖6中的接觸部分312那樣，接觸部分312’，314’皆在第三中央平面里。相形之下，圖7所示的接觸部分332和圖6所示的接觸部分314則在兩個獨立平面里。
另一種選擇是毋需像上述那樣把屏蔽板用于差分接插件模塊。
圖10示出了差分接插件模塊510的另一種實施例。如上所述，把塑料511模制于引線框架的過渡部分周圍，從而把含有信號接點的引線框架嵌入模塊。在圖10的模塊里，把窗口512A，512B和512C遺留在各導體對里長引線上方的塑料里。這些窗口可用來均衡各對引線里信號傳輸的延遲。眾所周知，信號在導體里傳播的速度與導體周遭材料的介電常數成比例。因為空氣的介電常數與塑料不同，所以，在長引線上方留窗口會使得那些引線里的信號移動得更快。結果，就能均衡信號穿越長引線和短引線的時間。
各窗口512A～512C的長度取決于導體對的長引線和短引線之間的差分長度。因而，各導體對的窗口的尺寸可能不等。一個導體對還可能包括多個窗口。此外，窗口不一定非得用空氣來填充不可。可以用介電常數不同于其余部分塑料的材料來形成該窗口。例如，可以在窗口區域里把低介電常數的塑料模制于各導體對里長接點部分的上方。然后再用介電常數較高的塑料來形成塑料架511。而且，“窗口”不一定非得在導電信號接點表面上一直延伸不可。“窗口”可以部分充以塑料、部分充以空氣，其效果仍是降低長引線上方材料的有效介電常數。
在電介質材料里放置窗口的一個弊端是這也改變了窗口下區域里信號接點的阻抗。通常不希望阻抗沿信號導體改變，因為信號會在不連續處出現反射。為解決這一問題，可使用別的調整措施來保持阻抗沿信號導體的長度上恒定。一種保持阻抗恒定的辦法是改變信號導體的寬度。在圖10里，在一個區域里的示出了寬度為T1的信號導體，而在窗口區域里則示出了更寬的T2。在兩個區域的相對介電常數的基礎上，選擇準確的尺寸進行阻抗匹配。不論窗口為何在接插件中形成，改變窗口區域里信號接點寬度的技術總是有用的，而且不限于形成窗口以均衡延遲。例如，一些現有技術接插件在所有信號接點的基本部分上方使用窗口，以增加全部信號接點的阻抗。
圖11A和11B示出了另一種可用于提高差分接插件效率的實施例。圖11A示出了底板600的一部分，可把接插件安裝于該底板上。底板600里有好幾列孔602。可以把接插件的接觸末稍插入這些孔里以把接插件安裝于底板上。在底板600里包括了一個或數個接地平面層604。孔周圍不敷設接地層，以免孔里進行的連接短路，這就留出了裸露區域606。不過，在圖11A所示的現有技術的構形中，孔602之間敷設了接地層。圖11B示出了適用于差分接插件的底板印制線路板。敷設接地平面層時在形成差分對的孔602周遭留出了裸露區域。按此辦法，差分對的兩個孔之間不敷設接地層。這樣就改進了差分對的兩個導電元素之間的共模耦合。
還需注意一下此處給出的數字和尺寸。那些數字僅供說明之用，而決無限制本發明之意。例如，說明了帶有6行和8行的接插件。然而，可方便制出任意數量的行。
而且，根據說明，可使用屏蔽板。亦可使用非板形的接地元件。接地元件可置于導電元素對之間。此外，屏蔽不一定非得平面的不可。尤其是圖3和圖4描繪了一種接插件構形，其中，差分對之間留有空間。為增加差分對之間的絕緣，可從屏蔽板上切下接片來從板平面彎出，從而提供導體對之間的更好絕緣。
還需注意到，本發明是以直角、壓接、插腳和插座的接插件來說明的本發明。并不僅可用在直角的應用里。本發明可用于堆疊形或層壓接插件。本發明亦不限于壓配合安裝的接插件。可用于表面安裝或壓力安裝的接插件。此外，本發明不僅限于插腳和插座形式的接插件。可以有各種接觸構形，且本發明還可用于別的接觸構形。
權利要求
1.一種用于容納接插件的差分對接觸末梢部分的印刷電路板，該印刷電路板包括至少一個接地平面層，其具有一些成對的孔，這些孔被構造為容納接插件的差分對接觸末梢部分；對于對應于一個差分對的每對孔，環繞該孔對的區域沒有接地平面層，而該對的各孔彼此電絕緣。
2.如權利要求1所述的印刷電路板，其特征在于所述環繞該孔對而沒有接地平面層的區域基本上為橢圓形形狀。
3.如權利要求1所述的印刷電路板，其特征在于所述環繞該孔對而沒有接地平面層的區域基本上為矩形形狀。
4.如權利要求1所述的印刷電路板，其特征在于對于這些孔對，相鄰孔對之間的區域具有接地平面層。
5.如權利要求1所述的印刷電路板，其特征在于該印刷電路板為底板。
6.如權利要求1所述的印刷電路板，其特征在于這些孔對沿走線槽路排列。
7.一種用于容納接插件的差分對接觸末梢部分的印刷電路板，該印刷電路板包括露出一些孔對的表面，這些孔對被構造為容納接插件的差分對接觸末梢部分；接地平面層；對于對應于一個差分對的各對孔，環繞該孔對的區域沒有接地平面層，并且該對的各孔彼此電絕緣；并且對于這些孔對，相鄰孔對之間的區域具有接地平面層。
8.如權利要求7所述的印刷電路板，其特征在于環繞該孔對而沒有接地平面層的區域基本上為橢圓形形狀。
9.如權利要求7所述的印刷電路板，其特征在于環繞該孔對而沒有接地平面層的區域基本上為矩形形狀。
10.如權利要求7所述的印刷電路板，其特征在于印刷電路板為底板。
11.如權利要求7所述的印刷電路板，其特征在于這些孔對沿走線槽路排列。
全文摘要
一種電接插件模塊，用來在電氣元件(14，16)之間傳輸多個差分信號。該接插件由許多模塊(18)而組成，該模塊擁有一組帶有第一信號通路和第二信號通路的信號導體(102)對(104)。每條信號通路都有一對接觸段(116)，在接觸部分之間延伸。對于每一對信號導體來說，過渡段之間的第一間距小于該信號導體對與組里任何別的信號導體對的第二間距。舉出了能提高可走線性的實施例。
文檔編號H05K3/04GK1534833SQ20041003345
公開日2004年10月6日 申請日期1999年11月24日 優先權日1999年11月24日
發明者托馬斯·S·科恩, 托馬斯 S 科恩, W 蓋樂斯, 馬克·W·蓋樂斯, T 斯托克, 菲利普·T·斯托克 申請人:泰拉丁公司